錢余?！菓c芳　雷 浩

汽車輕量化材料及工藝的研究進(jìn)展

錢余海1,2吳慶芳1,2雷 浩1,2

（1.山東鋁谷產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山東 鄒平 256200；2.鋁谷產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東 鄒平 256200）

在節(jié)能減排、降低能耗的需求驅(qū)動下，汽車輕量化代表著當(dāng)前汽車的發(fā)展方向，成為世界各國汽車工業(yè)競相發(fā)展的目標(biāo)。文章簡要介紹了鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)鋼等典型汽車輕量化材料的性能特點(diǎn)及在汽車零部件上的應(yīng)用，同時從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及輕量化工藝等方面系統(tǒng)闡述了汽車輕量化的發(fā)展?fàn)顩r。

汽車輕量化；輕量化設(shè)計(jì)；輕量化工藝

引言

世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來能源短缺和環(huán)境污染等日益嚴(yán)峻的問題，節(jié)能環(huán)保、綠色可持續(xù)發(fā)展倍受關(guān)注。在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的目標(biāo)牽引和內(nèi)生需求驅(qū)動下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和新興產(chǎn)業(yè)的扶持勢在必行。除大力發(fā)展以氫能、太陽能、風(fēng)能為代表的清潔能源產(chǎn)業(yè)以外，汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最為有效的措施之一。已有研究表明[1]，汽車每減輕10%，可節(jié)省燃油6%～8%，提高燃油效率5.5%，降低排放4%。

目前，在保證安全性、舒適性和可操作性的前提條件下，汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的潮流和發(fā)展趨勢[2]。世界各國相繼出臺的燃油消耗量及汽車排放限制政策使得汽車輕量化技術(shù)成為未來汽車設(shè)計(jì)的核心，汽車輕量化被相繼納入各國法律法規(guī)。2019年，我國出臺《乘用車燃料消耗量限值》國家標(biāo)準(zhǔn)，以期提高能源利用率，并促進(jìn)汽車輕量化的發(fā)展。在《中國制造2025》中關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中也強(qiáng)調(diào)了“輕量化仍然是重中之重”?！拜p量化”已經(jīng)成為國家汽車工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略需求。材料的合理選擇及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)輕量化的根本前提。本文簡要介紹了鋁合金、鎂合金及先進(jìn)高強(qiáng)鋼等典型汽車輕量化金屬材料的性能特點(diǎn)及其在汽車零部件上的應(yīng)用，同時結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及輕量化工藝等方面系統(tǒng)闡述了當(dāng)前汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

1　典型汽車輕量化材料

1.1　鋁合金

世界鋁業(yè)看中國，中國是鋁土礦進(jìn)口及原鋁產(chǎn)出大國。近10年來，我國鋁產(chǎn)量持續(xù)增長，2020年中國電解鋁產(chǎn)量占據(jù)全球57.18%。鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、彈性好、導(dǎo)熱性好、耐磨耐腐蝕性好、易加工、回收率高等諸多性能特點(diǎn)，是汽車工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的輕量化材料[3]。隨著鋁冶煉水平及加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車用鋁量和鋁在汽車材料構(gòu)成比中所占份額均顯著增加，鋁合金零部件已廣泛地應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)、底盤甚至車身等各個部位，甚至已有全鋁汽車面世。

鋁合金主要包括變形鋁合金和鑄造鋁合金，同時根據(jù)合金元素的種類及含量將鋁合金分為1－8系列。在各類常用的合金元素中，只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li等在鑄造鋁合金生產(chǎn)中具有重要意義。鋁鑄件廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，例如在日本，汽車結(jié)構(gòu)及零部件鋁鑄件的比例高達(dá)70%以上，主要包括發(fā)動機(jī)及其附件、空壓機(jī)連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。然而，鋁鑄件中易于產(chǎn)生縮松、縮孔等各類缺陷且不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來應(yīng)用更多的工藝。

變形鋁合金主要是指采用變形加工工藝制備的鋁合金，主要包括板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等[4]。目前鋁合金在車身零部件上的應(yīng)用正處于高速增長期，如日本本田NSX全鋁承載式車身的鋁散熱器等。

