“鋼鋁之爭”誰是贏家專家:多材料混合是未來造車趨勢

鋼鐵一直是汽車制造的主要材料。隨著環保節能需求的日益增加，國家對汽車油耗的政策趨于收緊，消費者對車輛安全性也提出了更高的要求，這迫使汽車制造商尋求更加堅固、輕量化的造車原材料。汽車研究中心(CAR)在報告中透露，預計到2020年，高強度鋼的消費量將達到頂峰，占車重的近15%。到2040年，該比例將逐步下降到近5%，其他輕量化材料也將在汽車材料領域占據一席之地。

與作為煉鋼原料的鐵相比，鋁更勝一籌，其重量不到鐵的一半，并且具有優異的耐腐蝕性，鋁合金的出現曾一度對制造汽車的鋼材構成威脅。然而，由于鋁的價格相對昂貴，制造和維護過程相當困難。很多汽車制造商都傾向于用高強度的碳鋼代替普通鋼，鋼和鋁作為造車原料的博弈開始了。在日前舉行的汽車與環境創新論壇上，寶鋼研究院首席研究員王力、南科大教授朱強、吉林大學教授陳書明、蘇州大學研究員張海濤等業內專家在圓桌上共同探討了汽車材料的“鋼鋁之爭”。

鋼材具有巨大的應用潛力和成本優勢。

隨著汽車用鋼的不斷發展，汽車用鋼已經不是幾十年前很多人記憶中的低碳鋼了。現在汽車鋼板越來越薄，但是鋼材的強度和耐腐蝕性都有很大提高。為了迎接新材料的挑戰，許多鋼鐵生產企業積極開發能夠與鋁合金等其他材料競爭的輕質高強鋼。根據相關數據，每輛車只需要增加212歐元的高強度鋼材成本，就可以減輕重量，節省約5%的燃油。

高強度鋼在中國汽車市場的現狀和應用潛力如何？王力這樣分析。他表示，目前汽車用鋼已經通過不斷努力實現了減重。“這里面用到的技術很多，其中高強度鋼是不可或缺的。寶鋼已經參與世界鋼鐵協會的一個項目超過20年。如果鋼廠繼續通過開發新材料來使用鋼鐵，鋼鐵還有多大潛力？經過這么多年的發展，最后給汽車廠的建議還是技術，一是各種先進高強度鋼的開發還在路上，二是開發了很多先進的制造技術，引入了全生命周期的概念。比如一款新開發的電動概念車，減重40%，與高強度鋼的強度比較高。其中40%超過1000 MPa，只有5%是低碳鋼。鋼鐵通過提高強度的潛力還是比較大的。”

寶鋼研究院首席研究員王力博士

“根據寶鋼的銷售數據，2017年中國自主品牌高強度鋼占比41%，歐、日、美、韓、自主品牌數量達到2800多萬，而寶鋼供應的材料相對高檔。我們全國平均水平會低于這個水平。從我們去年的數據來看，高強度鋼的平均應用比例為42-45%。這個水平應該比較低，國外是60%-70%。這個差距就是我們的潛力。”

在鋁和鋼的競爭中，鋁的突出優勢是密度低，而為了減輕車身重量，就需要在保持鋼的比例的情況下，把鋼板做薄。普通鋼板的厚度通常是0.7到0.75mm，現在超強度鋼板的厚度只有0.65mm甚至更薄，新歐寶的發動機罩鋼板厚度安全達到0.6 mm。

對此，王力表示，“相同的鋼材比例下，減重只能減薄，但密度可以調整。現在我們有一個新的想法要做，就是調整鋼的密度。鋁在鋼鋁之爭中的優勢是密度低。當競爭達到一定程度時，我可以利用你的優勢調整我的密度。我們已經提高了鋼的彈性模量，現在已經在實驗室里制造出來了。我想說一個觀點，因為鋼鐵本身對現有工業產業的基礎不變，還有很大的創新空間。從這個維度來說，鋼鐵的生命力還在，鋼鐵的市場份額也在。車賣20萬以上，材料選擇會多一些，10萬的車還是以鋼材為主。”

吉林大學陳樹明教授

成本問題也成為了其他材料無法取代鋼材主體地位的原因。陳樹明說，“在汽車輕量化的趨勢下，雖然現在大家都在做輕量化材料，比如鋁合金、鎂合金，但是高強度鋼仍然處于主要地位。我認為最重要的因素是成本。我相信如果碳纖維的成本降下來，碳纖維有可能取代這個。這不是不可能的。關鍵是現在成本太高，鋼鐵還是有非常大的成本優勢。”

