一直以來，鋼都是汽車制造的主要材料。而隨着社會對環保節能的呼聲越來越高，國家對汽車油耗政策趨於收緊，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，預計到2020年，高強度鋼的用量將達到峯值，佔整車重量的近15%。等到2040年時，該佔比將逐步跌至近5%，屆時其他輕量化材料也將在汽車材料領域內佔據一席之地。
和制鋼原料鐵相比，鋁以不到其一半的重量和優異的抗腐蝕性更勝一籌，鋁合金的出現一度對造車用鋼形成威脅。但由於鋁材價格相對昂貴，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境論壇上，寶鋼研究院首席研究員王利、南方科技大學講座教授朱強、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會議上就造車用材“鋼鋁之爭”展開了探討。
鋼有較大應用潛力和成本優勢
隨着車用鋼材的不斷發展，造車用鋼早已不是幾十年前很多人印象裏的低碳鋼，現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。不少鋼鐵生產企業爲應對新材料的挑戰積極開發能與鋁合金等其它材料抗衡的輕量化高強度鋼。據相關數據，每輛車上只需增加212歐元的成本用於高強度鋼材，即可實現減重進而節省約5％的燃油。
當前中國汽車市場高強鋼的現狀和應用潛力究竟如何？王利對此進行了分析，他表示目前車用鋼材方面在不斷努力下已實現減重，“這裏面用了很多技術，其中功不可沒的就是高強鋼。過去20多年國際鋼鐵協會有一個項目寶鋼一直在參加，鋼廠通過開發新的材料繼續用鋼的話，鋼還有多少潛力？通過這麼多年的發展，最後給汽車廠的建議或者技術，一個是發展各種先進高強鋼還在路上，第二又發展了很多先進制造技術，同時引進了全生命周期的概念。比如最新開發的一款電動概念車，車身減重達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。”
“從寶鋼銷售數據來看，我國2017年高強鋼用量自主品牌佔41%，歐系、日系、美系、韓系、自主共達到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。高強鋼的應用比例從我們去年的數據來算平均達到42-45%，這個水平應該是比較低的，國外是60%-70%，這個差距就是我們的潛力。”
鋁和鋼之間的競爭，鋁的突出優勢是密度低，而要實現車身減重，在保持用鋼比例下，需要將鋼板做薄。普通鋼板的厚度通常爲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動機蓋鋼板厚度達到0.6mm。
對此王利表示，“鋼的比重不變下要減重只能變薄，但可以調整密度，現在我們有一個新的想法在做，就是對鋼材密度的調整。鋼鋁之爭鋁的優勢就是密度低，競爭到一定程度我可以借助你的優點調整我的密度。我們把鋼的彈性模量提高，現在實驗室也做出來了。我想說的一個觀點，因爲鋼本身對現有的工業產業的基礎不變，在創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爲主。”
而成本問題也成爲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，雖然說現在大家都在做輕質材料，比如鋁合金、鎂合金等輕質復合材料，但是高強鋼還是處於主體位置，最主要的因素我認爲就是成本，我相信如果碳纖維的成本下來之後，有可能碳纖維就取代這個，這不是不可能，關鍵現在成本太高，鋼目前還具備非常大的成本優勢。”
除了成本之外，在滿足需求的強度範圍內，良好易行的成型工藝也成爲鋼材難以被替代的原因。“從開發的角度來說，汽車用鋼的強度並不是很高，1000兆帕也就足夠用了。高強鋼現在主要是靠碳來強化的，很多都已經做到2200兆帕，但是在2200兆帕以上，會產生一個突變，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域。對於汽車而言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。”
而從鋼本身的結構性能來看，其具有良好的修復性。朱強指出，鋼本身帶相變，在某些用途上具有一些優勢。“對於汽車鋼板而言，由於鋼板有相變，萬一碰了一個坑，很容易重新修復，這對復合材料或者鋁相對來說比較困難一點。比如說鋁合金復合材料，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。”
鋁合金發展期遭遇前狼後虎
相關數據顯示，制造一輛普通中型汽車要耗去725公斤的鋼和鑄鐵，以及350公斤的衝壓鋼板。相比之下，鋁合金在一款歐洲汽車內的所佔重量，由1990年的50公斤增加到2005年的131.5公斤，多數鋁合金仍用於發動機內部件與氣缸缸體，這一比重還在繼續增加。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於鋼，因此在汽車制造上鋁也頗受青睞。
當前，採用全鋁合金打造車身的車型已有很多出現。奧迪A8自1994年誕生起就採用全鋁空間框架式車身結構，特斯拉研發制造的Model S也採用全鋁車身。位於江蘇常熟的奇瑞捷豹路虎全鋁車身生產線投產後，首款國產車全新捷豹XFL鋁合金材料應用比率達75%。捷豹XFL的多處車身結構件應用的諾貝麗斯RC5754高強度鋁合金，屈服度達到105-145 Mpa，抗拉強度達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。