對于汽車而言，車身的用材量最大，甚至占汽車總質(zhì)量的近1/3，因此汽車車身的輕量化意義重大。在常用鋁合金汽車車身板中，2XXX系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金屬于Al-Cu-Mg系，它具有鍛造性、焊接性、成形性優(yōu)良的特點(diǎn)，同時強(qiáng)度較高，但存在抗腐蝕性能差和烘烤硬化能力低等缺點(diǎn)，主要用于汽車內(nèi)板。目前2036合金和2022合金已部分用于汽車車身板；以Al-Mg成分為基礎(chǔ)的 5XXX系鋁合金是非熱處理強(qiáng)化合金，合金元素Mg的固溶強(qiáng)化效應(yīng)使其兼具普通碳鋼的性能優(yōu)點(diǎn)，同時具有良好的抗腐蝕性和焊接性，多用于車身內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位；6XXX系A(chǔ)l-Mg-Si(-Cu)合金是可熱處理強(qiáng)化合金，強(qiáng)度高，塑性好，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，具有良好的成形性、烘烤硬化性，綜合性能良好，廣泛應(yīng)用于汽車面板等領(lǐng)域[5,6]。美國20世紀(jì)70年代已成功研制了牌號為6009和6010汽車車身板用鋁合金，它們具有良好的塑性和成形性能，經(jīng)噴漆烘烤處理后再利用人工時效強(qiáng)化可進(jìn)一步提高強(qiáng)度，目前廣泛應(yīng)用于汽車的內(nèi)外層壁板。

1.2　鎂合金

我國有豐富的鎂資源，菱鎂礦開采技術(shù)成熟，鎂的回收率高且回收無污染等特點(diǎn)促進(jìn)了鎂的大量應(yīng)用。作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂和添加了各類合金元素的鎂合金具有密度低、阻尼和減震性能高、比強(qiáng)度和比剛度高等突出的性能優(yōu)勢。然而，鎂的晶體為密排六方結(jié)構(gòu)，致使鎂合金室溫條件下獨(dú)立的滑移系少于5個，因此難以變形，成型和加工性能差。

在汽車結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用鎂合金可取得極其理想的減重效果：用鎂替代傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架可實(shí)現(xiàn)減重65%；鎂制轉(zhuǎn)向輪芯相較于傳統(tǒng)的鋼制件降重45%；全鎂氣缸蓋的制作較現(xiàn)行的鋁合金降重30%；利用鎂鑄件制作的制動踏板支架較傳統(tǒng)的鋼制品減重達(dá)40%，同時其剛性也得以改善。

由于鎂合金變形困難，加工性能差，因此在汽車工業(yè)中多以壓鑄件的形式進(jìn)行應(yīng)用。車輪輪輞鎂鑄件最早應(yīng)用于汽車上的構(gòu)件，目前鎂合金主要應(yīng)用于汽車的殼體類和支架類零件上，如座椅架、儀表盤、變速箱體、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架等[7,8]，但應(yīng)用范圍多局限于高級車輛，多屬于示范性應(yīng)用。

盡管有諸多的性能優(yōu)勢，然而在自然環(huán)境中鎂合金極易發(fā)生腐蝕，目前尚未建立長期有效的防腐蝕技術(shù)。另外，針對鎂合金的性能測試數(shù)據(jù)相對較少，鎂合金零件設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)不足，成本太高，高溫疲勞性能較差和抗蠕變能力弱等均成為限制鎂合金應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，因此鎂合金目前尚難以大規(guī)模應(yīng)用于汽車輕量化領(lǐng)域[9]。

1.3　高強(qiáng)及超高強(qiáng)鋼

持續(xù)開發(fā)新型高性能材料，通過增強(qiáng)汽車構(gòu)件強(qiáng)度與性能來提高安全指數(shù)，是汽車行業(yè)發(fā)展的共同理念。相比于普通鋼，高強(qiáng)及超高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度高，可增強(qiáng)汽車的安全性、覆蓋件的抗凹性，在保證強(qiáng)度要求的前提下由于板厚減薄達(dá)到汽車結(jié)構(gòu)輕量化的目的[10,11]。新一代汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼運(yùn)用綜合強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，主要包括雙相鋼（DP鋼）[12]、復(fù)相鋼（CP鋼）[13]、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）[14]、馬氏體鋼（MS鋼）[15]、淬火延性鋼（QP鋼）[16]、孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP鋼）[17]和硼鋼（B鋼）[18]等。

