全球汽車業處于材料革命前夜

陳長年 鐘志平 陸 辛

（機械科學研究院，北京100044）

2012年9月，機械科學研究總院李新亞院長率領機械院、一汽公司、東風汽車公司、大連理工大學12名專家，赴美國進行汽車輕量化制造技術調研與交流。訪問了俄亥俄州立大學（OSU）、通用汽車公司研發中心汽車輕量化材料部門（GM）、底特律中國工程師協會材料委員會，美國藍石公司、MAG公司等。大家認識到，世界汽車業正處于材料革命前夜。

1 全球汽車產業處于材料革命前夜

1.1 概述

汽車工業對全球工業經濟和社會發展具有舉足輕重的作用。然而，隨著世界范圍的能源匱乏、生態環境持續惡化和可持續發展的硬性要求，汽車行業燃油經濟性準入門檻越來越高。

過去的20年，美國政府對汽車燃油消耗，要求每年降低1%。而2010—2025年則每年要求降低4%。2010年4月美國公布了新的汽車燃油經濟性標準，規定截至2016年汽車平均燃油效率要達到6.6 L/100 km，該標準較美國現行標準壓縮2.6 L，2011年6月份又提出到2025年，達到4.18 L/100 km。輕量化已成為車企發展的目標（圖1）。GM公司提出，供應商的零部件每減重1 kg，公司愿意額外支付3～6美元。

大量研究表明，約75%的油耗與整車質量有關，降低汽車質量，就可有效降低油耗以及排放。汽車質量每下降10%，油耗下降6% ～8%，排放降低4%（圖2）。

汽車是人類文明發展的重要見證物，它伴隨著材料的發展而發展。從最開始的自然材料（木材），到后來的鑄鐵、中碳鋼、高強度鋼、輕質金屬、復合材料的使用，每一次材料應用的創新都會帶來汽車技術的飛躍，可以說是一代材料，一代汽車。

目前在美國，關于未來汽車材料，業內已達成共識，即:不能片面強調某一種輕質化材料，應發揮不同輕質材料的優勢，未來汽車材料一定是多種材料的混合。GM的corvette Z06車，年產幾千至幾萬輛，多種輕量化新材料應用于此車型，代表了汽車工業發展的方向。車前端采用鋁/鎂合金件;車身結構采用AHSS;車底板采用復合材料。甚至鈦合金也已應用于此車型。為此，美國政府已投資100億美元進行AMI（Advanced Manufacturing Initiative，先進制造技術創新）研究;投資3億美元進行 MGI（Materials Genome Initiative，材料基因工程）研究。

表1 各種性能的鋼材在車身的應用與發展

1.2 先進高強度鋼（AHSS）的發展

美國通用汽車公司的Dr.Josh P.Campbell介紹了汽車高強鋼應用的發展趨勢。在白車身中，低碳鋼與高強低合金鋼（HSLA）的重量比例呈下降趨勢;約束淬火高強鋼（PHS）的重量比例呈上升趨勢;烘烤硬化鋼的用量將維持不變。通過低碳鋼、HSLA的減少以及PHS的增加，使車身重量減輕（表1）。

未來汽車高強鋼的應用將聚焦在第三代AHSS，其性能可達到:1 000～1 500 MPa時具備20% ～30%的延伸率，從而使AHSS的應用從碰撞安全件延伸至結構件甚至外覆蓋件，如圖3所示。

美國汽車業高強鋼的目標是:（1）第三代AHSS的量產，并且降低價格;（2）強度達到1 000～1 500 MPa，并且可以冷成形;（3）材料可焊性好、成本低。

1.3 鋁合金汽車的發展

與10年前相比，國外汽車自重平均減輕20%～26%。如美國1976年每車用鋁合金僅39 kg，1982年達到62 kg，而1998年則達到了100 kg。這一發展趨勢還在加快進行。在各國轎車發展中、長期計劃中，以中型轎車為例，美國規定整車質量為1 000 kg以下，西歐規定為800 kg以下。在最近投放的一些先進車型中，鋼鐵材料的比例降低。例如奧迪A2鋼材的比例僅為34%，輕質材料則高達52%;日本本田NSX全車用鋁材達到31.3%。

