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一直以來(lái)，鋼都是汽車(chē)制造的主要材料。而隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的呼聲越來(lái)越高，國(guó)家對(duì)汽車(chē)油耗政策趨于收緊，消費(fèi)者對(duì)車(chē)輛安全性也提出了更高的要求，這都迫使汽車(chē)制造商尋求更堅(jiān)固輕便的造車(chē)原料。美國(guó)汽車(chē)研究中心（CAR）在報(bào)告中透露，預(yù)計(jì)到2020年，高強(qiáng)度鋼的用量將達(dá)到峰值，占整車(chē)重量的近15%。等到2040年時(shí)，該占比將逐步跌至近5%，屆時(shí)其他輕量化材料也將在汽車(chē)材料領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。

和制鋼原料鐵相比，鋁以不到其一半的重量和優(yōu)異的抗腐蝕性更勝一籌，鋁合金的出現(xiàn)一度對(duì)造車(chē)用鋼形成威脅。但由于鋁材價(jià)格相對(duì)昂貴，制造和維修工藝都頗具難度，不少汽車(chē)制造商更傾向以高強(qiáng)度碳鋼取代普通鋼材，造車(chē)原料之鋼和鋁之間的博弈由此展開(kāi)。在日前舉行的汽車(chē)與環(huán)境論壇上，寶鋼研究院首席研究員王利、南方科技大學(xué)講座教授朱強(qiáng)、吉林大學(xué)教授陳書(shū)明、蘇州大學(xué)研究員張海濤等業(yè)內(nèi)專(zhuān)家在圓桌會(huì)議上就造車(chē)用材“鋼鋁之爭(zhēng)”展開(kāi)了探討。

鋼有較大應(yīng)用潛力和成本優(yōu)勢(shì)

隨著車(chē)用鋼材的不斷發(fā)展，造車(chē)用鋼早已不是幾十年前很多人印象里的低碳鋼，現(xiàn)在的車(chē)用鋼板不斷變薄，但鋼材強(qiáng)度和耐腐蝕性能卻大幅提高。不少鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)為應(yīng)對(duì)新材料的挑戰(zhàn)積極開(kāi)發(fā)能與鋁合金等其它材料抗衡的輕量化高強(qiáng)度鋼。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，每輛車(chē)上只需增加212歐元的成本用于高強(qiáng)度鋼材，即可實(shí)現(xiàn)減重進(jìn)而節(jié)省約5％的燃油。

當(dāng)前中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)高強(qiáng)鋼的現(xiàn)狀和應(yīng)用潛力究竟如何？王利對(duì)此進(jìn)行了分析，他表示目前車(chē)用鋼材方面在不斷努力下已實(shí)現(xiàn)減重，“這里面用了很多技術(shù)，其中功不可沒(méi)的就是高強(qiáng)鋼。過(guò)去20多年國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)有一個(gè)項(xiàng)目寶鋼一直在參加，鋼廠通過(guò)開(kāi)發(fā)新的材料繼續(xù)用鋼的話(huà)，鋼還有多少潛力？通過(guò)這么多年的發(fā)展，最后給汽車(chē)廠的建議或者技術(shù)，一個(gè)是發(fā)展各種先進(jìn)高強(qiáng)鋼還在路上，第二又發(fā)展了很多先進(jìn)制造技術(shù)，同時(shí)引進(jìn)了全生命周期的概念。比如最新開(kāi)發(fā)的一款電動(dòng)概念車(chē)，車(chē)身減重達(dá)40%，它用高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度比較高了，超過(guò)1000兆帕的有40%，只有5%是軟鋼了，鋼通過(guò)提高強(qiáng)度這個(gè)潛力還是比較大的。”