除了成本之外，在滿足需求的強度范圍內，良好且容易的成型工藝也成為鋼材難以被替代的原因。“從發展來看，汽車用鋼的強度不是很高，1000 MPa就夠了。高強度鋼現在主要靠碳強化，很多都做到了2200 MPa，但是在2200 MPa以上就會出現突變，或者說在2200-2500 MPa基本不可能靠碳強化。”陳樹明坦言，“我相信這種鋼肯定會有其他材料替代碳，強度會越來越高，但不一定會用在汽車上，但可能會用在其他高強度領域。對于汽車來說，1000 MPa以下的鋼材我們可以選擇很多，成本低，成型工藝優秀，所以國內一時半會很難替代鋼材。”

從鋼材本身的結構性能來看，具有良好的可修復性。朱強指出，鋼本身具有相變，在某些應用中具有某些優勢。“對于汽車鋼板來說，由于鋼板的相變，一旦出現坑就很容易修復，而對于復合材料或者鋁來說相對困難。比如鋁合金復合材料，如果破了一個洞，基本都是整體更換，成本也高。這是鋁本身相對于鋼的弱點。”

鋁合金發展遭遇前狼后虎。

相關數據顯示，制造一輛普通中型車需要725公斤鋼和鑄鐵，350公斤沖壓鋼板。相比之下，歐洲汽車的鋁合金重量從1990年的50公斤增加到2005年的131.5公斤。大多數鋁合金仍然用于發動機內部零件和氣缸體，并且這一比例繼續增加。與鐵相比，鋁的重量減輕了一半，耐腐蝕性也比鋼好，所以鋁在汽車制造中也受到青睞。

目前有很多車型采用全鋁合金打造車身。自1994年誕生以來，奧迪A8采用了全鋁空間框架車身結構，特斯拉研發制造的Model S也采用了全鋁車身。位于江蘇常熟的奇瑞捷豹路虎全鋁車身生產線投產后，首款國產轎車捷豹XFL新型鋁合金材料的應用率達到75%。諾貝利RC5754高強度鋁合金用于捷豹XFL的許多車身結構件，屈服強度為105-145 Mpa，抗拉強度為220 Mpa，在強度、耐腐蝕性、連接性和成型性方面都有良好的表現。

東吳大學研究員張海濤

“現在車輛用鋁材越來越多，尤其是底盤部件和車身。現在很多車都在不斷走這條路。雖然全鋁框架存在一些問題，但也正在解決。”東吳大學研究員張海濤說，“為什么要用全鋁邊框？第一個成本比較低。一輛汽車的成本可能是幾千美元一個車架。最重要的是截面設計非常復雜，鋁的抗彎抗扭剛度比th好

此外，鋁比鋼具有更好的資源回收性和更長的生命周期。朱強說，“鋁的回收損失率只有5%-10%。鋼鐵生銹了，就很難恢復了。從長遠來看，鋁合金有優勢。如果車輪用鋁的話，現在普遍的理解是鋁合金車輪肯定比鋼制車輪好，因為鋼材一碰就容易生銹，鋁合金刮下來也沒關系。這個性能鋼沒辦法比，鋁合金的復合性能在這方面有獨特優勢。此外，長生命周期對汽車企業也很重要。每個產品的設計都要考慮長生命周期，鋁在這方面也更有優勢。”

在回收方面，鋁也有一些缺點。同時，朱強指出，鋁合金的成分相對復雜，也存在如何分類回收的問題。“例如，對于壓鑄框架，這兩種合金無法一起使用，必須分開使用。把它們連接起來要花很大力氣，拆開也要花很大力氣。一方面回收效率不高，另一方面不好管理。在這方面，鋼材的回收利用相對簡單一些。此外，鋁合金回收還涉及到很多問題，比如減少使用。鋁回收好之后，用來做一些不重要的東西。原來的好東西，最終價值低。”

朱強，中國南方科技大學教授。

從材料的疲勞角度來看，鋁比鋼風險更大，加工也受到限制。“車輛關鍵部件的疲勞性能不僅受材料本身性能的控制，還受材料缺陷的控制。鋁的氧化能力很強，這些缺陷對零件的疲勞性能影響很大，很容易出問題。鋼的氧化性沒有那么強，其缺陷對疲勞性能的影響相對較低。”朱強說，“單靠鍛造不能制造復雜的零件，鍛造后必須進行加工，否則無法滿足結構設計的需要。一般來說，鍛造有兩種，要么放棄結構優化，要么返工，但鋁合金加工面一旦破壞，疲勞性能下降，要重新處理，成本增加。這些都是鋁合金需要克服的問題，解決這些問題后還是有可能替代鋼材的。”