雙相鋼（DP鋼）的顯微組織為兩相，基本構(gòu)成為鐵素體（F）+貝氏體（B）或鐵素體（F）+馬氏體（M）。其中鐵素體是軟相，可保證良好的塑性和成型性，而貝氏體/馬氏體是硬脆相，可使鋼的強(qiáng)度提高。雙相鋼具有諸多的性能優(yōu)勢：如不發(fā)生屈服延伸，不產(chǎn)生室溫時效，特別是具有低屈強(qiáng)比、高加工硬化指數(shù)和高烘烤硬化值等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)類零件、汽車承重受力結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件和防撞件等。

復(fù)相鋼（CP鋼）主要由鐵素體/貝氏體構(gòu)成，同時含有少量的馬氏體、殘余奧氏體和珠光體，復(fù)相鋼的晶粒細(xì)小，兼具高的強(qiáng)度和韌性，特別是其抗拉強(qiáng)度較高。CP鋼的屈服強(qiáng)度明顯高于同強(qiáng)度級別的雙相鋼，彎曲成型性能、翻邊成形性能和擴(kuò)孔性能良好，同時具有高能量吸收能力，因此CP鋼可應(yīng)用于底盤懸掛件、B柱、保險杠、座椅滑軌等汽車零部件。

在微觀結(jié)構(gòu)上，相變誘導(dǎo)塑性鋼（也稱為TRIP鋼）由鐵素體、馬氏體（貝氏體）和殘余奧氏體構(gòu)成。TRIP鋼板內(nèi)部可吸收汽車碰撞過程中瞬間發(fā)生大形變而產(chǎn)生的機(jī)械能，同時結(jié)合原來顯微組織中殘余奧氏體中儲存的內(nèi)能，將部分殘余奧氏體直接誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而通過相變過程起到強(qiáng)化作用。特別是，在加工成形過程中，TRIP鋼顯微組織中所含的相對較軟的殘余奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕嗟鸟R氏體，從而保證其具有良好的成形性能和均勻變形性能，同時還具有高碰撞吸收能、高強(qiáng)度塑性積和高n值等獨(dú)特特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的B柱加強(qiáng)板、前縱梁等汽車零部件等多采用TRIP鋼制作。

馬氏體鋼（MS鋼）的屈強(qiáng)比高、抗拉強(qiáng)度高、延伸率相對較低，同時具有高碰撞吸收能、高強(qiáng)度塑性積和高n值（與相變誘導(dǎo)塑性鋼相似），但MS鋼具有延遲開裂的傾向，在應(yīng)用過程中應(yīng)當(dāng)高度注意這一不利因素。汽車的保險杠、門檻加強(qiáng)板和側(cè)門內(nèi)的防撞桿等輥壓成形零件多由MS鋼制作，特別適合于簡單冷沖壓零件和截面相對單一的部件。

孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP鋼）是第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼的典型代表，它的化學(xué)成分為18%Mn-3%Si-3%Al（wt.%）。在形變過程中奧氏體相可發(fā)生變化而形成機(jī)械攣晶，可有效地吸收碰撞過程中的能量，同時通過孿晶誘發(fā)的動態(tài)細(xì)化作用，確保TWIP鋼具有極高的加工硬化能力。超高強(qiáng)度和超高塑性是TWIP鋼的突出性能特點(diǎn)，全奧氏體微觀組織結(jié)構(gòu)的TWIP鋼兼具優(yōu)異的成形性能和超高強(qiáng)度，因此對材料拉延和脹形性能要求很高的汽車零部件通常應(yīng)用TWIP鋼制作。

