汽车轻量化 文献综述

材料科学专业讲座

姓名：林存龙

学号：1531508 专业：无机系

材料在汽车轻量化中的应用及发展

摘要：由于汽车工业的迅速发展，汽车产量和保有量的增多，带来了油耗、排放和安全三大问题。论述了汽车节能减排是汽车工业发展的必然趋势，轻量化是汽车节能减排的直接而有效的手段；介绍了汽车轻量化意义和轻量化工程的实施方法。采用轻量化材料，如高强钢、铝合金、镁合金、塑料、复合材料等重点介绍了轻量化材料及先进的制造工艺在汽车轻量化中的应用现状，综述了轻量化领域中新材料、新工艺的最新研究进展。总结了目前国内外研究的热点、难点问题。基于目前的研究现状，提出了未来汽车轻量化技术的发展趋势。

关键词：汽车；轻量化

The Application and Development of Materials in Automotive Weight Lighting

Abstract: The brief condition of development of China automotive industry was reviewed. Three problem: oil consumption, emission, safety were brought about due to the rapid development of auto industry , the production output and vehicle stock in China. Energy saving and emission reduction is necessary trend of auto industry development. Affective and direct method and way is Auto lightweight. The concept , significance implementation methods have been introduced. Use the lightweight materials of high strength steel, aluminum alloy, plastics composites,etc. Based on the above research status, the development trends about automotive lightweight technology in the future were proposed.

Key words: automobile; lightweight.

随着汽车工业的持续快速发展，汽车保有量大幅增长，全球汽车已超过10亿辆。汽车已成为世界能源消耗和污染物排放的主要来源。各发达国家均制订了严格的法规来限制汽车燃油消耗和温室气体的排放，我国也发布了油耗强制性国家标准——《乘用车燃料消耗量限值》(GB19578-2004)。

研究表明，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一。例如汽车每减少100kg，可节省燃油0.3~0.5L/(100km)，可减少CO2排放8~11g/(100km)。因此，自20世纪90年代以来，许多大型研究计划积极推动了汽车轻量化技术的研究，以之作为应对石油资源短缺和环境污染问题的一项关键技术。如美国的新一代汽车合作伙伴计划、国际钢铁协会组织的超轻钢制车身和超轻钢制车身—先进概念车型研究计划等。

汽车结构的轻量化还可以带来“二次减重”，汽车的动力、传动系统也可相应的减轻质量。亚琛工业大学汽车研究所的研究表明，整备质量为1.229t的参考车，铝合金化后，

得益于主要减重和二次减重，终极质量可降至785kg。此外，实现汽车的轻量化，还有利于改善汽车的动力性、舒适性和操纵稳定性。

1轻量化材料发展及应用现状

汽车自重的1 /3 在车身，车身材料的选择对汽车轻量化至关重要。汽车的材料选择一般应遵循以下基本原则:

( 1) 满足汽车零件的使用性能要求，如安全性、舒适性、操作稳定性等;

( 2) 具有良好的工艺性能，如成形性、焊接性等;

( 3) 具有较好的经济性，如低成本、可回收性等。

材料技术是推动汽车技术进步的关键，采用轻量化材料是既保证汽车的行驶安全性又减轻车身自重的一个重要手段。目前，汽车轻量化材料主要有两类: 一类是高强度材料，主要指高强钢; 一类是轻质材料: 主要包括铝合金、镁合金、塑料、复合材料等。1.1高强度钢

为了达到汽车轻量化、安全化的目的，应对铝镁行业的竞争，20世纪90年代，国际钢铁协会的35家主要钢铁公司开展了超轻钢制车身（Ultra Light SteelAuto Body）ULSAB项目。其内容是通过大量采用高强度钢板，并应用液压成形、激光拼焊板等技术使汽车减重25%。2004年项目取得成功，整车减轻质量25%，车身静态扭转刚度提高了80%，静态弯曲化；然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形；之后保压快速冷却淬火，使奥氏体变成马氏体，因而成形件得到强度硬化。冲压件冷却淬火后，强度可达1 500 MPa。见图1[1]