“從寶鋼銷(xiāo)售數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)2017年高強(qiáng)鋼用量自主品牌占41%，歐系、日系、美系、韓系、自主共達(dá)到2800多萬(wàn)輛，而寶鋼供的材料相對(duì)來(lái)說(shuō)車(chē)型檔次高一些，我們國(guó)家平均水平還會(huì)比這個(gè)水平低一點(diǎn)。高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例從我們?nèi)ツ甑臄?shù)據(jù)來(lái)算平均達(dá)到42-45%，這個(gè)水平應(yīng)該是比較低的，國(guó)外是60%-70%，這個(gè)差距就是我們的潛力。”

鋁和鋼之間的競(jìng)爭(zhēng)，鋁的突出優(yōu)勢(shì)是密度低，而要實(shí)現(xiàn)車(chē)身減重，在保持用鋼比例下，需要將鋼板做薄。普通鋼板的厚度通常為0.7到0.75mm，如今超強(qiáng)度鋼板厚度則僅有0.65mm甚至更薄，新款歐寶賽飛利的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鋼板厚度達(dá)到0.6mm。

對(duì)此王利表示，“鋼的比重不變下要減重只能變薄，但可以調(diào)整密度，現(xiàn)在我們有一個(gè)新的想法在做，就是對(duì)鋼材密度的調(diào)整。鋼鋁之爭(zhēng)鋁的優(yōu)勢(shì)就是密度低，競(jìng)爭(zhēng)到一定程度我可以借助你的優(yōu)點(diǎn)調(diào)整我的密度。我們把鋼的彈性模量提高，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室也做出來(lái)了。我想說(shuō)的一個(gè)觀點(diǎn)，因?yàn)殇摫旧韺?duì)現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)不變，在創(chuàng)新方面還有很多空間，從這個(gè)維度講，鋼的生命力還是有的，鋼的市場(chǎng)份額也是有的。如果的汽車(chē)售價(jià)超過(guò)20萬(wàn)用的材料選擇就多一些，售價(jià)10萬(wàn)的汽車(chē)還是以鋼為主。”

而成本問(wèn)題也成為其它材料難以取代鋼的主體地位的原因。陳書(shū)明表示，“在汽車(chē)輕量化的趨勢(shì)下，雖然說(shuō)現(xiàn)在大家都在做輕質(zhì)材料，比如鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)復(fù)合材料，但是高強(qiáng)鋼還是處于主體位置，最主要的因素我認(rèn)為就是成本，我相信如果碳纖維的成本下來(lái)之后，有可能碳纖維就取代這個(gè)，這不是不可能，關(guān)鍵現(xiàn)在成本太高，鋼目前還具備非常大的成本優(yōu)勢(shì)。”

除了成本之外，在滿(mǎn)足需求的強(qiáng)度范圍內(nèi)，良好易行的成型工藝也成為鋼材難以被替代的原因。“從開(kāi)發(fā)的角度來(lái)說(shuō)，汽車(chē)用鋼的強(qiáng)度并不是很高，1000兆帕也就足夠用了。高強(qiáng)鋼現(xiàn)在主要是靠碳來(lái)強(qiáng)化的，很多都已經(jīng)做到2200兆帕，但是在2200兆帕以上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變，或者2200-2500兆帕靠碳來(lái)強(qiáng)化基本就不可能了。”陳書(shū)明坦言，“我相信這個(gè)鋼肯定會(huì)有其他的材料取代碳，強(qiáng)度會(huì)做的越來(lái)越高，但是它不一定用在車(chē)上，它可能用在其他高強(qiáng)度的領(lǐng)域。對(duì)于汽車(chē)而言1000兆帕以下的鋼我們可選擇的特別多，成本低，而且成形工藝非常好，所以在我國(guó)鋼一時(shí)半會(huì)很難被取代。”

而從鋼本身的結(jié)構(gòu)性能來(lái)看，其具有良好的修復(fù)性。朱強(qiáng)指出，鋼本身帶相變，在某些用途上具有一些優(yōu)勢(shì)。“對(duì)于汽車(chē)鋼板而言，由于鋼板有相變，萬(wàn)一碰了一個(gè)坑，很容易重新修復(fù)，這對(duì)復(fù)合材料或者鋁相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難一點(diǎn)。比如說(shuō)鋁合金復(fù)合材料，如果破一個(gè)洞，基本上去修就是整塊換掉，成本也高，這是和鋼相比鋁本身存在的弱點(diǎn)。”