2002年，全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結構不僅使車身的扭轉剛度提高了60%，還使車重減少50%。英國捷豹XK更是將鋁合金技術與輕量化優勢發揮到極致，不僅車身零件總數從5 189個降至2 761個，車身剛性提高了48%。新一代路虎車身重量比上一代減重420 kg，車身的鋼材料替換為鋁合金，并采用單殼體式車身，比上一代鋼制車殼體減重高達39%。前副車架采用鋁合金材料鑄造，減輕14 kg。后副車架采用單件空心鑄件，減輕了15 kg。行李廂門被分割為兩部分，上半部分使用復合材料，下半部分采用鋁合金材料，可容納兩個成年人的體積。

GM公司在其開發的車型上大量采用輕合金，如camro（大黃蜂），鋁合金占10%，malibu（邁銳寶）的鋁合金達到12%（385磅），凱迪拉克CTS的鋁合金達到10.3%（361磅），ATS（2013年上市）的鋁合金則達到23%。凱迪拉克ATS的前機蓋采用鋁合金冷沖壓工藝，減震塔采用真空薄壁壓鑄技術，發動機支架采用鋁合金擠壓件焊接結構，保險杠采用鋁合金擠壓件，車門采用鋁合金成形，車身其他部位、結構件、底板、覆蓋件采用鋼材。前后軸重達到50%:50%，可與BMW3系競爭。

1.4 復合材料汽車的發展

統計顯示，全世界平均每輛汽車的塑復材用量在2000年就已達105 kg，約占汽車總重量的8% ～12%。而發達國家汽車平均使用量為120 kg，占汽車總重量的12%～20%。預計到2020年，發達國家汽車平均復材用量將達到500 kg/輛以上。我國電動汽車增重高達30%～40%，遠遠超過國際先進水平（德國大眾電動汽車增重6% ～16%），復合材料電動汽車成為減重的最佳出路，可以平衡增加的電池重量（表2）。

表2 純電動車整車質量與續航能力關系

近年來復合材料電動汽車發展十分迅速，在幾乎所有汽車和相關展覽會上，紛紛展出超輕復合材料電動汽車。如日本帝人公司在2011中國國際橡塑展上展示了一輛重437 kg超輕電動汽車，德國大眾公司在2011法蘭克福車展展出高強度碳纖維奧迪A5DTM。蘭博基尼在2011日內瓦車展期間推出Murciélago（國內又稱蝙蝠）替代車型，該車的一大突出特色就是全車大量采用碳纖維復合材料技術，尤其是全碳纖維復合材料單殼體車身。美國GM公司的Ultralite全復合材料高檔運動車，得競賽冠軍的太陽能賽車等均由先進復合材料制成（圖4）。

2 制造工藝瓶頸面臨突破

2.1 鋁合金汽車零部件與車身制造技術

2.1.1 鋁合金車身成形技術

美國通用采用超塑成形（SPF）。約6年前，美國通用汽車公司專門開發了一種稱為快速塑性成形的工藝（QPF），這種工藝與超塑性脹形類似，在超塑脹形之前增加了一道熱沖壓工序，使得后續超塑脹形開始時坯料的曲率半徑不是無窮大了，從而可以使氣壓迅速增大，把成形時間降到了15 s以內。為此他們進行了大量研究工作，并設計制造了專用的成形設備和生產線。

例如，GM公司某車型后背門內板采用AZ31鎂合金超塑性溫成形，加熱至475℃;外板采用鋁合金超塑性溫成形，加熱至400℃。兩種材料均采用氣脹超塑性成形技術，在液壓機上成形每件需要1～2 min。在問及關于車身鋁板成形是采用溫成形還是冷成形，Dr.羅愛華指出取決于設計，有些結構可以采用冷沖壓，有些只能采用溫成形（SPF）。

2.1.2 鋁合金車身和零部件鑄造技術

美國藍石公司的鋁合金真空鑄造技術全球領先。印象最深刻的是Thin－Tech——超高真空薄璧鑄造技術，鑄件精度非常高，壁厚2～4 mm，重量3～12 kg，氣孔含量很少，具有高強、高延展、可熱處理、可焊接、可鉚接等特點，如圖5。其中給BMW公司提供的減震塔（shock tower），采用2 500 t真空壓鑄機成形，產品外觀可達到A級表面質量，與車身外觀要求一致。

