輕量化材料在汽車上的精準應用

秦超，姚晨冉，朱雪林

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

0 引言

受能源和環境的影響，國家鼓勵汽車產品實現輕量化，以達到節能減排的目的。目前國內外常用的汽車輕量化材料包括高強鋼(以先進高強鋼和超高強鋼為代表)、鋁合金、鎂合金、工程塑料及復合材料等。不同的輕量化材料在微觀組織、材料特性、加工工藝、使用優勢等方面均存在差異，通過分析、總結上述特性，形成對輕量化材料的綜合研究，最終實現正確的材料用到正確的位置十分有意義。

1 汽車上應用的主要輕量化材料

1.1 先進高強鋼

通常屈服強度為210～550 MPa的鋼被稱為傳統高強鋼，屈服強度大于550 MPa的鋼則被稱為先進高強鋼(抗拉強度大于780 MPa的先進高強鋼被稱為超高強鋼，抗拉強度達到1 000 MPa的先進高強鋼被稱為“CPa鋼”)。傳統高強鋼與先進高強鋼的主要差別在于微觀組織:傳統高強鋼是單相鐵素體鋼，而先進高強鋼是雙相或多相鋼，包含鐵素體、馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體等。

目前先進高強鋼共分為三代，第一代先進高強鋼以鐵素體為基體,包括雙相鋼、復相鋼、TRIP鋼和馬氏體鋼等，強度可以達到800 MPa以上,然而其強度的提升是以犧牲塑性為代價的。第二代先進高強鋼包括TWIP鋼、奧氏體型不銹鋼等,在具有高強度的同時具有優異的塑性，但鋼中添加了較多貴金屬,生產和使用成本較高,限制了其應用[1]。從2007年，研究人員開始開發具有比第一代先進高強鋼更高的強度和塑性、比第二代先進高強鋼成本更低的第三代先進高強鋼，其性能包括：具有高體積百分比的穩定的奧氏體，含碳量低、可保證焊接穩定性，合金元素含量低、成本低，加工工藝簡單。先進高強鋼用于汽車生產最大的好處在于優異的碰撞吸能性能，高強度，可降低結構件壁厚,以實現減重。先進高強鋼微觀成分、性能及其在汽車上的應用詳見表1。

1.2 鋁合金

汽車用鋁合金主要包括變形鋁合金和鑄造鋁合金，其中鑄造鋁合金占據主導地位，占汽車用鋁量的80%左右，主要用于制造離合器殼、發動機缸體及缸蓋、保險杠、車輪等；變形鋁合金主要用于車身覆蓋件的制造。鋁合金性能及其在汽車上的應用詳見表2。

表1 先進高強鋼在汽車上的應用

表2 鋁合金在汽車上的應用

1.3 鎂合金

目前，鎂合金的主要合金元素有鋁、鋅、錳、硅、鋯和稀土元素等。按化學成分不同，鎂合金主要劃分為Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Zr、Mg-Th、Mg-Ag和Mg-Li等二元系,以及Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Mn-Ce、Mg-RE-Zr和Mg-Zn-Zr等三元系以及其他多組元系鎂合金[2]。其中,使用最廣的是鎂鋁合金,其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。

汽車工業青睞鎂合金重要原因是它具有優秀的鑄造能力。汽車使用的鎂合金約有89%為鑄造鎂合金[3]。使用鎂合金可以鑄造出大尺寸零部件,從而降低零部件數量,減少裝配工序，降低裝配不良的可能性，進一步提升汽車的NVH性能。與鋁合金相比，鎂合金的熱流動性好，故適用于薄壁件的壓鑄生產，同時其鑄件的生產周期短，對模具的損傷較小。鎂合金性能及其在汽車上的應用詳見表3。

1.4 工程塑料

目前國內外汽車內飾件已基本實現塑料化，而塑料在汽車中的應用正由內飾件向外裝件、車身和結構件擴展。

考慮到塑料在汽車上的應用，采用按理化特性進行分類，可分為熱塑性和熱固性兩類。熱塑性塑料是一類以熱塑性樹脂為基本成分的塑料，一般具有線型或支鏈型結構，分子鏈之間無化學鍵作用，因而受熱后會變軟，甚至成為流動黏稠液體，具有可塑性，冷卻后能保持既得形狀；可反復加熱多次而不改變化學結構，可回收再利用。熱固性塑料是與熱塑性塑料相對應的一類材料， 它以熱固性樹脂為主要成分，配合各種必要的添加劑，通過交聯固化過程成型成制品。熱固性塑料只可以成型一次，無法重新塑造使用，無法回收再利用[4-6]。塑料材料在汽車上的應用及比例詳見圖1[7]、表4。

圖1 車用塑料比例示意圖

表4 塑料在汽車上的應用

續表4

1.5 復合材料

復合材料一般由組分材料及它們之間的界面構成，組分材料包括基體和增強體(或功能體)。復合材料中各種組分材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料，以滿足各種不同的要求。在汽車工業日益提高的輕量化需求下，復合材料越來越受到汽車制造商的重視，是汽車輕量化發展的重點之一。復合材料性能及其在汽車上的應用詳見表5—表7。

表5 熱固性樹脂基復合材料在汽車上的應用

表6 熱塑性樹脂基復合材料(能夠熔融重復加工制造新產品)在汽車上的應用

表7 陶瓷基復合材料和生物復合材料在汽車上的應用

2 影響輕量化材料在汽車上應用的主要原因

(1)成形性。輕量化材料在成形性上存在的一些問題影響著其應用，如高強鋼的回彈、焊接部分疲勞性能問題、用后剛度降低影響整車NVH和駕駛性，鎂合金的成形要求較苛刻、工藝要求較高，碳纖維的成形工藝生產效率較低。

(2)材料差異性。輕量化材料與傳統材料、輕量化材料之間的性能差異使材料拼接時遇到很多困難，拼接后的性能差異也對整車性能及耐久性產生一定影響。

(3)材料的成本。部分輕量化材料的成本問題在短時間內很難得到解決，如鎂合金、碳纖維材料加工成本較傳統材料高出數倍。

(4)材料供應鏈不完善。供應鏈問題也在一定程度上影響著輕量化材料在汽車中的應用，如鎂合金、碳纖維等材料，其應用領域、應用企業相對集中，企業需要掌握從始到終的材料生產及應用能力，沒有形成合理的供應鏈支撐。

(5)材料屬性及二次開發能力欠缺。國內企業多注重材料的應用，在材料屬性挖掘及二次開發能力方面長期落后于國外，使得理化屬性、加工工藝等方面受到限制。

3 總結

不同的輕型材料都有自己的優點和局限性，很難有哪一種輕型材料能“包打天下”，汽車輕量化是多種輕量化材料并存的未來。可預測的是,實現汽車進一步輕量化的主要材料將從超強鋼向鋁合金再向復合材料演變。