鋁合金發(fā)展期遭遇前狼后虎

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，制造一輛普通中型汽車(chē)要耗去725公斤的鋼和鑄鐵，以及350公斤的沖壓鋼板。相比之下，鋁合金在一款歐洲汽車(chē)內(nèi)的所占重量，由1990年的50公斤增加到2005年的131.5公斤，多數(shù)鋁合金仍用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部件與氣缸缸體，這一比重還在繼續(xù)增加。與制造鋼原料的鐵相比，鋁的重量不僅減輕了一半，其抗腐蝕能力也更優(yōu)于鋼，因此在汽車(chē)制造上鋁也頗受青睞。

當(dāng)前，采用全鋁合金打造車(chē)身的車(chē)型已有很多出現(xiàn)。奧迪A8自1994年誕生起就采用全鋁空間框架式車(chē)身結(jié)構(gòu)，特斯拉研發(fā)制造的Model S也采用全鋁車(chē)身。位于江蘇常熟的奇瑞捷豹路虎全鋁車(chē)身生產(chǎn)線投產(chǎn)后，首款國(guó)產(chǎn)車(chē)全新捷豹XFL鋁合金材料應(yīng)用比率達(dá)75%。捷豹XFL的多處車(chē)身結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的諾貝麗斯RC5754高強(qiáng)度鋁合金，屈服度達(dá)到105-145 Mpa，抗拉強(qiáng)度達(dá)220 Mpa，在強(qiáng)度、耐腐蝕性、連接性及成型性率等方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

“現(xiàn)在車(chē)用鋁材越來(lái)越多，尤其是底盤(pán)件，另外是車(chē)身，現(xiàn)在好多小車(chē)不斷在走這條路。全鋁框架雖然有些問(wèn)題，但是也正在解決。”蘇州大學(xué)研究員張海濤表示，“為什么要用全鋁框架呢？第一成本比較低，一輛小車(chē)的成本可能就幾千塊錢(qián)一個(gè)車(chē)架，最主要是截面設(shè)計(jì)的很復(fù)雜，而鋁的抗彎和抗扭剛度比鋼更好。”

此外，鋁比鋼具有更優(yōu)異的資源回收性和更長(zhǎng)的生命周期。朱強(qiáng)表示，“鋁的回收損耗率只有5%-10%，鋼如果生銹回收就很困難，從長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)鋁合金是有優(yōu)勢(shì)的。如果車(chē)輪上用鋁的話(huà)，現(xiàn)在大家已有共識(shí)，就是鋁合金車(chē)輪肯定比鋼的好，因?yàn)殇撆鱿氯菀卒P，鋁合金刮下沒(méi)關(guān)系，這個(gè)性能鋼是沒(méi)有辦法比的，鋁合金的復(fù)合性能在這方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外，長(zhǎng)生命周期對(duì)汽車(chē)企業(yè)也很重要，每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都要考慮長(zhǎng)周期壽命，這方面鋁也更有優(yōu)勢(shì)。”

而在回收方面鋁也有不具備優(yōu)勢(shì)之處，朱強(qiáng)同時(shí)指出，鋁合金成分相對(duì)比較復(fù)雜，回收如何分類(lèi)也存在問(wèn)題。“比如對(duì)壓鑄的框架來(lái)說(shuō)，板材兩個(gè)合金沒(méi)有辦法一起用，必須分開(kāi)，連接的時(shí)候費(fèi)很大勁，拆開(kāi)的時(shí)候又費(fèi)很大勁，一方面回收效率不高，另一方面不易管理，這方面鋼的回收相對(duì)來(lái)說(shuō)更簡(jiǎn)單些。此外，鋁合金回收還涉及很多問(wèn)題，比如降低使用，很好的鋁回收后用來(lái)做一些不重要的東西，本來(lái)很好的東西最后價(jià)值很低。”

