汽车车身轻量化材料的应用研究*

闫 辉

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

1 引言

随着全球汽车保有量的增加，汽车尾气排放已成为造成全球性温室效应及能源极度消耗的原因之一。各国为此制定了非常严格的燃油经济性指标，对汽车的排放提出越来越高的标准。汽车轻量化是解决节能减排的最佳途径之一。轻量化水平和工艺加工能力的进步和新材料的开发应用密切相关，汽车的轻量化也将随着节能减排和碰撞安全性的要求不断的深化发展。笔者分析了车身结构中材料轻量化的选用策略。对实现汽车节能减排具有重要的实用价值，对汽车车身的轻量化设计也具有重要的参考价值。

2 低强度钢的应用

传统车身汽车设计中，汽车车身钣金大多采用低强度IF钢或软钢等，它们的屈服强度一般在200MPa以下，具备良好的成型性能，生产成本较低，大多用于大型车身覆盖件类。

随着材料冶炼新技术的应用，高强度低合金钢HSLA、烘烤硬化钢HB、低碳和超低碳的含P钢、高强IF钢等高强度钢得到广泛应用，其屈服强度在210～550MPa之间，车身大部分构件均采用此类高强钢。

近年来屈服强度在550～1200MPa的超高强度钢板应用越来越广泛，如DP双相钢、相变诱导塑性钢TRIP、复相钢CP及马氏体钢M。采用超高强度钢板能有效降低车身钣金的厚度，提高零部件的疲劳特性，增强汽车部件在碰撞中的吸能性能。

高强度、超高强度的应用范围已从2000年的30%左右，提升到2006年的70%左右，近一两年有些车型高强度、超高强度的应用范围更是达到了85% 以上［1］。

侧围、顶盖、车门及前后盖作为车身覆盖件，除了满足造型要求外，还要具备一定的刚度和抗凹性。目前车身外覆盖件主要使用高强度IF钢、各向同性钢和一些低强度级别的双相钢系列如DP300/600、抗拉强度较高的烘烤硬化钢板，如BH钢板等。现在有些整车厂也有将抗拉强度在440MPa级的BH型高强度钢板用于车身外覆盖件。

车门、前后盖内板结构比外板复杂，因此要求内板采用成形性和深冲性能更为优良的钢材。内板多采用成形性和深冲性能优良的IF钢，少量使用IF增磷钢和TRIP钢，此类钢材的抗拉强度通常在180～340MPa范围内。图1为车身外覆盖件零件示意图。

图1 车身外覆盖件示意图

表1为上海汽车几款量产车型材料选用对比图。从表1可看出，车身覆盖件厚度大概在 0.6～0.8mm 这个区间，选用的材料相对较软，这主要和有些外覆盖件结构相对较为复杂，深度较大有关。如荣威350的侧围外板在整个Y向的深度大约为200多mm。

表1 上海汽车几款量产车型内外板材料对比

3 普通高强钢的应用

车身结构件对于整车性能和安全关系重大，又和车身轻量化密切相关，合理选用材料可有效降低车身重量。表2为普通高强度钢在上汽荣威350车型上的应用策略。

表2 上汽荣威350车型材料应用策略

车身结构件一般选用具有良好塑性的高强度钢。一些结构件、加强件等主要使用340～590MPa等级强度钢板;有些厂家甚至使用600～800MPa等级的钢材用于防撞梁、门槛加强板、A柱上边梁等重要结构件。个别厂家采用新工艺将390MPa、440MPa等级高强度钢板冲压成型后对强化部分进行高频加热和淬火，强化部位抗拉强度可达1000MPa以上。

由图2所示荣威350普通高强钢所占比重为50%强，软刚应用比例相对较高，这说明国内车身选材相对比较保守。但根据2008年欧洲车身年会相关资料显示，在欧美等发达国家汽车厂，高强度钢板的应用比重已在80%以上。如图3所示2008款Passat CC［2］高强钢的应用比重已达到81%，这都可以有效的降低整车的重量。

图2 荣威350不同材料牌号所占比重饼图

图3 Passat CC不同材料牌号所占比重饼图

4 超高强度钢材的应用

超高强度钢板在常温下的屈服强度为500～600MPa，加热使之奥氏体化后，迅速送入带有冷却系统的模具内冲压成型，同时被模具冷却淬火，如图4所示。其微观组织由奥氏体转变成马氏体，发生了相变硬化，强度可提高三倍以上达到1500～2000MPa，用于超高强度冲压件生产。

图4 超高强度钢板的产生流程一

另外也可以先进行冷冲压，成形出大部分形状后，进行激光切割出基本零件形状，再加热到950°左右放入模具中整形及冷却硬化，最后再做表面处理等，如图5所示。

图5 超高强度钢板的产生流程二

这种热成型技术由于具有很好的强度，可用于生产轻量且具有超高强度的结构件，并且高温下成形无回弹，零件精度高，能一次成形出冷冲压无法成形的复杂零件。由于热成型技术具有这种优良的特点，目前在各大整车厂广泛应用。图3中Passat CC的热成型板材使用比例达到16%。

通过使用热成型技术，可减薄料厚及优化结构有效地降低重量。如新款Polo A柱上边梁［3］和B柱加强板材料热成型技术，取消了老款车型中B柱第二加强板和几个支架降低了8kg重量，同时有效的提高了侧碰性能，如图6所示。

图6 新款Polo热成型材料应用

同样Passat CC B柱加强板使用热成型及激光拼焊技术，通过取消零件和减薄料厚可有效减轻重量1.8kg，如图7 所示。

图7 Passat CC热成型及激光拼焊使用

5 轻质铝合金材料的应用

近年来镁、铝、钛等轻质合金的应用越来越广泛。因其具有材料密度小这一特性，能够克服材料最小加工厚度的限制，可进一步降低部件质量。其耐腐蚀性、导热性、吸能性较好易于回收再利用，但成本较高，加工、焊接、铆接工艺难度较大。目前汽车防撞梁、仪表板骨架、发动机罩、行李箱盖等零件广泛使用这种轻质材料［4-5］。

6 结论

汽车轻量化研究结果表明，钢厂技术创新，特别是一些高强度钢和新型加工技术的应用，对于汽车企业安全、环保及低廉的汽车有很大的积极意义。笔者详细分析了各种材料在汽车车身中的应用，对实现汽车轻量化选材具和对汽车车身的轻量化设计都具有一定的参考价值。

［1］ 程振彪.世界汽车轻量化新进展及新型材料的研发应用［J］.世界汽车，2002(6):11-12.

［2］ 陈 军.镁合金在汽车工业中的应用分析［J］.材料研究与应用，2010(6):81-84.

［3］ 冯美斌.汽车轻量化技术中心材料的发展及应用［J］.汽车工程，2006(3):213-220.

［4］ 敖炳秋.轻量化汽车材料技术的最新动态［J］.汽车工艺与材料，2002(3):8-9.

［5］ 廖 君.汽车轻量化技术发展的探讨［J］.机械，2009(1):4-7.