汽车轻量化与材料——机遇与挑战

文章来源:ind4汽车人 点击数:14 发布时间:2017-08-16
汽车轻量化对汽车业内人士来说,可谓是近年来最炙手可热的技术议题之一。无论您处于汽车行业的那一个环节,都不可避免地或多或少涉及或者参与汽车轻量化的工作。
汽车轻量化与材料——机遇与挑战

汽车轻量化对汽车业内人士来说,可谓是近年来最炙手可热的技术议题之一。无论您处于汽车行业的那一个环节,都不可避免地或多或少涉及或者参与汽车轻量化的工作。

汽车轻量化之所以成为推动汽车行业发展的滚滚洪流,是与现代社会对环保节能的迫切需求紧密贴合在一起的。美国政府以法规形式规定2017-2025款车型的燃油经济性必须比2012年的水平提升近一倍,而欧洲汽车制造协会则承诺新车的碳排放从2012年开始降低至120克/公里以下的水平。我国政府则规定到2020年,当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/公里。

在保证汽车综合性能和安全性的前提下,最大程度地减低汽车的自身重量无疑是实现环保节能目标的关键路径之一。根据雷诺的一项研究表明,每减少10%的整车质量,可对排放减少做出5%的贡献,最新的研究则认为可以达到6-%-8%的贡献。而如火如荼的电动汽车的发展则由于其电池重量的问题,则将汽车减重问题更进一步地推向汽车行业议题的重中之重。

在历年汽车轻量化研究工作的基础上,目前行业已经对轻量化的技术路径达成了共识,即:汽车轻量化需要通过结构、材料和工艺三个方面得到实现。通过材料来减轻整车质量无疑是最为直接和见效的轻量化技术。轻量化材料目前主要集中在两大方向之内:一是低密度的轻质材料 ,如铝合金、镁合金、工程塑料和复合材料等,另一则是高强度钢材,通过高强度的薄壁钢材代替低强度的厚钢材,如高强度钢和超高强度钢等。目前最有希望也是研究最为集中的四类轻量化材料分别是:铝合金、镁合金、碳纤维(CF)复合材料以及先进高强钢(AHSS)。

铝合金

铝合金是最先采用的轻量化材料,也是目前在汽车上应用最多的轻金属材料。作为汽车上钢铁材料的替代者,铝合金的密度只有钢铁的1/3,导热性比铁高3倍,机械加工性能则比铁高了4.5倍,其表面自然形成的氧化膜也具备良好的耐腐蚀性。铝合金的铸造性能也较为突出,适宜于制造薄壁复杂结构铸件。铝材的吸能性也异常突出,对舒适性和安全性都有提高。铝材良好的再生性能使其成为最具有回收价值的汽车工业材料。

目前全球每辆轿车的铝合金平均用量超过150千克,而预计在2020年将达到180千克。目前铝合金材料的应用主要集中在车身、底盘、发动机和车轮四个系统,涉及的零件包括:车身结构件、车身覆盖件、车门、底盘支架、发动机缸体缸盖、轮毂等。 铝合金如今已经不仅仅是零部件级别对钢铁材料的替代,市场上已经成功出现多款全铝车身的车型。目前实现全铝车身的车型最为知名的有:奥迪A8、路虎揽胜、福特F-150、特斯拉Model S等。其中,奥迪A8作为综合性能排名第一的全铝车身车型,实现了较传统钢质车身减重40%,而其结构钢性和抗扭强度则较前代产品提高了25%。

但阻碍铝合金在汽车行业大规模应用的挑战也相当明显:高居不下的价格成本使其更局限于高端车型而无法向数量庞大的中低端车型拓展;铝合金的连接技术,尤其是铸铁-铝、钢-铝、镁-铝等多材料连接技术也是铝合金在汽车上应用受阻的一大因素;此外,铝合金材料还必须解决进一步耐腐蚀的表面涂覆技术的问题。

