一直以来,钢都是汽车制造的主要材料。而随着社会对环保节能的呼声越来越高,国家对汽车油耗政策趋于收紧,消费者对车辆安全性也提出了更高的要求,这都迫使汽车制造商寻求更坚固轻便的造车原料。美国汽车研究中心(CAR)在报告中透露,预计到2020年,高强度钢的用量将达到峰值,占整车重量的近15%。等到2040年时,该占比将逐步跌至近5%,届时其他轻量化材料也将在汽车材料领域内占据一席之地。

和制钢原料铁相比,铝以不到其一半的重量和优异的抗腐蚀性更胜一筹,铝合金的出现一度对造车用钢形成威胁。但由于铝材价格相对昂贵,制造和维修工艺都颇具难度,不少汽车制造商更倾向以高强度碳钢取代普通钢材,造车原料之钢和铝之间的博弈由此展开。在日前举行的汽车与环境论坛上,宝钢研究院首席研究员王利、南方科技大学讲座教授朱强、吉林大学教授陈书明、苏州大学研究员张海涛等业内专家在圆桌会议上就造车用材“钢铝之争”展开了探讨。

钢有较大应用潜力和成本优势

随着车用钢材的不断发展,造车用钢早已不是几十年前很多人印象里的低碳钢,现在的车用钢板不断变薄,但钢材强度和耐腐蚀性能却大幅提高。不少钢铁生产企业为应对新材料的挑战积极开发能与铝合金等其它材料抗衡的轻量化高强度钢。据相关数据,每辆车上只需增加212欧元的成本用于高强度钢材,即可实现减重进而节省约5%的燃油。

当前中国汽车市场高强钢的现状和应用潜力究竟如何?王利对此进行了分析,他表示目前车用钢材方面在不断努力下已实现减重,“这里面用了很多技术,其中功不可没的就是高强钢。过去20多年国际钢铁协会有一个项目宝钢一直在参加,钢厂通过开发新的材料继续用钢的话,钢还有多少潜力?通过这么多年的发展,最后给汽车厂的建议或者技术,一个是发展各种先进高强钢还在路上,第二又发展了很多先进制造技术,同时引进了全生命周期的概念。比如最新开发的一款电动概念车,车身减重达40%,它用高强钢的强度比较高了,超过1000兆帕的有40%,只有5%是软钢了,钢通过提高强度这个潜力还是比较大的。”

“从宝钢销售数据来看,我国2017年高强钢用量自主品牌占41%,欧系、日系、美系、韩系、自主共达到2800多万辆,而宝钢供的材料相对来说车型档次高一些,我们国家平均水平还会比这个水平低一点。高强钢的应用比例从我们去年的数据来算平均达到42-45%,这个水平应该是比较低的,国外是60%-70%,这个差距就是我们的潜力。”

铝和钢之间的竞争,铝的突出优势是密度低,而要实现车身减重,在保持用钢比例下,需要将钢板做薄。普通钢板的厚度通常为0.7到0.75mm,如今超强度钢板厚度则仅有0.65mm甚至更薄,新款欧宝赛飞利的发动机盖钢板厚度达到0.6mm。

对此王利表示,“钢的比重不变下要减重只能变薄,但可以调整密度,现在我们有一个新的想法在做,就是对钢材密度的调整。钢铝之争铝的优势就是密度低,竞争到一定程度我可以借助你的优点调整我的密度。我们把钢的弹性模量提高,现在实验室也做出来了。我想说的一个观点,因为钢本身对现有的工业产业的基础不变,在创新方面还有很多空间,从这个维度讲,钢的生命力还是有的,钢的市场份额也是有的。如果的汽车售价超过20万用的材料选择就多一些,售价10万的汽车还是以钢为主。”

而成本问题也成为其它材料难以取代钢的主体地位的原因。陈书明表示,“在汽车轻量化的趋势下,虽然说现在大家都在做轻质材料,比如铝合金、镁合金等轻质复合材料,但是高强钢还是处于主体位置,最主要的因素我认为就是成本,我相信如果碳纤维的成本下来之后,有可能碳纤维就取代这个,这不是不可能,关键现在成本太高,钢目前还具备非常大的成本优势。”