图1热成型钢加工工艺流程

刚度提高了52%，汽车安全等级达到了欧洲NCAP五星级碰撞标准。ULSAB车体上高强度钢板使用率为90%，其中DP双相钢超过70%，另外还采用了4%左右的抗拉强度为1 200 MPa的超高强度马氏体钢。最近几年，欧美汽车公司在开发新款汽车时都部分或全部采用了ULSAB项目技术，高强度钢大量使用在汽车车身、底盘、悬架和转向的零部件上。国内汽车合资企业的技术直接来源于国外母公司，高强度钢应用水平与国外汽车企业保持了相近的水平。自主品牌汽车企业在高强度钢的应用方面整体落后于国外汽车公司,正在快速追赶。最近两年,国内自主品牌汽车开发的有些新车型，高强度钢质量占白车身质量的比例已经达到45%以上。近年来，国内钢铁企业积极开展了汽车

用高强度纲的开发工作，目前宝钢、武钢、鞍钢等可以生产一些等级的高强度IF钢、DP双相钢、TRIP相变诱导塑性钢、BH烘烤硬化钢。国内钢铁企业已能提供多种规格的高强度钢板，不过从品种与质量来看，与国外的先进水平相比还有较大的差距。[2]高强度钢在汽车减重、降耗、安全性方面有着显著优势，但在应用时还存在一些问题，即随着强度的增加，冲压性能变差、回弹量大、尺寸难以控制、容易起皱开裂，这给冲压成形工艺带来新课题。另外，高强度钢的可焊性比普通低碳钢要差，焊接工艺参数存在较大差异。为了开发性能更好的高强度钢，阿塞洛等钢铁公司正在研究开发孪晶诱导塑性钢（TWIP）、具有诱导塑性的轻量化钢（LIP）。这些钢种具有非常优异的力学性能、高的应变硬化率及极高的塑性，被称为第二代高强度汽车用钢。目前，美国钢铁企业正在积极发展第三代高强度汽车用钢(见图2)，具有第一、第二代高强度钢的微观组织特点，充分利用晶粒细化、固溶强化、析出强化及位错强化等手段来提高强度，通过应变诱导塑性、剪切带诱导塑性及孪晶诱导塑性来提高材料的塑性和成形性能。

图2各种汽车用钢板屈服强度和伸长量的关系

高强度钢是汽车轻量化的关键材料之一，近年来随着先进成形工艺与计算仿真技术的发展，高强度IF钢、DP双相钢、TRIP钢、热成形钢等在汽车部件中的用量越来越多。目前，国内钢铁企业的生产制造水平与国外的先进水平还有不小的差距，不少品种的高强度钢尚需要进口，国内钢铁企业应加大研发力度，早日赶上国外先进水平，为国内汽车行业的轻量化做更多的贡献。

1.2铝合金

据统计，世界交通运输业用铝为铝产量的26％，而我国仅为 5.7﹪。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对交通工具的需求越来越多，铝合金材料在我国交通运输业上的发展空间也越来越大，预计2015 年每辆轿车的铝合金平均用量将为150 kg，2020 年将达到180 kg。目前汽车用铝合金主要是四类：铸铝、锻铝、铝板材、铝型材。

其中，汽车用铝合金中，铸铝占最主要部分，约占汽车用铝量的80％，其主要用于制造发动机的零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件，现在已经大批量应用的零部件有发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种。锻造铝合金具有很多优异的性能，例如其比强度比较大，甚至可与合金钢相媲美，热锻时不氧化、表面光洁、机械加工余量小、无加工缺陷等，铝锻件一般选用高强度热处理合金，在汽车上的应用越来越广泛，如锻造铝车轮与横向转向叉已经应用于AudiA4，A8 等车型。1.2.1铝合金在汽车工业车身方面的应用