第三代先進(jìn)高強(qiáng)淬火延性鋼（QP鋼）綜合性能優(yōu)良，具有高強(qiáng)高塑性，其強(qiáng)塑積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第一代和第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼。QP鋼由鐵素體、馬氏體和奧氏體構(gòu)成，其熱處理工藝為：先通過淬火處理形成一定數(shù)量的馬氏體后，然垕進(jìn)行二次加熱，此時馬氏體中的碳原子向殘留奧氏體內(nèi)擴(kuò)散，有利于提高其穩(wěn)定性。QP鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)決定其具有良好的加工硬化能力，它的塑性和成形性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同級別的超高強(qiáng)鋼。QP鋼主要用于形狀較為復(fù)雜的汽車安全件和結(jié)構(gòu)件，如A柱、B柱的加強(qiáng)件等。

硼鋼（B鋼）中的B元素可提高鋼的淬透性，使得鋼的組織和性能更為均勻。B鋼的抗拉強(qiáng)度極其高（達(dá)1500 MPa以上），可有效提高碰撞性能。另外，由于強(qiáng)度高可最大化減薄結(jié)構(gòu)件的厚度，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。B鋼具有零件形狀復(fù)雜、成形性好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于制作各種汽車安全結(jié)構(gòu)件。

2　輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對原有結(jié)構(gòu)件進(jìn)行輕質(zhì)材料的簡單替代僅僅是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的初級階段，而實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵前提是進(jìn)行合理的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[19,20]。更為具體地，汽車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須從整車的角度進(jìn)行全方位的考慮，它同時包括汽車整體車身的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和尺寸形狀再優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體而言，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用多種綜合分析技術(shù)和方法更為合理地優(yōu)化各類材料的分布形式和連接方式，重點(diǎn)側(cè)重于從宏觀的層面通過零部件的薄壁化和中空化設(shè)計(jì)手段來實(shí)現(xiàn)車身整體結(jié)構(gòu)的輕量化。通常是在完成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的前提條件下下一步再進(jìn)行尺寸和形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是通過對幾何形狀和尺寸、橫截面積、節(jié)點(diǎn)位置等參數(shù)進(jìn)行再次優(yōu)化，目的是在維持基本剛度不發(fā)生變化的條件下達(dá)到輕量化的目的。

在進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，自然界中的仿生學(xué)原理為其提供了良好的借鑒：在生物界的長期進(jìn)化過程中，保持一定剛度的前提下一些生物體在生態(tài)構(gòu)造上形成了重量輕、壽命長的特點(diǎn)。自然界進(jìn)化規(guī)律使得材料總是遵循輕量化的原則：如從動物骨胳和植物桿徑的橫截面可以看出，材料總是遵循物盡其能的原則進(jìn)行最為合理的分布：在承受載荷較大的部位優(yōu)先生長材料，而在受載很小的部位則材料分布相應(yīng)地最少。因此，自然界仿生學(xué)從造型、拓?fù)浜蜆?gòu)造等多方面為汽車輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考，即可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。大量的實(shí)踐過程表明，車身及車體結(jié)構(gòu)完全可以遵循自然法則進(jìn)行智能化和輕量化設(shè)計(jì)。

在汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面一般應(yīng)遵循如下基本原則：確保盡量直接的力導(dǎo)入與力平衡；盡可能地將慣性矩與阻力矩最大化；保證構(gòu)件具有輕盈的結(jié)構(gòu)；充分發(fā)揮曲率的自然支承作用；為了確保安全和可靠性，需要對結(jié)構(gòu)件的主承載方向進(jìn)行加固設(shè)計(jì)；必須優(yōu)先遵循一體化原則；在設(shè)計(jì)過程中合理地引入空腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的減重等。

3　汽車輕量化工藝簡介

輕量化工藝是實(shí)現(xiàn)材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的終極之路，也是實(shí)現(xiàn)輕量化的必由之路，在一定程度上直接決定輕量化能否實(shí)現(xiàn)[21]。近年來，廣泛應(yīng)用的典型的輕量化工藝主要包括以下方面。