除了成本之外,在满足需求的强度范围内,良好易行的成型工艺也成为钢材难以被替代的原因。“从开发的角度来说,汽车用钢的强度并不是很高,1000兆帕也就足够用了。高强钢现在主要是靠碳来强化的,很多都已经做到2200兆帕,但是在2200兆帕以上,会产生一个突变,或者2200-2500兆帕靠碳来强化基本就不可能了。”陈书明坦言,“我相信这个钢肯定会有其他的材料取代碳,强度会做的越来越高,但是它不一定用在车上,它可能用在其他高强度的领域。对于汽车而言1000兆帕以下的钢我们可选择的特别多,成本低,而且成形工艺非常好,所以在我国钢一时半会很难被取代。”

而从钢本身的结构性能来看,其具有良好的修复性。朱强指出,钢本身带相变,在某些用途上具有一些优势。“对于汽车钢板而言,由于钢板有相变,万一碰了一个坑,很容易重新修复,这对复合材料或者铝相对来说比较困难一点。比如说铝合金复合材料,如果破一个洞,基本上去修就是整块换掉,成本也高,这是和钢相比铝本身存在的弱点。”

铝合金发展期遭遇前狼后虎

相关数据显示,制造一辆普通中型汽车要耗去725公斤的钢和铸铁,以及350公斤的冲压钢板。相比之下,铝合金在一款欧洲汽车内的所占重量,由1990年的50公斤增加到2005年的131.5公斤,多数铝合金仍用于发动机内部件与气缸缸体,这一比重还在继续增加。与制造钢原料的铁相比,铝的重量不仅减轻了一半,其抗腐蚀能力也更优于钢,因此在汽车制造上铝也颇受青睐。

当前,采用全铝合金打造车身的车型已有很多出现。奥迪A8自1994年诞生起就采用全铝空间框架式车身结构,特斯拉研发制造的Model S也采用全铝车身。位于江苏常熟的奇瑞捷豹路虎全铝车身生产线投产后,首款国产车全新捷豹XFL铝合金材料应用比率达75%。捷豹XFL的多处车身结构件应用的诺贝丽斯RC5754高强度铝合金,屈服度达到105-145 Mpa,抗拉强度达220 Mpa,在强度、耐腐蚀性、连接性及成型性率等方面都有不错的表现。

“现在车用铝材越来越多,尤其是底盘件,另外是车身,现在好多小车不断在走这条路。全铝框架虽然有些问题,但是也正在解决。”苏州大学研究员张海涛表示,“为什么要用全铝框架呢?第一成本比较低,一辆小车的成本可能就几千块钱一个车架,最主要是截面设计的很复杂,而铝的抗弯和抗扭刚度比钢更好。”

此外,铝比钢具有更优异的资源回收性和更长的生命周期。朱强表示,“铝的回收损耗率只有5%-10%,钢如果生锈回收就很困难,从长期来说铝合金是有优势的。如果车轮上用铝的话,现在大家已有共识,就是铝合金车轮肯定比钢的好,因为钢碰下容易锈,铝合金刮下没关系,这个性能钢是没有办法比的,铝合金的复合性能在这方面有独特优势。此外,长生命周期对汽车企业也很重要,每个产品的设计都要考虑长周期寿命,这方面铝也更有优势。”

而在回收方面铝也有不具备优势之处,朱强同时指出,铝合金成分相对比较复杂,回收如何分类也存在问题。“比如对压铸的框架来说,板材两个合金没有办法一起用,必须分开,连接的时候费很大劲,拆开的时候又费很大劲,一方面回收效率不高,另一方面不易管理,这方面钢的回收相对来说更简单些。此外,铝合金回收还涉及很多问题,比如降低使用,很好的铝回收后用来做一些不重要的东西,本来很好的东西最后价值很低。”

而从材料的疲劳性来看,铝和钢相比更具风险,同时加工也有所受限。“车辆关键部件的疲劳性能不仅是受材料本身性能控制,还受到材料缺陷的控制。铝的氧化能力非常强,这些缺陷对部件的疲劳性能影响比较大,非常容易出问题。钢的氧化性没有那么强,其缺陷对于疲劳性能来说影响相对较低。”朱强表示,“只凭锻造做不了复杂部件,锻造之后必须加工,否则满足不了结构设计的需求。锻造一般来说两种,或者放弃结构优化,或者重新加工,但是铝合金一经加工表面被破坏后疲劳性能又会下降,又要处理,成本又升高。这些都是铝合金需要克服的问题,解决这些问题后取代钢还是有可能的。”