镁合金

镁合金作为轻金属材料的新宠,是近年来研究的热点。镁合金的密度比铝合金还要轻33%,比钢材轻77%,是工业金属结构材料中最轻的材料。采用镁合金可以在铝合金实现的轻量化基础上再进一步减轻15%-20%。镁合金的比强度和比刚度远远高于铝和钢,而且镁合金的随着厚度的增加而成比例增加。镁合金具有良好的阻尼减振性能,对于汽车振动的噪声能极大地降低并吸收冲击能量更强。同时镁合金还具有良好的散热性、抗电磁干扰性以及优异的铸造性能和加工性能,其回收再生利用性能也与铝合金不相上下。

目前镁合金发展最快的北美,在三大汽车公司的某些车型上已经实现了单车使用20-40千克镁合金的水平。而欧洲和日本也在加快镁合金在汽车零件上的应用。据统计,到目前为止汽车上已经实现了60多种零部件应用镁合金制造,其中传动系统包括齿轮箱外壳、离合器外壳、变速器外壳等,发动机系统包括气缸盖、气缸体、发动机壳体等,车体系统包括仪表板、座椅骨架、车门内衬、面板、车身骨架等,底盘系统包括转向架、方向盘、轮毂轮圈、刹车离合踏板托架等。成功应用镁合金零部件的车型有福特Ranger、雪佛兰Corvette、Jeep 1993、保时捷911等。

迄今为止,镁合金的整车用量依然未超过1%的水平。几个关键的技术限制尚未突破是阻碍镁合金大规模工业应用的主要障碍。首先,镁及镁合金从微观结构上是密排六方结构,因而其室温成形性较差,必须要在高温下进行变形;其次,镁合金成品的韧性较差,这限制了镁合金的应用范围;最后,高昂的价格和有限的合金牌号也亟待从业者进一步改善。

碳纤维复合材料

碳纤维复合材料作为性能先进的新材料,最早在航空、航天及军工等高精尖科技行业开始应用。碳纤维复合材料获得汽车行业轻量化的青睐,来源于是由于其突出的物理特性:碳纤维复合材料密度小,比铝轻30%,比钢轻50%,抗拉强度却是钢的7-9倍。碳纤维替代钢铁结构可实现减重40%-60%。同时,碳纤维复合材料还易于集成化,可减少零部件数量。吸收冲击性能是金属的5倍,可提高碰撞安全性和减振性能。其特殊的模压和粘结工艺则可代替冲压和焊接工序。

宝马公司在汽车行业内是应用碳纤维复合材料的先行者,也是碳纤维零部件商业化普及的成功者。2014年量产上市的i3和i8系列纯电动车成功地应用了碳纤维复合材料、高强钢和铝合金完美组合的车身结构,而其中主要由碳纤维复合材料制成的车厢主体life模块则被称为“Carbon Core高强度碳纤维内核”。此外,宝马还在车身、底盘、车顶、车门、A柱、B柱、C柱、引擎盖、尾翼、仪表盘、传动轴、座椅等多个外部、车身和内外饰系统中开发碳纤维复合材料部件。

尽管业界看好碳纤维复合材料在汽车轻量化中的发展前景,但是碳纤维的发展依然存在亟待解决的瓶颈。用于碳纤维复合材料制造的碳纤维原丝和中间体材料的成本居高不下,由于碳纤维革命性的制造方法而造成汽车行业及其产业链缺乏自动化批量生产的技术与装备,同时,碳纤维材料的回收循环利用技术缺乏也是碳纤维复合材料全面应用的重要障碍。

高强钢

作为汽车上传统占有统治地位的材料,钢铁材料在汽车轻量化的趋势中感受到了各类轻量化材料的巨大冲击和挑战。为了应对汽车轻量化的趋势,国际钢铁企业联合投入了大量资金,开展了超轻质钢铁车身(ULSAB),超轻质钢铁覆盖件(ULSAC)和超轻质钢铁车身-先进汽车概念(ULSAB-AVC)等多个项目,从整体上研究开发新型高强钢和超高强钢材料的汽车。

钢铁材料强度提升而减薄钢板厚度分别为0.05mm、0.10mm和0.15mm时,车身减重可达6%、12%和18%。汽车高强钢研究从第一代的HSLA、双相钢、TRIP钢等,到第二代的TWIP钢等,再到目前各国致力于研究的强度和塑性协调的低成本第三代高强钢。