“現在車用鋁材越來越多，尤其是底盤件，另外是車身，現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。”蘇州大學研究員張海濤表示，“爲什麼要用全鋁框架呢？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，最主要是截面設計的很復雜，而鋁的抗彎和抗扭剛度比鋼更好。”
此外，鋁比鋼具有更優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%，鋼如果生鏽回收就很困難，從長期來說鋁合金是有優勢的。如果車輪上用鋁的話，現在大家已有共識，就是鋁合金車輪肯定比鋼的好，因爲鋼碰下容易鏽，鋁合金刮下沒關系，這個性能鋼是沒有辦法比的，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周期壽命，這方面鋁也更有優勢。”
而在回收方面鋁也有不具備優勢之處，朱強同時指出，鋁合金成分相對比較復雜，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，很好的鋁回收後用來做一些不重要的東西，本來很好的東西最後價值很低。”
而從材料的疲勞性來看，鋁和鋼相比更具風險，同時加工也有所受限。“車輛關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。鋼的氧化性沒有那麼強，其缺陷對於疲勞性能來說影響相對較低。”朱強表示，“只憑鍛造做不了復雜部件，鍛造之後必須加工，否則滿足不了結構設計的需求。鍛造一般來說兩種，或者放棄結構優化，或者重新加工，但是鋁合金一經加工表面被破壞後疲勞性能又會下降，又要處理，成本又升高。這些都是鋁合金需要克服的問題，解決這些問題後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，然而近年來隨着鋼鐵技術的進步，底盤用鋼又推出新的解決方案。朱強表示，“現在底盤用鋼方面，我們開發了幾個技術，一個是臂，我們現在到了780兆帕現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杆非常很重，現在我們開發一個新的技術後，減重40%，同時通過使用鍍層，解決了腐蝕問題，鋼本身也在進步。現在鋼和鋁在競爭互促進步，對車企來說有更多的選擇，也由此得到發展。”
實際上，車用鋁材當前已步入前有狼後有虎的階段。前面鋼材制造商通過不斷改進性能，如今鋼材不加鎳一樣可以實現不鏽，而後面鎂合金、碳纖維等材料隨着成本的降低及性能的提高，對鋁材市場都形成了衝擊。朱強指出，“鋁合金要想做好的話只能快速發展，因爲鋼已經做了這麼多年想取代已經很難，鋁一定要盡快產業化，才不會被後來者輕易取代，當前車用鋁材的挑戰和機遇都是並存的。”
鋼鋁混合車身結構是大勢所趨
當前，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用，其研發核心不再只關注車用鋼及鋁的具體比例，而開始關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構技術進行了革新和升級，舍棄了奧迪向來引以爲傲的全鋁車身，鋁合金佔比降至58%，除了高強鋼以外，在車身材料中加入了更多的復合材料，車身卻比現款車型增重近51公斤，由現款A8車型的236kg“逆勢增重”到了282kg。
新一代奧迪A8採用鋁合金材料對車身整體框架進行了搭建，爲確保結構強度，在關鍵聯接部位採用鋁制鑄件，車身表面採用了鋁制鈑金件。在車身座艙籠形結構中，大量採用熱成型超高強度合金鋼，遠多於現款A8高強鋼僅在B柱上的應用，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%。車身結構中加入了鎂合金，車廂後部採用了CFRP碳纖維復合材料，從後壁板等細節降低了車身的重量。
“未來鋁在整個車身上的應用會越來越多，會出現很多混合車身，比如說奧迪A8全鋁車身也開始做混合車身，現在國內很多車企也在跟隨這麼做。鋼和鋁連接主要問題在於耐蝕性，用塗膠的方式，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年代當時就有鋼和鋁的競爭，後來經過多年發展，現在汽車用的材料已達成一些共識，就是合適的材料用在合適的地方。而且鋼本身也在快速發展，這裏面既有競爭又有合作。而這個競爭更有益於車企的發展，因爲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略，鋼如果用好其潛力還是不小的，通過採用合資品牌汽車用的高強度鋼比例和種類實現白車身10%減重是很容易，通過其它的努力整車降7%-8%是可行的，其中先進高強鋼的比例工藝不用變就可以實現車身10%以上。”王利表示，“如果再用一些新的技術和工藝，減重20%以上也是可以實現的。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。”
與傳統車身相比，鋼鋁混合車身結構，通過材料的不同屬性進行相應配比設計，在提升安全性的同時，車身整體更加堅固輕量，方便進行模塊化設計，車身有更大的空間來配置復雜科技，產品更加多樣化。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構。隨着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、鎂合金及碳纖維復合材料等多種材料正確的在車輛混合應用將成爲汽車輕量化最重要的課題。