汽车车身约占汽车质量的30％，对汽车本身来说，约70％的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身铝化对提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980 年在Audi80 和Audi100 上采用了铝合金车门，然后不断扩大应用，更在1994 年和1999 年分别推出了A8 和A2 全铝轿车，这两款汽车的车身质量比传统钢制车身的重量减轻约40％，A2的总车质量只有895 kg，每年制造五万辆，成为世界上第一款真正意义上的大批量生产的全铝轿车；A8更是被评为1994 年全世界重要科技成果100 项之一。由欧洲9 个国家和地区的38 家机构携手推出了“超轻汽车项目”，包括大众、保时捷、菲亚特、欧宝、雷诺、沃尔沃和戴姆勒等在内的7 家主流汽车制造商，通过研制先进轻量化材料、运用多种材料连接制造技术及其表面处理等办法和手段，以大众第五代高尔夫为参考车型，最终制造出由多种材料混合的车身，质量仅为180 kg，与第五代高尔夫车身相比质量减轻了101 kg，减重率高达35％，而诸如扭转刚度等重要指标与参考车型相当，车身的安全性不但没有降低，正面抗碰撞性能与参考车型相比甚至有较大提高。[3]

1.2.2铝合金在汽车工业底盘方面的应用

对实现汽车轻量化而言，底盘系统更具有潜力，更容易实现。在悬挂系统中，目前取代钢铁的首选材料是铝合金材料，例如：通用汽车公司在凯迪拉克与克尔维特车的悬挂系统中使用了铝合金零部件；福特公司使用了铝合金制动盘，与原铸铁盘相比，质量减轻了2/3，虽然成本较高，但寿命提高了两倍；克莱斯勒公司的NeodLite 车底盘通过使用铝合金零部件，使得转向机万向节质量降低了 3 kg，下控制臂降低了2.6 kg，转向机壳降低了1.36 kg，转向轴降低了1.9 kg，后制动毂降低了 3.6 kg。

1.2.3铝合金在汽车发动机方面的应用

很多公司都在发动机的活塞、缸体及缸盖、散热器、油底壳、曲轴箱、连杆等部件上使用了铝合金材料。针对发动机部分，我们重点介绍一下活塞，缸体及缸盖。

（1）活塞

轿车发动机活塞基本都用铸铝合金，这主要是因为活塞作为主要的往复运动件需要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并且要求有良好的导热性，较小的热膨胀系数，同时在350℃左右有较好的力学性能，而铸铝合金恰能满足这些要求，同时由于活塞、连杆采用了铸铝合金件，减轻了质量，从而减少发动机振动，降低噪声，减少

油耗。

（2）缸体以及缸盖

轿车发动机的缸体多采用压铸法生产，镶铸的缸套可用共晶或亚共晶Al-Si 系合金，以提高耐磨性及耐热性。美国福特公司NGT 货车发动机气缸盖、ZetM 缸机、ModularV6/V8 机、克莱斯勒公司新V6 发动机缸体和缸盖都使用铝合金材料。克莱斯勒公司Jeep（吉普）5 缸、3.8LV6 和道奇货车发动机均改用铝合金缸盖。铝合金缸盖，一般采用金属型重力铸造和低压铸造法生产，选用的合金有美国的A319、A356、A360 铝合金，中国的ZL104、ZL106、ZL107 铝合金。

1.2.4铝合金在车轮中的应用

轮毂质量约占汽车车轮质量的70％，在汽车工业中，铸造铝合金轮毂是普及最快、铝化率较高的实例，铝合金轮毂的节能环保效果显著：轮毂质量每减轻1kg，1L 汽油可多行驶800 m，而少用1L 汽油，则可减少 2.5kg 的碳排放，此外铝合金轮毂还具有散热快、减震性能好、抗腐蚀性强，容易制造、经久耐用等优点，能显著提高汽车的舒适性和安全性，发展空间巨大，预计2015 年，我国铝合金轮毂的需求量将达到 2.5 亿只，这对于我国铝合金轮毂行业而言，存在着巨大的发展空间。

1.2.5铝合金轻质汽车材料的发展方向

铝合金轻质材料具有特殊的性能，但其较高的价格成本，让其成为制约汽车工业应用的主要原因之一，为了扩大铝合金在汽车工业上的应用，必须降低材料成本，除开发低成本的铝合金材料和开发先进的铝合金成形工艺外，回收再生技术可进一步降低铝合金的生产成本；其次，应开发新的各种焊接技术，今后发展的多材料结构轿车要求连接两种甚至多种不同类型的材料（如铸铁- 铝、钢- 铝、铝- 镁等），因此，研发相应的材料连接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术，将成为铝合金轻质汽车材料的研究方向；最后，有必要开发新型的汽车用铝合金材料，如Al-Li 合金、Al-Si-Cu 合金、超塑性铝合金、颗粒增强铝基复合纤维材料等。

