与炼钢原料铁相比，铝的重量不到一半，并且具有优异的耐腐蚀性。 铝合金的出现一度对汽车制造中使用的钢材构成了威胁。 然而，由于铝相对昂贵且难以制造和修复，因此许多汽车制造商更愿意使用高强度碳钢而不是普通钢。 钢铁和铝作为汽车制造原材料的博弈已经开始。 在近日举办的汽车与环境创新论坛上，宝钢研究院首席研究员王力、南方科技大学讲座教授朱强、吉林大学教授陈书明、研究员张海涛等行业专家出席了会议。苏州大学教授在圆桌会议上探讨了汽车制造的“钢铝”材料。 讨论了“争议”。
钢材具有巨大的应用潜力和成本优势
随着汽车用钢的不断发展，汽车制造所用的钢材已经不再是几十年前很多人心目中的低碳钢了。 如今的汽车钢板越来越薄，但钢材的强度和耐腐蚀性却有了很大的提高。 为了应对新材料的挑战，许多钢铁制造商正在积极开发可与铝合金等其他材料竞争的轻质高强钢。 据相关数据显示，每辆车只需要增加212欧元的高强度钢材成本，即可实现减重，并节省约5%的燃油。
高强钢在中国汽车市场的现状和应用潜力如何？ 王丽对此进行了分析。 他表示，通过不断努力，车辆用钢的减重已经实现。 “用了很多技术，其中高强钢功不可没。过去20年，世界钢铁协会有一个项目宝钢一直在参与。如果钢厂通过开发新材料继续使用钢材那么，钢材还有多大的潜力呢？经过这么多年的发展，最终给汽车制造商的建议或者技术是，各种先进高强度钢材的研发还在路上。其次，很多先进的制造技术已经研发出来了。 ，并且引入了全生命周期的概念，比如新开发的一款电动概念车，重量减轻了40%，而且它使用的高强钢强度也比较高，超过了1000兆帕。 “这40%中，只有5%是低碳钢。钢材提高强度的潜力还是比较大的。”
王力博士 宝钢研究院首席研究员
“根据宝钢的销售数据，2017年自主品牌占我国高强度钢材消费量的41%，欧系、日系、美系、韩系及自主汽车合计超过2800万辆，宝钢供应的材料相对较高——有的，我们国家的平均水平会比这个水平低一点，根据我们去年的数据，高强钢的应用比例平均达到了42-45%，这个水平应该是比较低的。国外是60%-70%，差距就是我们的潜力。”
在铝与钢的竞争中，铝的突出优势是密度低。 为了实现车身轻量化，需要在保持钢材比例的同时将钢板做得更薄。 普通钢板的厚度通常为0.7～0.75mm，但现在超高强度钢板的厚度仅为0.65mm，甚至更薄。 新款欧宝赛飞利发动机盖钢板厚度达到0.6毫米。
对此，王力表示，“如果钢材的比重不变，减轻重量的唯一办法就是做薄，但密度是可以调整的。现在我们有一个新的想法，就是调整密度钢的。铝在钢铝之战中的优势密度低，当竞争到一定程度的时候，我可以利用你的优势来调整我的密度。我们增加了钢的弹性模量，现在我们有了我想说的一点是，钢铁本身对于现有工业产业的基础没有改变，还有很大的创新空间，从这个角度来说，钢铁的生命力就是钢材的市场份额还在，如果汽车价格超过20万，材质选择就会更多，10万元的汽车还是以钢材为主。
陈书明 吉林大学教授
成本问题也成为其他材料难以取代钢材主导地位的原因。 陈书明表示，“随着汽车轻量化的趋势，虽然现在大家都在做轻量化材料，比如铝合金、镁合金等轻质复合材料，但高强钢仍然占据主导地位。 我认为最重要的因素是成本，我相信如果碳纤维的成本下降的话，碳纤维有可能取代它。 这并非不可能。 关键是现在成本太高了，钢铁目前有非常大的成本优势。”
除了成本之外，在满足需求的强度范围内，良好且容易的成型工艺也成为钢材难以替代的原因。 “从发展的角度来看，汽车用钢的强度不是很高，1000兆帕就够了。高强钢现在主要是用碳增强，很多都达到了2200兆帕，但在2200兆帕以上，会有突然变化，或者在2200-2500兆帕时，依靠碳来强化基本上是不可能的。” 陈书明坦言，“我相信这种钢材中的碳会被其他材料取代，强度会越来越高，但不一定用在汽车上，可能会用在其他高强度领域。”汽车方面，1000兆帕以下的钢材我们有很多选择，成本低，成型工艺也很好，所以在我国钢材暂时很难替代。”