而從材料的疲勞性來(lái)看，鋁和鋼相比更具風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)加工也有所受限。“車(chē)輛關(guān)鍵部件的疲勞性能不僅是受材料本身性能控制，還受到材料缺陷的控制。鋁的氧化能力非常強(qiáng)，這些缺陷對(duì)部件的疲勞性能影響比較大，非常容易出問(wèn)題。鋼的氧化性沒(méi)有那么強(qiáng)，其缺陷對(duì)于疲勞性能來(lái)說(shuō)影響相對(duì)較低。”朱強(qiáng)表示，“只憑鍛造做不了復(fù)雜部件，鍛造之后必須加工，否則滿(mǎn)足不了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。鍛造一般來(lái)說(shuō)兩種，或者放棄結(jié)構(gòu)優(yōu)化，或者重新加工，但是鋁合金一經(jīng)加工表面被破壞后疲勞性能又會(huì)下降，又要處理，成本又升高。這些都是鋁合金需要克服的問(wèn)題，解決這些問(wèn)題后取代鋼還是有可能的。”

在汽車(chē)底盤(pán)用材上，此前鋁已取代部分鋼，然而近年來(lái)隨著鋼鐵技術(shù)的進(jìn)步，底盤(pán)用鋼又推出新的解決方案。朱強(qiáng)表示，“現(xiàn)在底盤(pán)用鋼方面，我們開(kāi)發(fā)了幾個(gè)技術(shù)，一個(gè)是臂，我們現(xiàn)在到了780兆帕現(xiàn)在可以做鋼的三角臂，它與鋁相比只重了不到10%，成本低很多。還有兩個(gè)輪子之間有一個(gè)連桿非常很重，現(xiàn)在我們開(kāi)發(fā)一個(gè)新的技術(shù)后，減重40%，同時(shí)通過(guò)使用鍍層，解決了腐蝕問(wèn)題，鋼本身也在進(jìn)步?，F(xiàn)在鋼和鋁在競(jìng)爭(zhēng)互促進(jìn)步，對(duì)車(chē)企來(lái)說(shuō)有更多的選擇，也由此得到發(fā)展。”

實(shí)際上，車(chē)用鋁材當(dāng)前已步入前有狼后有虎的階段。前面鋼材制造商通過(guò)不斷改進(jìn)性能，如今鋼材不加鎳一樣可以實(shí)現(xiàn)不銹，而后面鎂合金、碳纖維等材料隨著成本的降低及性能的提高，對(duì)鋁材市場(chǎng)都形成了沖擊。朱強(qiáng)指出，“鋁合金要想做好的話(huà)只能快速發(fā)展，因?yàn)殇撘呀?jīng)做了這么多年想取代已經(jīng)很難，鋁一定要盡快產(chǎn)業(yè)化，才不會(huì)被后來(lái)者輕易取代，當(dāng)前車(chē)用鋁材的挑戰(zhàn)和機(jī)遇都是并存的。”

鋼鋁混合車(chē)身結(jié)構(gòu)是大勢(shì)所趨

當(dāng)前，越來(lái)越多的汽車(chē)制造工程師們更注重輕量化材料的混合應(yīng)用，其研發(fā)核心不再只關(guān)注車(chē)用鋼及鋁的具體比例，而開(kāi)始關(guān)心如何將多種材料正確混合使用。去年在法蘭克福車(chē)展上亮相的全新奧迪A8已對(duì)奧迪的全鋁空間框架式車(chē)身結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了革新和升級(jí)，舍棄了奧迪向來(lái)引以為傲的全鋁車(chē)身，鋁合金占比降至58%，除了高強(qiáng)鋼以外，在車(chē)身材料中加入了更多的復(fù)合材料，車(chē)身卻比現(xiàn)款車(chē)型增重近51公斤，由現(xiàn)款A(yù)8車(chē)型的236kg“逆勢(shì)增重”到了282kg。