在汽车底盘用材上,此前铝已取代部分钢,然而近年来随着钢铁技术的进步,底盘用钢又推出新的解决方案。朱强表示,“现在底盘用钢方面,我们开发了几个技术,一个是臂,我们现在到了780兆帕现在可以做钢的三角臂,它与铝相比只重了不到10%,成本低很多。还有两个轮子之间有一个连杆非常很重,现在我们开发一个新的技术后,减重40%,同时通过使用镀层,解决了腐蚀问题,钢本身也在进步。现在钢和铝在竞争互促进步,对车企来说有更多的选择,也由此得到发展。”

实际上,车用铝材当前已步入前有狼后有虎的阶段。前面钢材制造商通过不断改进性能,如今钢材不加镍一样可以实现不锈,而后面镁合金、碳纤维等材料随着成本的降低及性能的提高,对铝材市场都形成了冲击。朱强指出,“铝合金要想做好的话只能快速发展,因为钢已经做了这么多年想取代已经很难,铝一定要尽快产业化,才不会被后来者轻易取代,当前车用铝材的挑战和机遇都是并存的。”

钢铝混合车身结构是大势所趋

当前,越来越多的汽车制造工程师们更注重轻量化材料的混合应用,其研发核心不再只关注车用钢及铝的具体比例,而开始关心如何将多种材料正确混合使用。去年在法兰克福车展上亮相的全新奥迪A8已对奥迪的全铝空间框架式车身结构技术进行了革新和升级,舍弃了奥迪向来引以为傲的全铝车身,铝合金占比降至58%,除了高强钢以外,在车身材料中加入了更多的复合材料,车身却比现款车型增重近51公斤,由现款A8车型的236kg“逆势增重”到了282kg。

新一代奥迪A8采用铝合金材料对车身整体框架进行了搭建,为确保结构强度,在关键联接部位采用铝制铸件,车身表面采用了铝制钣金件。在车身座舱笼形结构中,大量采用热成型超高强度合金钢,远多于现款A8高强钢仅在B柱上的应用,该高强钢材料和20年前的钢材相比,刚度增强了5倍,重量降低了40%。车身结构中加入了镁合金,车厢后部采用了CFRP碳纤维复合材料,从后壁板等细节降低了车身的重量。

“未来铝在整个车身上的应用会越来越多,会出现很多混合车身,比如说奥迪A8全铝车身也开始做混合车身,现在国内很多车企也在跟随这么做。钢和铝连接主要问题在于耐蚀性,用涂胶的方式,用拴接不用焊接。上车身用钢,下车身用铝,用拴接的形式。比如北汽车窗框上面用钢,下面是用铝的,这种混合应用的组合越来越多。不是说钢不好,但是我觉得钢和铝混合在一起用更有前途。”张海涛表示。

对此,王利也指出,其实早在40年代当时就有钢和铝的竞争,后来经过多年发展,现在汽车用的材料已达成一些共识,就是合适的材料用在合适的地方。而且钢本身也在快速发展,这里面既有竞争又有合作。而这个竞争更有益于车企的发展,因为竞争的存在车企可以有更多的选择。展望未来,新能源汽车对轻量化的要求可能更高。

“自主品牌一定要有轻量化战略,钢如果用好其潜力还是不小的,通过采用合资品牌汽车用的高强度钢比例和种类实现白车身10%减重是很容易,通过其它的努力整车降7%-8%是可行的,其中先进高强钢的比例工艺不用变就可以实现车身10%以上。”王利表示,“如果再用一些新的技术和工艺,减重20%以上也是可以实现的。我们已分析过很多自主品牌的车型,这一块潜力还是很大的,差距就是我们的动力了。”

与传统车身相比,钢铝混合车身结构,通过材料的不同属性进行相应配比设计,在提升安全性的同时,车身整体更加坚固轻量,方便进行模块化设计,车身有更大的空间来配置复杂科技,产品更加多样化。除了合资品牌,上汽、北汽及比亚迪等不少自主品牌也在越来越多的使用钢铝混合车身结构。随着国内汽车制造业的发展,在钢铝同台竞技推动汽车材料不断向前革新的同时,未来如何将高强钢、铝合金、镁合金及碳纤维复合材料等多种材料正确的在车辆混合应用将成为汽车轻量化最重要的课题。

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