从钢材本身的结构性能来看，具有良好的可修复性。 朱强指出，钢材本身具有相变，在某些用途中具有一定的优势。 “对于汽车钢板来说，由于钢板发生相变，如果撞到了洞，可以很容易地修复。这对于复合材料或铝来说相对困难。比如铝合金复合材料如果破洞了“材料，基本上修复它就意味着更换整块，这也是非常昂贵的。这是铝本身相对于钢的弱点。”
在铝合金的发展过程中，我们遇到了前者的狼和后者的老虎。
有关数据显示，制造一辆普通中型汽车消耗钢材和铸铁725公斤，冲压钢板350公斤。 相比之下，欧洲汽车的铝合金重量从1990年的50公斤增加到2005年的131.5公斤。大多数铝合金仍用于发动机内部部件和缸体。 这一比例还在继续增加。 与炼钢原料铁相比，铝不仅重量轻一半，而且其耐腐蚀性也优于钢，因此铝在汽车制造中也很受欢迎。
目前，有很多车型采用了全铝合金车身。 奥迪A8自1994年诞生以来就采用了全铝空间框架车身结构，特斯拉研发制造的Model S也采用了全铝车身。 奇瑞捷豹路虎江苏常熟全铝车身生产线投产后铝材和钢材，国产首款轿车新款捷豹XFL的铝合金材料应用率达到75%。 捷豹XFL多处车身结构采用的诺贝丽斯高强度铝合金，屈服强度为105-145 MPa，拉伸强度为220 MPa。 具有优异的强度、耐腐蚀性、连接性和成型性。 要有好的表现。
张海涛 苏州大学研究员
“现在，汽车上使用的铝材料越来越多，特别是底盘件和车身件，很多小型车现在都在走这条路。全铝车架虽然存在一些问题，但也在解决中。” 苏州大学研究员张海涛说，“为什么要采用全铝车架？首先是成本比较低，一辆小型车的成本可能只有几千元一个车架，最重要的是跨界车-截面设计非常复杂，而且铝的弯曲和扭转刚度比钢高。好。”
此外，铝比钢具有更好的资源可回收性和更长的生命周期。 朱强说，“铝的回收损耗率只有5%-10%，钢如果生锈了，就很难回收。从长远来看，铝合金有优势。如果用铝做轮子，现在大家有一个共识，就是说铝合金轮毂肯定比钢轮好，因为钢的一碰就容易生锈，铝合金的刮掉也没关系，这个性能没办法和钢轮比较铝合金的复合性能在这方面有独特的优势，另外，长生命周期对于汽车企业来说也非常重要，每个产品的设计都要考虑长循环寿命，铝也有优势在这方面。”
在回收利用方面，铝也有缺点。 朱强还指出，铝合金成分比较复杂，如何分类回收也存在问题。 “比如压铸车架，两块合金板不能一起使用，必须分开，连接、拆卸都费力，一方面回收效率不高，另一方面一方面，这并不容易。管理方面，钢材的回收在这方面是比较简单的。此外，铝合金的回收还涉及到很多问题，比如减少使用，回收好的铝后，用来做一些不重要的东西。原本好东西最后的价值很低。”
朱强 南方科技大学讲座教授
从材料疲劳的角度来看，铝比钢风险更大，加工也受到限制。 “汽车关键零部件的疲劳性能不仅受材料本身性能的控制，还受材料缺陷的影响。铝具有非常强的氧化能力，这些缺陷对零部件的疲劳性能影响较大，非常严重。”容易出现问题。钢的氧化性能没有那么强，其缺陷对疲劳性能的影响相对较小。” 朱强说，“复杂零件不能仅靠锻造来制造，必须在锻造后进行加工，否则无法满足结构设计的需要。一般来说，锻造有两种，要么放弃结构优化，要么再加工，但一旦铝合金的加工表面受到损伤，疲劳性能又会下降，还得进行加工，成本就会增加，这些都是铝合金需要克服的问题，解决了这些问题之后，还是可以的取代钢铁。这是可能的。”
