一直以來，鋼都是汽車制造的主要材料。而隨著社會對環(huán)保節(jié)能的呼聲越來越高，國家對汽車油耗政策趨于收緊，消費者對車輛安全性也提出了更高的要求，這都迫使汽車制造商尋求更堅固輕便的造車原料。美國汽車研究中心（CAR）在報告中透露，預(yù)計到2020年，高強度鋼的用量將達(dá)到峰值，占整車重量的近15%。等到2040年時，該占比將逐步跌至近5%，屆時其他輕量化材料也將在汽車材料領(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)一度對造車用鋼形成威脅。但由于鋁材價格相對昂貴，制造和維修工藝都頗具難度，不少汽車制造商更傾向以高強度碳鋼取代普通鋼材，造車原料之鋼和鋁之間的博弈由此展開。在日前舉行的汽車與環(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、吉林大學(xué)教授陳書明、蘇州大學(xué)研究員張海濤等業(yè)內(nèi)專家在圓桌會議上就造車用材“鋼鋁之爭”展開了探討。

鋼有較大應(yīng)用潛力和成本優(yōu)勢

隨著車用鋼材的不斷發(fā)展，造車用鋼早已不是幾十年前很多人印象里的低碳鋼，現(xiàn)在的車用鋼板不斷變薄，但鋼材強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)對新材料的挑戰(zhàn)積極開發(fā)能與鋁合金等其它材料抗衡的輕量化高強度鋼。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，每輛車上只需增加212歐元的成本用于高強度鋼材，即可實現(xiàn)減重進(jìn)而節(jié)省約5％的燃油。

當(dāng)前中國汽車市場高強鋼的現(xiàn)狀和應(yīng)用潛力究竟如何？王利對此進(jìn)行了分析，他表示目前車用鋼材方面在不斷努力下已實現(xiàn)減重，“這里面用了很多技術(shù)，其中功不可沒的就是高強鋼。過去20多年國際鋼鐵協(xié)會有一個項目寶鋼一直在參加，鋼廠通過開發(fā)新的材料繼續(xù)用鋼的話，鋼還有多少潛力？通過這么多年的發(fā)展，最后給汽車廠的建議或者技術(shù)，一個是發(fā)展各種先進(jìn)高強鋼還在路上，第二又發(fā)展了很多先進(jìn)制造技術(shù)，同時引進(jìn)了全生命周期的概念。比如最新開發(fā)的一款電動概念車，車身減重達(dá)40%，它用高強鋼的強度比較高了，超過1000兆帕的有40%，只有5%是軟鋼了，鋼通過提高強度這個潛力還是比較大的。”

“從寶鋼銷售數(shù)據(jù)來看，我國2017年高強鋼用量自主品牌占41%，歐系、日系、美系、韓系、自主共達(dá)到2800多萬輛，而寶鋼供的材料相對來說車型檔次高一些，我們國家平均水平還會比這個水平低一點。高強鋼的應(yīng)用比例從我們?nèi)ツ甑臄?shù)據(jù)來算平均達(dá)到42-45%，這個水平應(yīng)該是比較低的，國外是60%-70%，這個差距就是我們的潛力。”

鋁和鋼之間的競爭，鋁的突出優(yōu)勢是密度低，而要實現(xiàn)車身減重，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)動機蓋鋼板厚度達(dá)到0.6mm。

對此王利表示，“鋼的比重不變下要減重只能變薄，但可以調(diào)整密度，現(xiàn)在我們有一個新的想法在做，就是對鋼材密度的調(diào)整。鋼鋁之爭鋁的優(yōu)勢就是密度低，競爭到一定程度我可以借助你的優(yōu)點調(diào)整我的密度。我們把鋼的彈性模量提高，現(xiàn)在實驗室也做出來了。我想說的一個觀點，因為鋼本身對現(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，從這個維度講，鋼的生命力還是有的，鋼的市場份額也是有的。如果的汽車售價超過20萬用的材料選擇就多一些，售價10萬的汽車還是以鋼為主。”

而成本問題也成為其它材料難以取代鋼的主體地位的原因。陳書明表示，“在汽車輕量化的趨勢下，雖然說現(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之后，有可能碳纖維就取代這個，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。”

除了成本之外，在滿足需求的強度范圍內(nèi)，良好易行的成型工藝也成為鋼材難以被替代的原因。“從開發(fā)的角度來說，汽車用鋼的強度并不是很高，1000兆帕也就足夠用了。高強鋼現(xiàn)在主要是靠碳來強化的，很多都已經(jīng)做到2200兆帕，但是在2200兆帕以上，會產(chǎn)生一個突變，或者2200-2500兆帕靠碳來強化基本就不可能了。”陳書明坦言，“我相信這個鋼肯定會有其他的材料取代碳，強度會做的越來越高，但是它不一定用在車上，它可能用在其他高強度的領(lǐng)域。對于汽車而言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，所以在我國鋼一時半會很難被取代。”

而從鋼本身的結(jié)構(gòu)性能來看，其具有良好的修復(fù)性。朱強指出，鋼本身帶相變，在某些用途上具有一些優(yōu)勢。“對于汽車鋼板而言，由于鋼板有相變，萬一碰了一個坑，很容易重新修復(fù)，這對復(fù)合材料或者鋁相對來說比較困難一點。比如說鋁合金復(fù)合材料，如果破一個洞，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。”