Thin－Tech的關鍵因素包括:壓鑄設備的真空密封技術;專用的鋁合金材料;產品零件的結構設計（要與客戶協商）;熱處理技術（T5）;模具技術;澆冒口系統等。

同時，據介紹，藍石的真空壓鑄件可鉚接、焊接，以便滿足不同連接技術的要求。全球僅兩家有這項技術。

鋁合金在汽車零部件應用首推發動機中最重、最大的鋁汽缸體。日本、美國分別有100%、85%的轎車缸體已經采用鋁合金。而我國使用比率不到40%，且大馬力高檔全鋁發動機自主制造還是空白。預計到十二五末，我國至少將有60%的轎車采用鋁合金壓鑄缸體/Cosworth鑄造。采用Cosworth鑄造工藝生產的缸體鑄件，強度可提高30%左右，鑄件重量減輕約10%～15%，金屬液的利用率高達80% ～90%。是新興的鋁合金綠色鑄造技術。

2.1.3 鋁合金及多種材料的連接技術

美國公司非常重視鋁合金車身連接技術，認為焊接、鉚接工藝直接影響輕量化。OHIO大學的Edison焊接研究所（EWI）在材料連接及相關技術領域走在世界的前端，是研究與應用間的橋梁。主要的研究工作有:先進的氬弧焊接技術;釬焊和低溫焊;不同材料的聯接;摩擦焊工藝;激光焊工藝;塑料和復合材料的加工裝配;電阻焊;超聲波輔助加工;超聲聯接等等。圖6為多重連接技術制作的骨架。

3 材料設計、結構設計、工藝設計并行工程

福特汽車公司輕量化專家夏志永提出，汽車輕量化關鍵技術之一是優化設計:車身、底盤、動力系統需進行總體優化設計。福特公司2007年所做的研究報告稱，實施“材料設計、結構設計、工藝設計并行工程”后，采用復材可將零部件種類減為原來的8%，加工費用相對鋼材降低60%，粘結費用相對焊接減少25%～40%。同時，復材模具費只約占鋼制件模具的10% ～20%，成本降低更加顯著。圖5所示美國藍石公司用高真空薄璧鑄造技術鑄造的鋁合金減震塔，是結構減重和材料減重并重的代表。

表3 通用汽車實施“材料設計、結構設計、工藝設計并行工程”的成功范例

表3所示通用汽車提供的資料表明，隨著采用輕質材料，部件結構簡化、工藝也隨之改變。

4 我國汽車材料替換革命的思考

4.1 我國汽車材料替換的緊迫性居全球之最

（1）我國原油進口依賴度的攀升

我國原油進口依賴度從2001年的30%攀升到2011年的56%，首次超美居世界第一。據預測，2020/2030年將達到64% ～74%。同時，2009年中國車用汽油消費量6 260萬t，占汽油總量的87%。

（2）為應對日益嚴峻的環境壓力，汽車排放標準迅速提高

2009年，中國政府在聯合國氣候變化峰會上承諾，爭取到2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，而交通運輸是溫室氣體排放的主要領域之一，實行機動車排放總量控制，是履行國際承諾的重要行動。但我國2011年氮氧化物排放量不降反升5.73%，使得“十二五”頭年的排放總量減排計劃沒有實現，特別是京津冀、長三角、珠三角區域的問題非常嚴重。為此，汽車排放標準迅速提高。我國2008年實施了汽車尾氣國3排放法規，2011年出臺了國4排放法規，預計今年出臺國5排放標準。而國6排放標準也在制定中。

（3）我國汽車保有量，人均擁有量迅速攀升

2011年中國汽車保有量突破1億輛（10 578萬輛），增長16.4%。據預測，2020年將達到2億輛。汽車重量每減輕10%，最多可實現節油8%。據報道，美國汽車質量如果減少25%，燃油消耗減少13%，按美國目前汽車保有量2.5億輛計，一年可節省27億桶石油。

同時，我國人均汽車擁有量迅速向世界平均水平靠近。2007年中國汽車千人保有量只有34輛，2011年迅速上升至78輛，據預測，2020年將攀升至170輛，超過世界千人保有量120輛的平均值。