在汽车底盘材料方面，铝此前已经取代了部分钢材。 然而，近年来随着钢铁技术的进步，底盘钢的新解决方案不断推出。 朱强说，“我们在底盘钢材方面开发了多项技术，一是臂，我们现在已经达到了780兆帕，现在可以制作钢三角臂。与铝相比，它们只重了不到10%，成本也降低了10%。”少了很多。两个轮子之间还有一个连杆，很重。现在我们开发了新技术后，重量减轻了40%。同时，通过使用电镀解决了腐蚀问题，而且钢材本身也在进步，现在钢材与铝竞争，相互促进，车企有了更多的选择，也会由此发展。”
事实上，汽车铝材现在已经进入了前有狼后有虎的阶段。 过去，钢铁制造商不断提高性能，现在钢可以不添加镍而制成不锈钢。 后来，镁合金、碳纤维等材料由于成本降低、性能提高，对铝市场产生了影响。 朱强指出，“铝合金要想做好，才能快速发展，因为钢已经使用了这么多年，很难替代。铝必须尽快实现工业化，这样才不会被淘汰。”很容易被后来者取代。目前，汽车用铝材挑战与机遇并存。”
钢铝混合车身结构是大势所趋
目前，越来越多的汽车制造工程师越来越关注轻量化材料的混合应用。 他们研发的核心不再仅仅关注车辆钢铝的具体比例，而是开始关心如何正确混合多种材料。 去年在法兰克福车展上亮相的全新奥迪A8，对奥迪全铝空间框架车身结构技术进行了创新升级，抛弃了奥迪一直引以为豪的全铝车身，以及铝合金比例。下降至58%。 除了高强度钢材之外，车身材料上还添加了更多复合材料，但车身重量却比现款车型重了近51公斤，从现款A8车型的236公斤减至282公斤。
新一代奥迪A8车身结构材料示意图
全新一代奥迪A8采用铝合金材料打造整体车身框架。 为保证结构强度，关键连接部位采用铝铸件，车身表面采用铝钣金件。 在车身笼式结构中，大量使用热成型超高强度合金钢，远远超过目前仅在B柱上使用的A8高强度钢。 与20年前的钢材相比，这种高强度钢材的刚度提高了5倍，重量减轻了40%。 车身结构加入镁合金，座舱后部采用CFRP碳纤维复合材料，从后壁板等细节处减轻车身重量。
“未来，铝材在整个汽车车身上的应用会越来越多铝材和钢材，而且会出现很多混合动力车身。比如奥迪A8全铝车身也开始采用混合动力车身。现在国内很多车企都在紧随其后。钢与铝的连接主要问题在于耐腐蚀性，采用胶合和螺栓连接，无需焊接。上体为钢，下体为铝，采用螺栓连接。例如， “北汽的窗框是上钢下铝的，混合应用的组合越来越多。并不是钢不好，而是我觉得钢铝混合在一起更有前途。”张海涛说道。
对此，王力还指出，事实上，早在20世纪40年代，钢铁和铝之间就存在竞争。 后来经过多年的发展，对于汽车使用的材料已经达成了一些共识，那就是在正确的地方使用正确的材料。 而且钢铁本身也在快速发展，既有竞争，也有合作。 而这种竞争更加有利于车企的发展，因为竞争的存在让车企有了更多的选择。 展望未来，新能源汽车可能对轻量化提出更高的要求。
“自主品牌必须有轻量化战略，钢材如果运用得当，潜力不小，通过高强度钢材的使用比例和种类，很容易实现白车身减重10%在合资品牌汽车中，通过其他努力，整个车身减轻7%-8%的重量是可行的，在不改变车身结构的情况下，先进高强钢的比例可以减少10%以上。车身比例。” 王力表示，“如果采用一些新技术、新工艺，减重20%以上也是可以实现的。我们分析了很多自主品牌车型，这方面还是有很大潜力的。”差距就是我们的动力。”
与传统车身相比，钢铝混合车身结构根据材料的不同性能进行设计。 在提高安全性的同时，车身整体更坚固、更轻，有利于模块化设计，拥有更多的车身空间。 技术复杂，产品更加多元化。 除了合资品牌外，上汽、北汽、比亚迪等众多自主品牌也越来越多地采用钢铝混合车身结构。 随着国内汽车制造业的发展，钢与铝同台竞技，推动汽车材料不断创新的同时，高强钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料如何正确组合应用未来的车辆？ 将成为汽车轻量化最重要的问题。
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