自沖鉚接：是鋁合金連接的重要方法之一，它的工作原理是將一個典型的半管狀鉚釘推入材料的目標(biāo)堆中，在此期間材料和鉚釘?shù)乃苄宰冃问沟貌牧隙褍?nèi)形成機(jī)械鎖[22]。自沖鉚接的工藝過程可以可分為夾緊階段、刺穿階段、擴(kuò)張階段、鉚接完成四個階段。自沖鉚接工藝因具備適應(yīng)性好、成型快、易加工等優(yōu)點(diǎn)而取得快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于不易進(jìn)行焊接的板材連接，對于實(shí)現(xiàn)輕量化制作意義重大。

熱熔鉆：熱熔鉆也稱熱鉆，是一項(xiàng)革命性的加工新技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)鉆孔緊固工序的工藝，使得以往加工過程中的難題——薄板薄管的攻牙緊固在瞬間即可完成。該工藝已經(jīng)取代鉆孔、焊接螺母和壓鉚螺母。熱熔鉆螺釘可以實(shí)現(xiàn)單面施工，在鈑金與擠壓型材的腔體連接或者無法雙面施工的情況下發(fā)揮了必要的作用。

熱沖壓成型：是國際上近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)專門用于超高強(qiáng)度鋼板沖壓件加工成型的先進(jìn)制造技術(shù)，也是汽車沖壓件制造領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)，熱成型工藝在車身結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用越來越廣泛，如A柱、B柱、側(cè)圍上邊梁、中央通道等。

液壓成型工藝：液壓成型工藝在板材成型過程中以液體代替或者輔助成型。液壓拉伸成型通過在凹模中充加液體，液壓室作用在液體上的壓力會將毛坯和凸模緊密結(jié)合，有利地保證成型的精確性。此外，液體具有潤滑作用，可減小成型過程中的摩擦阻力，有利于提高成型極限，避免各種局部缺陷的產(chǎn)生。

激光拼焊：采用先進(jìn)的激光技術(shù)及設(shè)備，將一定數(shù)量的不同材質(zhì)、厚度、涂層的鋼材、鋁合金等材料通過自動拼合和焊接組成一塊整體板材，通過沖壓制造成為零部件。這一技術(shù)是基于激光焊接技術(shù)的成熟發(fā)展及應(yīng)用而衍生出的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，其主要的特點(diǎn)是不需要填料，焊接速度較快和質(zhì)量較高，同時可保證焊接效果的精準(zhǔn)性。

粉末注射成形：是將粉末冶金與塑料注射成形相結(jié)合而形成的一種全新的近凈成形工藝。與其他材料加工方式相比，它的材料利用率高，并可實(shí)現(xiàn)中小形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的大批量生產(chǎn)，尤其是針對一些形狀復(fù)雜且利用傳統(tǒng)機(jī)械加工等工藝方法難以加工的高性能小型零部件，因此，廣泛適用于鋁及鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形。

4　結(jié)束語

減重、節(jié)能、降耗的技術(shù)需求使汽車輕量化技術(shù)日趨重要。輕量化已經(jīng)成為乘用車行業(yè)提高核心競爭力的現(xiàn)實(shí)需求，代表著汽車工業(yè)的發(fā)展方向。在材料體系的選擇和應(yīng)用方面，充分發(fā)揮各種材料的性能優(yōu)勢，發(fā)展多材料體系混合共用的策略是實(shí)現(xiàn)輕量化的最終途徑。同時，汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展必須綜合考慮輕量化材料的選擇、結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)以及輕量化加工工藝。

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Research Progress of Automobile Lightweight Materials and Technology

Driven by the demand for energy conservation, emission reduction and energy consumption reduction, automobile lightweight represents the current development direction of automobile and has become the competitive development goal of automobile industry all over the world. This paper briefly introduces the performance characteristics of typical automobile lightweight materials such as aluminum alloy, magnesium alloy and high-strength steel and their application in automobile parts. At the same time, the development of automobile lightweight is systematically described from the aspects of structural optimization design and lightweight technology.

automobile lightweight; lightweight design; lightweight process

U465

A

1008-1151(2022)02-0049-04

2021-12-19

錢余海（1973－），男，山東臨沂人，山東鋁谷產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司/鋁谷產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院高級工程師，工學(xué)博士，從事鋁產(chǎn)業(yè)科技研發(fā)和技術(shù)管理工作。