1.3镁合金

1.3.1镁合金的基本特性[4]

（1）重量轻：

镁合金比铝合金轻33 %, 比钢轻77 %,为常用结构金属材料中最轻的材料。同时,镁能制出与铝同样复杂的零件而重量则较后者轻三分之一。镁合金用于车辆,将显著地减少其启动惯性,并节省燃油消耗, 减少环境污染。

（2）比强度高,刚性强：

同等形状下,镁合金制品的刚性为塑料的10 倍以上。在同等刚性条件下, 1磅镁的坚固程度等同于1 . 8 磅的铝和 2 . 1 磅的钢。如用镁合金代替ABS 塑料, 则制品重量可以减少36 %,厚度可以降低64 %

（3）耐冲撞, 阻尼吸震性能极佳：

镁合金抵抗震动及降低噪音的性能特佳, 一般为铝合金的 6 ～30倍。镁合金强固耐冲撞, 相同抗力下,厚度仅为塑料的1/3 。

（4）尺寸稳定, 收缩率小：

镁合金制品不易因环境温度变化而改变。出模时产品只有很小的残余铸造应力,因此,它无需退火和去应力处理。

（5）可自动化生产和模具寿命高:

由于熔融的镁不会与钢起反应,这使得它更易于实现在热室压铸机中进行自动化生产操作, 同时也延长了钢制模具的寿命。与铝的压铸相比, 镁铸造模具寿命可比前者高出2 ～ 3 倍,通常可维持20 万次以上的压铸操作。与铝相比, 镁的结晶潜热小, 凝固快。一般说来,其生产率比铝压铸高出40 %～50 %,最高时可达到压铸铝的两倍。

1.3.2应用[6]

由于汽车轻量化在能源、环境和安全方面的巨大贡献,镁合金在汽车轻量化中应用的巨大潜力,世界各国都展开了对镁合金的研究。随着对汽车安全性、经济性和舒适性要求的不断提高,对轻量化材料的要求也越高,寻找可以满足要求的新型合金, 是我们的共同目标。但镁合金产业仍面临一些制约性因素,比如镁合金的耐热性和耐腐蚀性有待提高, 生产成本也较高。通过对现有合金优化以改善合金的高温性能; 开发新型镁合金, 如高温Mg -RE 合金,高强Mg -Li 合金,镁基复合材料等; 开发镁合金新型成形技术,或改进现有压铸技术和半固态成形技术等; 开发新型变形镁合金及其成型工艺。目前铸造镁合金产品用量远远大于变形镁合金, 但变形镁合金可获得更高的强度, 更好的延展性及更多样化的力学性能, 可以满足不同场合结构件的使用要求。因此, 开发变形镁合金是未来更长远的发展趋势。可以确信, 随着新合金和先进加工成型技术的出现及制造成本的降低,镁合金作为最有发展前途的轻量化金属材料之一将被广泛应用于汽车工业中。

1.4塑料复合材料[6]

而要实现整车大规模减重，还必须实现碳纤维增强复合材料（简称C F R P）轻量化技术在整车上的应用。国外汽车业近年来已经开始专项资金投入和开展研究，其中传动轴、车顶、车体或底盘都有了C F R P的应用样件或样车（概念车）尝试。2009年奥迪和丰田的少量CFRP新款跑车投入了市场，2010年上半年宝马公司也小批量生产新型小轿车，其车体就采用了CFRP，若到2015年每年生产数十万辆，这将成为碳纤维生产的巨大市场之一。宝马汽车在2011年法兰克福车展首次发布的i3电动概念车和i8混动概念跑车，采用复合材料模块化设计的全碳纤维的座舱（LifeDrive架构），使i3的车身重量比传统电动车减轻了250～350kg，整车重量仅1250kg，并使车体的强度远大于普通的钢铁车身。宝马i8的整车重量仅1480kg。这两款车型分别于2013年和2014年上市，产量大约5万辆。

