楊 洋，林 森，朱明清

(1.黑龍江省科學院 智能制造研究所，哈爾濱150090； 2.東北輕合金有限責任公司，哈爾濱150060)

“中國制造2025”行動綱領的提出對車用金屬輕量化材料提出了更高的要求[1]。車體重量的輕量化和材料生產(chǎn)及尾氣排放的節(jié)能環(huán)保是新時期車用材料的發(fā)展趨勢。在車輛油耗的使用過程中，約70%～80%為車體自重產(chǎn)生的油耗，車輛自重每下降10%，將節(jié)省油耗8%，同時減少尾氣排放4%。通過減少車體重量可以有效降低能源消耗，從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。在保證車體原有結構強度性能要求的前提下，可通過對車體材料進行輕量化改造來實現(xiàn)車體輕量化目標。

1 車用其他材料現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

一臺家用轎車金屬材料一般占比在80%，非金屬材料占比在20%。金屬材料主要包含鋼、鑄鐵、鋁合金等。非金屬材料主要包括玻璃塑料、陶瓷和玻璃等。金屬材料占比高是汽車輕量化的主要發(fā)力方向，但非金屬材料在提高產(chǎn)品性能、減低產(chǎn)品重量方面也起到了一定的作用。塑料具有輕質化特性，兼具成形難度低、不易被化學物質腐蝕等特性，在車內(nèi)飾以及部分外部結構件上得到了廣泛應用。

聚丙烯是良好的熱塑性樹脂[2]，具有價格低、輕質高強、可二次回收利用的特點。一臺汽車上一般將近80個零部件都是由聚丙烯加工而成。致密聚丙烯材料的硬度與鋼鐵相似，防碰撞性能出色，在汽車輕量化中被廣泛應用?？咕郾┎牧?、長玻纖增強聚丙烯材料也在科技飛速發(fā)展中得到了良好的開發(fā)和使用。

纖維增強復合材料(FRP)根據(jù)添加的纖維不同，可以分為玻璃纖維增強復合材料[3]、碳纖維增強復合材料和芳綸纖維增強復合材料。該材料具有比強度大、比模量大、耐疲勞性好等特點。優(yōu)秀的比強度可以減小零件的質量，優(yōu)秀的比模量可以提高零件的剛性。由碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的纖維增強復合材料可以達到鋼材的7倍比強度和3倍的比模量。金屬材料的疲勞破壞和疲勞損傷基于表面很難判斷，而纖維增強復合材料因為自身的材料特性，纖維部分會先于基體材料從纖維的薄弱處開始出現(xiàn)破壞或損傷，在檢修中更容易發(fā)現(xiàn)已疲勞的零件，能夠及時進行更換，減少事故的產(chǎn)生。

陶瓷材料具有絕緣、高硬度、耐磨、耐高溫等優(yōu)良特性。高鋁陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷在汽車領域應用廣泛，氣門、氣門挺桿、活塞和軸承等部件都有使用。特種陶瓷的使用使陶瓷原本的特性更加突出，減小了零件體積，提高了零件性能，可在與發(fā)動機相關的應用中替代金屬零件，提高了發(fā)動機的熱效率，延長了易損件的使用壽命，陶瓷零配件成為了高性能零件不可或缺的力量。

2 車用金屬輕量化材料現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

金屬材料在轎車所用材料中的占比大概是非金屬材料的4倍。金屬材料的輕量化對于汽車整體的輕量化有著至關重要的作用。鋼材很好地滿足了汽車安全性的需求，鋁合金的應用則大大推進了汽車輕量化前進的腳步。新能源汽車的迅猛發(fā)展對汽車減重以及增加續(xù)航提出了更高的要求，從需求端對車用金屬材料和成型工藝起到了促進作用，推動了汽車行業(yè)的發(fā)展。

鋼材是車體材料中最重要且用量最大的材料，用料占比一般在車體總用料的一半以上，車體輕量化會主要圍繞鋼材的替換所展開。鋼材有著明顯的優(yōu)點與缺點，主要優(yōu)點是：擁有207 GPa的彈性模量，這是現(xiàn)有的車體用金屬材料中彈性模量最高的。AHSS和UHSS高強度鋼具有更為優(yōu)秀的強度范圍[4]，在用做車體材料時，能夠減低厚度，提高結構件的承載力與防撞能力。鋼材價格低廉，而且鋼的塑性好于鋁合金和鎂合金，突出的可焊接性、可重復利用性都是現(xiàn)代汽車使用鋼材的主要原因。高強鋼的強度要高于普通鋼，在汽車價格與整體性能的綜合考量下，要合理使用高強度鋼，并減低高強度鋼的占比。高強度鋼根據(jù)成形工藝的不同可分為普通高強鋼和先進高強鋼。也可以根據(jù)高強鋼的屈服強度、抗拉強度來進行劃分。目前，在汽車制造領域中應用最廣的先進高強鋼主要包括雙相鋼、馬氏體鋼、相變誘導塑性鋼、復相鋼等。超高強鋼主要應用在對零件強度要求高的車身結構上，如車門、側板、A柱、B柱、車門加強板、保險杠等有防撞需求的零件上。通過使用高強度鋼以及先進高強度鋼，并采用新的汽車制造工藝，以達到減輕車體重量的目的，這對于實現(xiàn)汽車輕量化起到了重要作用。