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)動機內(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，因此在汽車制造上鋁也頗受青睞。

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

“現(xiàn)在車用鋁材越來越多，尤其是底盤件，另外是車身，現(xiàn)在好多小車不斷在走這條路。全鋁框架雖然有些問題，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，一輛小車的成本可能就幾千塊錢一個車架，最主要是截面設(shè)計的很復(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的生命周期。朱強表示，“鋁的回收損耗率只有5%-10%，鋼如果生銹回收就很困難，從長期來說鋁合金是有優(yōu)勢的。如果車輪上用鋁的話，現(xiàn)在大家已有共識，就是鋁合金車輪肯定比鋼的好，因為鋼碰下容易銹，鋁合金刮下沒關(guān)系，這個性能鋼是沒有辦法比的，鋁合金的復(fù)合性能在這方面有獨特優(yōu)勢。此外，長生命周期對汽車企業(yè)也很重要，每個產(chǎn)品的設(shè)計都要考慮長周期壽命，這方面鋁也更有優(yōu)勢。”

而在回收方面鋁也有不具備優(yōu)勢之處，朱強同時指出，鋁合金成分相對比較復(fù)雜，回收如何分類也存在問題。“比如對壓鑄的框架來說，板材兩個合金沒有辦法一起用，必須分開，連接的時候費很大勁，拆開的時候又費很大勁，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來說更簡單些。此外，鋁合金回收還涉及很多問題，比如降低使用，很好的鋁回收后用來做一些不重要的東西，本來很好的東西最后價值很低。”

而從材料的疲勞性來看，鋁和鋼相比更具風(fēng)險，同時加工也有所受限。“車輛關(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，這些缺陷對部件的疲勞性能影響比較大，非常容易出問題。鋼的氧化性沒有那么強，其缺陷對于疲勞性能來說影響相對較低。”朱強表示，“只憑鍛造做不了復(fù)雜部件，鍛造之后必須加工，否則滿足不了結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。鍛造一般來說兩種，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下降，又要處理，成本又升高。這些都是鋁合金需要克服的問題，解決這些問題后取代鋼還是有可能的。”

在汽車底盤用材上，此前鋁已取代部分鋼，然而近年來隨著鋼鐵技術(shù)的進(jìn)步，底盤用鋼又推出新的解決方案。朱強表示，“現(xiàn)在底盤用鋼方面，我們開發(fā)了幾個技術(shù)，一個是臂，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。還有兩個輪子之間有一個連桿非常很重，現(xiàn)在我們開發(fā)一個新的技術(shù)后，減重40%，同時通過使用鍍層，解決了腐蝕問題，鋼本身也在進(jìn)步?，F(xiàn)在鋼和鋁在競爭互促進(jìn)步，對車企來說有更多的選擇，也由此得到發(fā)展。”

實際上，車用鋁材當(dāng)前已步入前有狼后有虎的階段。前面鋼材制造商通過不斷改進(jìn)性能，如今鋼材不加鎳一樣可以實現(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，對鋁材市場都形成了沖擊。朱強指出，“鋁合金要想做好的話只能快速發(fā)展，因為鋼已經(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，才不會被后來者輕易取代，當(dāng)前車用鋁材的挑戰(zhàn)和機遇都是并存的。”

鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)是大勢所趨

當(dāng)前，越來越多的汽車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)注車用鋼及鋁的具體比例，而開始關(guān)心如何將多種材料正確混合使用。去年在法蘭克福車展上亮相的全新奧迪A8已對奧迪的全鋁空間框架式車身結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了革新和升級，舍棄了奧迪向來引以為傲的全鋁車身，鋁合金占比降至58%，除了高強鋼以外，在車身材料中加入了更多的復(fù)合材料，車身卻比現(xiàn)款車型增重近51公斤，由現(xiàn)款A(yù)8車型的236kg“逆勢增重”到了282kg。

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

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

對此，王利也指出，其實早在40年代當(dāng)時就有鋼和鋁的競爭，后來經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)在汽車用的材料已達(dá)成一些共識，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，這里面既有競爭又有合作。而這個競爭更有益于車企的發(fā)展，因為競爭的存在車企可以有更多的選擇。展望未來，新能源汽車對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，通過采用合資品牌汽車用的高強度鋼比例和種類實現(xiàn)白車身10%減重是很容易，通過其它的努力整車降7%-8%是可行的，其中先進(jìn)高強鋼的比例工藝不用變就可以實現(xiàn)車身10%以上。”王利表示，“如果再用一些新的技術(shù)和工藝，減重20%以上也是可以實現(xiàn)的。我們已分析過很多自主品牌的車型，這一塊潛力還是很大的，差距就是我們的動力了。”

與傳統(tǒng)車身相比，鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)，通過材料的不同屬性進(jìn)行相應(yīng)配比設(shè)計，在提升安全性的同時，車身整體更加堅固輕量，方便進(jìn)行模塊化設(shè)計，車身有更大的空間來配置復(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越多的使用鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)。隨著國內(nèi)汽車制造業(yè)的發(fā)展，在鋼鋁同臺競技推動汽車材料不斷向前革新的同時，未來如何將高強鋼、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輛混合應(yīng)用將成為汽車輕量化最重要的課題。