在汽車底盤材料中，之前鋁已經替代了部分鋼材，但近年來隨著鋼材技術的進步，底盤鋼材又有了新的解決方案。朱強說，“現在我們已經開發了幾種底盤鋼技術。一個是手臂。現在已經達到780 MPa，可以做鋼三角臂了。與鋁相比，重量不到10%，成本也低很多。兩個輪子之間還有一個連桿，很重。現在我們開發了一種新技術，重量減輕了40%。同時使用電鍍解決了腐蝕問題，鋼材本身也在進步。現在鋼鋁相互競爭相互促進，車企的選擇多了，也發展起來了。”

其實汽車鋁現在已經進入了前有狼后有虎的階段。過去鋼鐵廠商不斷提高性能，現在不加鎳也能做到不銹。而后面的鎂合金、碳纖維等材料，隨著成本的降低和性能的提升，對鋁市場產生了沖擊。朱強指出，“鋁合金要想做好，只能快速發展，因為這么多年后很難替代鋼鐵。鋁必須盡快工業化，才不容易被后來者取代。目前汽車鋁挑戰與機遇并存。”

鋼鋁混合車身結構是大勢所趨。

目前，越來越多的汽車制造工程師更加關注輕量化材料的混合應用，他們的R&D核心不再僅僅關注汽車鋼鋁的具體比例，而是開始關心各種材料如何正確混合。去年在法蘭克福車展亮相的全新奧迪A8，對奧迪全鋁空間框架車身結構技術進行了創新升級，摒棄了奧迪一直引以為傲的全鋁車身，鋁的比例

新一代奧迪A8采用鋁合金材料打造車身整體框架。為了保證結構強度，關鍵連接處采用鋁鑄件，車身表面采用鋁鈑金件。在車身艙的籠式結構中，大量使用了熱成型超高強度合金鋼，遠遠多于A8高強度鋼僅在B柱上的應用。與20年前的鋼材相比，這種高強度鋼材的硬度提高了5倍，重量減輕了40%。車身結構增加了鎂合金，車廂尾部采用了CFRP碳纖維復合材料，從后壁板等細節上減輕了車身重量。

“未來鋁在整個車身上的應用會越來越多，會有很多混動車身。比如奧迪A8全鋁車身也開始做混動車身，現在國內很多車企都在效仿。鋼和鋁連接的主要問題是耐腐蝕性。用膠水，用螺栓代替焊接。上體是鋼制的，下體是鋁制的，用螺栓固定。比如北方車的窗框頂部是鋼的，底部是鋁的。這種混合應用的組合越來越多。不是說鋼不好，而是我覺得鋼鋁混合更有前途。”張海濤說。

對此，王力也指出，其實早在上世紀40年代就有鋼鋁競爭。后來經過多年的發展，在合適的地方用合適的材料已經達成了一些共識。而且鋼鐵本身發展很快，既有競爭也有合作。而這種競爭更有利于車企的發展，因為車企可以因為競爭而有更多的選擇。展望未來，新能源汽車對輕量化的要求可能會更高。

“自主品牌一定要有輕量化戰略。鋼材用得好的話，潛力還是不小的。采用合資品牌使用的高強度鋼的比例和種類，很容易實現白車身減重10%。通過其他努力降低整車重量7%-8%是可行的，先進高強度鋼的比例工藝可以做到車身10%以上不變。”王力說，“如果采用一些新技術、新工藝，減肥20%以上也是有可能的。我們分析了很多自主品牌的車型，這個潛力還是很大的。差距就是我們的動力。”

與傳統車身相比，鋼鋁混合動力車身結構是根據材料的不同性質而設計的。同時，車身整體更強更輕，便于模塊化設計。車身有更多的空間來配置復雜的技術，產品也更加多樣化。除了合資品牌，許多自主品牌如SAIC、BAIC和比亞迪也越來越多地使用鋼鋁混合車身結構。隨著國內汽車制造業的發展，在鋼鋁同臺競技推動汽車材料不斷創新的同時，未來如何在車輛上正確應用高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料將成為汽車輕量化最重要的課題。