新一代奧迪A8采用鋁合金材料對(duì)車(chē)身整體框架進(jìn)行了搭建，為確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在關(guān)鍵聯(lián)接部位采用鋁制鑄件，車(chē)身表面采用了鋁制鈑金件。在車(chē)身座艙籠形結(jié)構(gòu)中，大量采用熱成型超高強(qiáng)度合金鋼，遠(yuǎn)多于現(xiàn)款A(yù)8高強(qiáng)鋼僅在B柱上的應(yīng)用，該高強(qiáng)鋼材料和20年前的鋼材相比，剛度增強(qiáng)了5倍，重量降低了40%。車(chē)身結(jié)構(gòu)中加入了鎂合金，車(chē)廂后部采用了CFRP碳纖維復(fù)合材料，從后壁板等細(xì)節(jié)降低了車(chē)身的重量。

“未來(lái)鋁在整個(gè)車(chē)身上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，會(huì)出現(xiàn)很多混合車(chē)身，比如說(shuō)奧迪A8全鋁車(chē)身也開(kāi)始做混合車(chē)身，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多車(chē)企也在跟隨這么做。鋼和鋁連接主要問(wèn)題在于耐蝕性，用涂膠的方式，用拴接不用焊接。上車(chē)身用鋼，下車(chē)身用鋁，用拴接的形式。比如北汽車(chē)窗框上面用鋼，下面是用鋁的，這種混合應(yīng)用的組合越來(lái)越多。不是說(shuō)鋼不好，但是我覺(jué)得鋼和鋁混合在一起用更有前途。”張海濤表示。

對(duì)此，王利也指出，其實(shí)早在40年代當(dāng)時(shí)就有鋼和鋁的競(jìng)爭(zhēng)，后來(lái)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，現(xiàn)在汽車(chē)用的材料已達(dá)成一些共識(shí)，就是合適的材料用在合適的地方。而且鋼本身也在快速發(fā)展，這里面既有競(jìng)爭(zhēng)又有合作。而這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)更有益于車(chē)企的發(fā)展，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)的存在車(chē)企可以有更多的選擇。展望未來(lái)，新能源汽車(chē)對(duì)輕量化的要求可能更高。

“自主品牌一定要有輕量化戰(zhàn)略，鋼如果用好其潛力還是不小的，通過(guò)采用合資品牌汽車(chē)用的高強(qiáng)度鋼比例和種類(lèi)實(shí)現(xiàn)白車(chē)身10%減重是很容易，通過(guò)其它的努力整車(chē)降7%-8%是可行的，其中先進(jìn)高強(qiáng)鋼的比例工藝不用變就可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身10%以上。”王利表示，“如果再用一些新的技術(shù)和工藝，減重20%以上也是可以實(shí)現(xiàn)的。我們已分析過(guò)很多自主品牌的車(chē)型，這一塊潛力還是很大的，差距就是我們的動(dòng)力了。”

與傳統(tǒng)車(chē)身相比，鋼鋁混合車(chē)身結(jié)構(gòu)，通過(guò)材料的不同屬性進(jìn)行相應(yīng)配比設(shè)計(jì)，在提升安全性的同時(shí)，車(chē)身整體更加堅(jiān)固輕量，方便進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，車(chē)身有更大的空間來(lái)配置復(fù)雜科技，產(chǎn)品更加多樣化。除了合資品牌，上汽、北汽及比亞迪等不少自主品牌也在越來(lái)越多的使用鋼鋁混合車(chē)身結(jié)構(gòu)。隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展，在鋼鋁同臺(tái)競(jìng)技推動(dòng)汽車(chē)材料不斷向前革新的同時(shí)，未來(lái)如何將高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金及碳纖維復(fù)合材料等多種材料正確的在車(chē)輛混合應(yīng)用將成為汽車(chē)輕量化最重要的課題。