CFRP可广泛应用于汽车的各大主要系统：发动机系统、传动系统、制动系统、白

车身及附件等。其主要应用的零部件有：

1)发动机系统：挺杆、连杆、摇臂、油箱底壳、水泵叶轮和罩等。

2)传动系统：传动轴、万向节、减速器及壳罩等。

3)制动系统：刹车片。

4)底盘系统：纵梁横梁、支架、车轮和板簧等。

5)车体系统：发动机盖、翼子板、散热器罩、保险杠、车灯架、车厢、行李架、地板、门

窗框架及尾翼/扰流板等。

6)附件：排气筒、仪表板总成、方向盘、内饰等。

复合材料尤其是碳纤维复合材料轻量化技术在汽车上的集成应用，将对传统汽车设计理念和制造技术带来革命性的冲击，如汽车车身制作，冲压、焊装、涂装和总装等传统制造工艺和管理模式可能出现彻底的改变。国外主要汽车厂商和核心供应商早已厉兵秣马，中国自主汽车行业必须未雨绸缪。

汽车中采用碳纤维等轻量化复合材料替代钢材实际上是汽车工业的一次技术革命，对主机厂、零部件配套厂以及上下游的产业链都将产生深远的影响，传统材料和制造技术可能会逐渐萎缩甚至被淘汰，新型材料和新型制造技术将会逐渐发展壮大。国内汽车行业虽然认识到这个趋势，但各自为政，又由于自身相关技术积累薄弱和资金缺乏等因素的困扰，所以工作开展十分缓慢。综上所述，建议国家和政府行业主管部门应该就纤维复合材料轻量化技术在汽车上的集成应用，先在一二家大型自主品牌汽车企业适当投入，进行试点，取得成功经验后，统一规划，推广应用。通过项目开展，将可以打破国外技术垄断和封锁，突破碳纤维复合材料汽车零部件快速成形工艺技术瓶颈，形成快速制备碳纤维复合材料汽车零部件的批量生产能力，达到降低零部件生产周期和成本的目的——项目成果可以迅速在全行业推广，从而建立起先进复合材料“材料研发－原材料生产－零部件制造－整车集成应用－回收再利用”的全产业链

图3以塑代钢产业链

2结语

在汽车轻量化材料方面，呈现出多元化的发展趋势，单一的材料已不足以保证汽车的强度和刚度要求，因此，在未来汽车轻量化材料的解决方案中，更倾向于多种材料的组合，以充分利用各种材料的优势。此外，通过技术改进降低材料的成本，减少稀缺金属的使用量，提高材料的利用率，开发兼具更好环保性和可回收性的新材料，也是当前轻量化材料研究的热点和发展趋势。

在汽车轻量化制造工艺方面，我国与西方发达国家仍存在很大差距，主要体现在基础理论的研究和关键的技术的推广应用上，要实现我国汽车轻量化技术的跨越式发展，必须加大人力财力投入，攻克热成形、激光拼焊、液压成形等成形工艺目前所面临的技术难题。轻量化车身制造工艺正朝着多学科多领域快速发展，多种先进轻量化成形技术的复合，是目前汽车轻量化领域的一个研究热点。此外，节能、精密、柔性、绿色、信息化、智能化、系统化、集成化也是轻量化车身制造工艺发展的必然趋势。

参考文献

[1] 江海涛, 唐荻, 米振莉. 汽车用先进高强度钢的开发及应用进展[J]. 钢铁研究学报, 2007, 19(8): 1-6.

[2]叶平, 沈剑平, 王光耀, 等. 汽车轻量化用高强度钢现状及其发展趋势[J]. 机械工程材料, 2006, 30(3): 4-7.

[3]Geiger M, Hoffmann P, Deinzer G. Laser Applications in the Automotive Industry[J]. Automotive Automation Limited(UK),, 1992: 69-83.

[4]孙景林, 郭静. 镁合金在汽车轻量化方面的应用[J]. 轻金属, 2008 (7): 58-61.

[5]廖君. 车用铝合金轻量化材料[J]. 汽车工艺与材料, 2008 (2): 8-10.

[6]马鸣图, 魏莉霞, 朱丽娟. 塑料复合材料在汽车轻量化中的应用[J]. 化工新型材料, 2011, 39(11): 110-111.