（4）迅速提升我國汽車燃油效率是應對挑戰的戰略措施

我國汽車現行平均油耗為8.06 L/100 km，要求2015年乘用車平均耗油降至6.9 L/100 km，節能型乘用車油耗降至5.9 L/100 km以下。到2020年再降至5.0 L/100 km，節能型乘用車降至4.5 L/100 km以下;商用車新車耗油量接近國際先進水平。這就是說，8年內，節能型乘用車油耗要下降約一半。為此，一方面要大力發展節能發動機和變速器，另一方面是發展汽車輕量化技術。

4.2 我國汽車輕量化現狀

鋁合金在汽車零部件應用中發展比較成熟。特別是用于發動機、傳動機構、轉向系統、制動器、行走系統零部件及各種附件等的鋁鑄件比較發達;鋁合金輪轂成為出口第一汽車零部件。但是作為鋁合金應用主體的鋁合金車身，開發滯后，與國際差距巨大，正在成為國內近年熱點。近年國內車企紛紛開發鋁合金車身，特別是研發鋁合金電動汽車。其中上海汽車公司研發的鋁合金電動汽車重量達到1 100 kg，東風汽車計劃年產5萬輛鋁合金電動汽車。

上世紀80年代后北京中華汽車公司率先制造了玻璃鋼車身，90年代末珠海公牛高性能復合材料有限公司研制了一款全玻璃鋼轎車，并在西安投入量產，還在湖北二汽作了整車碰撞試驗，據說防撞效果優于金屬。山東武城制造過齊魯牌全玻璃鋼面包車，據說僅山東武城就有相關企業600多家。現在玻璃鋼已廣泛用在我國的各種轎車、客車、貨車和特種汽車上，但是玻璃鋼的模量低，剛度不足，不能用于主承力結構。

近年，我國復合材料汽車再次進入研發高潮。去年上海車展出現了幾款復合材料卡車;中科院寧波先進工業技術研究院正在進行電動汽車用碳纖維復合材料及其部件的研制工作，已經推出了概念性產品，但還沒有達到產業化的低成本要求，而且局限于車身覆蓋件。大連理工大學即將推出國內首款復合材料電動汽車（圖7）。

湖南大學汽車車身先進設計與制造國家重點實驗室的“薄板沖壓工藝與模具設計基礎理論、計算方法和關鍵技術及其在車身制造中的應用”獲國家科技進步一等獎;型材擠壓—彎曲—淬火一體化成形中試設備已經獲得國家發明專利。

作為汽車輕量化關鍵技術，電磁成形技術已經引起國際汽車界的廣泛重視。美國通用、福特已分別投入2 000萬和3 000萬美元用于汽車板件和管件的研發。歐洲也在第五框架項目中列入了“汽車板件、管件的電磁成形”的國際合作項目。機械科學研究院作為發展中國家的唯一代表參加了該項目研發。成果由參加單位共享。

在美國汽車發源地——密西根大學，大連理工大學胡平教授向美國同行介紹了他們AHHS的應用和熱成形技術與裝備及其軟件的研發、鋁合金汽車零部件、彩虹牌復合材料電動汽車的成形、連接等制造技術。他的演講受到高度評價。圖8是他們用溫成形做的高強鋼車身零件。

4.3 我們存在的兩大障礙

（1）缺乏汽車材料換代的總體規劃

當前，全球汽車業正處于材料替換革命的前夜。輕質材料汽車屬于新材料產業，又涉及節能和新能源汽車的發展。須采用“頂層設計，系統規劃”原則。首先，制定我國汽車材料替換的中長期發展規劃。

另外還要研討輕質材料汽車制造技術與裝備的內涵和技術內容，科學部署科技發展計劃;探討汽車領域的可能應用，規劃材料、工藝及裝備協同發展，盡早奠定產業化基礎。

（2）缺乏材料設計、結構設計、工藝設計一體化科技項目申報渠道。

目前，國內車企和院校開發輕質材料汽車車身和零部件，大多沒有實施“材料設計、結構設計、工藝設計并行工程”。由于體制性障礙，目前，沒有哪一個中央政府部門能夠在國家重大科技項目中同時容納材料設計、結構設計、工藝設計項目。因此造成各自為戰，形不成總體目標。