鋁合金作為輕質金屬，密度是2.7，僅為鋼的1/3，抗拉強度和抗疲勞性能良好，大致在鋼一半重量的前提下就可提供相同的強度，厚度也僅增加為鋼的1.4倍，是目前汽車金屬部件輕量化最理想的材料。如果將車體的高強度鋼替換成鋁合金材料，可通過一次零件本身減重和二次對車輛的懸掛與制動系統(tǒng)進行減重來實現(xiàn)汽車輕量化的目標，這種綜合減重效果超過了普通鋼材的40%，遠優(yōu)于高強鋼替代普通鋼的11%。車身使用的鋁合金主要是變形鋁合金，一共包含從1×××系到7×××系共7系鋁合金[5]。根據(jù)熱處理特性，2×××系、6×××系、7×××系為熱處理可強化鋁合金，1×××系、3×××系、5×××系為熱處理不可強化鋁合金，其中2×××系、5×××系、6×××系、7×××系與汽車相關。例如：2036可用于汽車車身鈑金件，5252可用于汽車的裝飾性零部件，6010可用于汽車車身，7005可用于高強度高斷裂韌性的焊接結構。鋁合金現(xiàn)階段的生產(chǎn)成本比較高，目前使用全鋁車身的汽車全部都是各大豪華品牌的頂級汽車。鋁合金與鋼材相比有更好的吸能性，這也是它能夠替代傳統(tǒng)鋼材的明顯優(yōu)勢。在碰撞試驗中具有更為突出的安全性，當汽車頭部發(fā)生碰撞時，更容易形成褶皺和變形，會吸收一部分沖擊力，從而保護駕駛員和乘客的人身安全。汽車使用鋁合金材料后，整體質量減輕，相同速度下的動能減少，在發(fā)生撞擊時能減少傷害。根據(jù)碰撞試驗，在56km/h的速度下，車頭正碰撞后的車門依舊可以開啟。目前，我國的汽車市場將逐步進入存量市場，國際化競爭日趨激烈，國產(chǎn)汽車用材應加大對鋁合金的使用，以期為我國汽車工業(yè)與制鋁工業(yè)提供廣闊的市場，帶來新的發(fā)展機遇。

鎂合金是車身用金屬材料中最輕的，比鋁合金輕33%，比鋼輕75%。鎂合金密度低，具有良好的減震性、導電性、導熱性、壓鑄性，制備方法相對簡單，設備投入低，鑄造鎂合金在汽車車身制造上也得到了廣泛應用，如剎車支架、支架總成、座椅基座、閥蓋、凸輪蓋、變速箱，等等。鎂合金在車身材料的使用占比較低，主要是其自身還有需要解決的問題。同等體積的鎂合金做成的車架，其抗拉強度、抗疲勞強度、彈性模量均不如鋁合金，而且鎂本身比鋁要活躍，鎂合金也比鋁合金更容易被氧化腐蝕。在美國汽車制造商生產(chǎn)出的汽車中，鎂合金零部件的重量平均約12磅，僅占一輛汽車全部材料的0.3%。國內(nèi)的鎂資源豐富，國外的鎂資源相對匱乏，我國發(fā)展鎂合金有較大的成本優(yōu)勢。但國內(nèi)對鎂合金的研發(fā)尚處于初期階段，還需加大科研投入，依靠成本優(yōu)勢及本土市場規(guī)模來體現(xiàn)出與國外品牌的差異化，進而更好地推動汽車行業(yè)的發(fā)展。

3 結語

車用材料產(chǎn)業(yè)是汽車工業(yè)發(fā)展的有力支撐，車用金屬輕量化材料是行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。減少能源消耗、提高環(huán)境質量是當今世界極為關注的問題。在汽車輕量化方面，高強度鋼、鋁合金、鎂合金等輕質金屬材料已有了完整的商業(yè)應用，但針對不同檔次、不同產(chǎn)品用途、不同性能要求的汽車產(chǎn)品，還需要大力將輕量化技術向中低端車型普及，降低輕量化零件的成本，這也是整個汽車行業(yè)發(fā)展的新目標和新方向。