金属材料在汽车轻量化中的应用与发展

曹斌

摘 要：轻量化材料一方面节约汽车制造成本，另一方面还可以低碳环保循环利用。新材料和新技术之间相辅相成，先进的工艺技术为轻量化材料更新提供基础，新材料的广泛应用推动工艺技术的发展。在未来汽车制造中，轻量化材料取代钢材已经成为一种趋势。

关键词：金属材料；汽车轻量化；应用与发展

1 引言

随着节能减排的大力推行，加之环保政策力度的进一步加强，2016年底至2017年上半年持续放缓的汽车轻量化推进有了回升的态势。之前受阻于车用铝材成本高昂的汽车轻量化，在政策扶持、大环境发展趋势的双重驱动下重新成为了汽车行业的焦点。

2 汽车轻量化的含义

2016年中国机动车的产销量均突破2800万辆，持续领先世界其他国家的汽车增长量。中国每年净新增车辆为2000万，给中国的石油进口负担和环境带来了巨大压力。根据《巴黎协定》和中国“十三五”规划《纲要》确定，未来五年单位国内生产总值二氧化碳排放量下降18%。据相关的资料研究表明，车身的重量每减少10%，汽车的燃油消耗就会减少7%左右。同时，汽车的总质量下降后，还可以将汽车的操纵的稳定性提高，当汽车经过不平坦路面时对汽车的冲击会减少。在不提高汽车发动机功率的前提下，改善汽车的加速性能，汽车的轻量化对汽车的影响很大。

在保证汽车安全等各项重要指标都满足国家和行业标准要求的情况下，为了增加能源的利用效率，使其更加节能、安全，通过采用各种先进的技术或特殊材料尽可能地减轻汽车质量的过程。汽车轻量化并不仅仅是简单地缩小汽车的整体外观大小或者减轻汽车的重量，和消费者直接相关的汽车的稳定性、安全性、耐撞性和舒适性等都需要综合考虑，还要考虑其经济性。

3 汽车轻量化的现状

国内外很多学者对关于减轻汽车自身质量与减少燃油消耗之间的关系做了相应的研究，有确切的证据可以表明减少整车质量可提高汽车节能性和环保性、降低燃油消耗和排放量。汽车保有量越来越高的中国，资源消耗和环境污染程度不断提高，可持续发展战略受到牵制，对中国的发展来说，无疑是一大阻碍。汽车排放的污染物成了雾霾的主要来源。减少汽车污染物排放是控制雾霾的有效措施。轻量化设计后的汽车每公里耗油量减少，污染物的排放也随之减少。庞大的汽车数量群给交通出行带来巨大压力，交通堵塞和不文明的交通行為也滋生了噪音污染。而汽车轻量化能在结构上缩小汽车尺寸，使汽车更灵活，也使道路的容纳量有所提高，一定程度上减少了噪音污染。我国国产汽车与发达国家产出的汽车相比，平均油耗高出15%～20%。载货汽车的质量利用率则低11%～20%，这与我国的道路条件差，零部件加工精度低以及其他因素有关，当然也受汽车自身的设计及使用的材料影响。总的来说，我国汽车的轻量化研发还在初级阶段，基础不够扎实，技术提升较慢，轻量材料以及汽车轻量化方面的意识也不够到位，但是这也表明汽车轻量化在我国具有巨大的发展空间。

4 金属材料在汽车轻量化中的应用与发展

4.1 高强度钢板

高强度钢板性能大大优于一般的钢材，高强度钢板具有厚度薄、质量轻的特点，同时具有更高的强度保证车身安全性。在当前高科技新材料成本高、普及率低的背景下，并考虑综合性能，高强度钢板是车身轻量化的首选材料，王要应用于车辆的关键结构件，如地板、AB柱、门槛等。宝马部分车型中的日柱、中通道、车门防撞杆、地板均采用高强度钢。

凯迪拉克通过结构优化设计，使钢制下车体结构比铝制车体减重6Kg，其AB柱内板、横梁、地板中通道等关键部件均采用先进的高强度钢。

4.2 铝合金

4.2.1 优势

铝合金是地壳中含量最多的金属元素，它具有一系列的优良性能，比如低密度、高比强度、良好的成形性能及工艺性能等，更重要的是铝合金的回收再利用性非常好，具有较高的回收率。低密度让铝合金比合金钢更具优势。铝合金在强度和刚度方面明显要低于钢板，但是铝合金可以通过加厚和优化设计来提高强度和刚度，最终达到与钢板一样的水平。由于铝合金的密度要远远低于钢铁，所以即使增加厚度，铝合金构件的减重效果仍然非常明显。数据资料显示，同刚度下，铝合金减重效果可达50%0

目前，随着汽车保有量的不断增加和人们环保意识的逐渐增强，报废汽车的回收和再生越来越受到关注。铝制品的性能优势决定了铝具有较高的回收价值率，可达到80%左右，并且铝材是对环境完全无害的绿色材料。优越的性能决定了铝合金材料在汽车轻量化领域中的重要地位。

4.2.2 生产工艺

铝合金车身板的抗时效稳定性、成形性、表面处理技術和烘烤硬化性等特性是影响板材力学性能和工艺性能的关键因素，因而这些性能在板材生产加工过程中会受到重点关注。铝合金车身板的生产工艺流程主要包括以下工序：熔铸、热轧、冷轧、热处理（淬火/退火）。

根据合金品种，固溶处理加热速度、固溶温度、保温时间、温控精度和冷却方式均有严格要求，尤其要求固溶保温完成后要迅速立即进行淬火冷却。冷却方式主要有两种水冷和空冷，一般来说，车身外板6xxx系铝合金采用水冷，车身内板5xxx系铝合金采用空冷，也有部分6xxx系铝合金采用空冷。车身内板的性能是否达标主要取决于连续退火热处理工序。钝化处理后，经过辊涂或喷涂的铝卷具有优良的表面层，有利于吸附润滑剂，更好地保证汽车生产厂商板材冲压成型；钝化处理另一作用增强了铝卷粘合强度，提高了漆层的稳定性。

马自达、奥迪等采用铝合金板材制造外覆盖件，发动机罩和行李厢盖是铝合金在车身上应用最早的部位，后面逐渐发展到全铝车身，国外部分汽车铝合金和铝复合材料的比例可达80%以上。铝合金材料作为性能优异的新材料同时还具有很好的循环利用性，回收1件吕合金要比加工制造1t少耗能95%，目前汽车用铝合金材料中60%以上的都是再生铝。另外，相比加工铝合金，加工钢铁所需的工装设备需要汽车制造商投资更多资本，以铝挤压型材为王的汽车铝制车身框架，焊点少、装配效率高。

5 结语

汽车减重显然能带来很多的好处，但从目前市场表现来看，我国的轻量化技术起步较晚，缺乏经验，仍未建立起完善的产业链。在汽车轻量化之路上，仍然面临着众多难题。当前，随着新能源汽车的发展，轻量化更是重中之重。铝合金材料以其自身优势必将在汽车轻量化发展中发挥重要作用。作为铝加工企业，应将汽车用铝合金板的生产成本作为关注焦点，重点从生产工艺、设备和管理等多角度制定降低成本措施，为铝板材的大批量生产与应用打下良好基础。

参考文献：

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