汽车轻量化材料及工艺的研究进展

钱余海　吴庆芳　雷 浩

汽车轻量化材料及工艺的研究进展

钱余海1,2吴庆芳1,2雷 浩1,2

（1.山东铝谷产业技术研究院有限公司，山东 邹平 256200；2.铝谷产业技术研究院，山东 邹平 256200）

在节能减排、降低能耗的需求驱动下，汽车轻量化代表着当前汽车的发展方向，成为世界各国汽车工业竞相发展的目标。文章简要介绍了铝合金、镁合金、高强钢等典型汽车轻量化材料的性能特点及在汽车零部件上的应用，同时从结构优化设计以及轻量化工艺等方面系统阐述了汽车轻量化的发展状况。

汽车轻量化；轻量化设计；轻量化工艺

引言

世界经济的高速发展带来能源短缺和环境污染等日益严峻的问题，节能环保、绿色可持续发展倍受关注。在实现碳达峰和碳中和目标的目标牵引和内生需求驱动下，产业结构的调整和新兴产业的扶持势在必行。除大力发展以氢能、太阳能、风能为代表的清洁能源产业以外，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最为有效的措施之一。已有研究表明[1]，汽车每减轻10%，可节省燃油6%～8%，提高燃油效率5.5%，降低排放4%。

目前，在保证安全性、舒适性和可操作性的前提条件下，汽车轻量化技术已经成为世界汽车工业发展的潮流和发展趋势[2]。世界各国相继出台的燃油消耗量及汽车排放限制政策使得汽车轻量化技术成为未来汽车设计的核心，汽车轻量化被相继纳入各国法律法规。2019年，我国出台《乘用车燃料消耗量限值》国家标准，以期提高能源利用率，并促进汽车轻量化的发展。在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划中也强调了“轻量化仍然是重中之重”。“轻量化”已经成为国家汽车工业发展的重要战略需求。材料的合理选择及结构优化设计是实现轻量化的根本前提。本文简要介绍了铝合金、镁合金及先进高强钢等典型汽车轻量化金属材料的性能特点及其在汽车零部件上的应用，同时结合结构优化设计以及轻量化工艺等方面系统阐述了当前汽车轻量化技术的发展状况。

1　典型汽车轻量化材料

1.1　铝合金

世界铝业看中国，中国是铝土矿进口及原铝产出大国。近10年来，我国铝产量持续增长，2020年中国电解铝产量占据全球57.18%。铝合金具有密度低、比强度高、弹性好、导热性好、耐磨耐腐蚀性好、易加工、回收率高等诸多性能特点，是汽车工业应用最为广泛的轻量化材料[3]。随着铝冶炼水平及加工技术的不断进步，汽车用铝量和铝在汽车材料构成比中所占份额均显著增加，铝合金零部件已广泛地应用于汽车发动机、底盘甚至车身等各个部位，甚至已有全铝汽车面世。

铝合金主要包括变形铝合金和铸造铝合金，同时根据合金元素的种类及含量将铝合金分为1－8系列。在各类常用的合金元素中，只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li等在铸造铝合金生产中具有重要意义。铝铸件广泛应用于汽车工业，例如在日本，汽车结构及零部件铝铸件的比例高达70%以上，主要包括发动机及其附件、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。然而，铝铸件中易于产生缩松、缩孔等各类缺陷且不能进行热处理强化，铸造锻造法和半固态成型法将是未来应用更多的工艺。

变形铝合金主要是指采用变形加工工艺制备的铝合金，主要包括板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等[4]。目前铝合金在车身零部件上的应用正处于高速增长期，如日本本田NSX全铝承载式车身的铝散热器等。

对于汽车而言，车身的用材量最大，甚至占汽车总质量的近1/3，因此汽车车身的轻量化意义重大。在常用铝合金汽车车身板中，2XXX系可热处理强化型铝合金属于Al-Cu-Mg系，它具有锻造性、焊接性、成形性优良的特点，同时强度较高，但存在抗腐蚀性能差和烘烤硬化能力低等缺点，主要用于汽车内板。目前2036合金和2022合金已部分用于汽车车身板；以Al-Mg成分为基础的 5XXX系铝合金是非热处理强化合金，合金元素Mg的固溶强化效应使其兼具普通碳钢的性能优点，同时具有良好的抗腐蚀性和焊接性，多用于车身内板等形状复杂的部位；6XXX系Al-Mg-Si(-Cu)合金是可热处理强化合金，强度高，塑性好，具有优良的耐腐蚀性能，具有良好的成形性、烘烤硬化性，综合性能良好，广泛应用于汽车面板等领域[5,6]。美国20世纪70年代已成功研制了牌号为6009和6010汽车车身板用铝合金，它们具有良好的塑性和成形性能，经喷漆烘烤处理后再利用人工时效强化可进一步提高强度，目前广泛应用于汽车的内外层壁板。

1.2　镁合金

我国有丰富的镁资源，菱镁矿开采技术成熟，镁的回收率高且回收无污染等特点促进了镁的大量应用。作为最轻的金属结构材料，镁和添加了各类合金元素的镁合金具有密度低、阻尼和减震性能高、比强度和比刚度高等突出的性能优势。然而，镁的晶体为密排六方结构，致使镁合金室温条件下独立的滑移系少于5个，因此难以变形，成型和加工性能差。

在汽车结构件上应用镁合金可取得极其理想的减重效果：用镁替代传统的锌制转向柱上支架可实现减重65%；镁制转向轮芯相较于传统的钢制件降重45%；全镁气缸盖的制作较现行的铝合金降重30%；利用镁铸件制作的制动踏板支架较传统的钢制品减重达40%，同时其刚性也得以改善。

由于镁合金变形困难，加工性能差，因此在汽车工业中多以压铸件的形式进行应用。车轮轮辋镁铸件最早应用于汽车上的构件，目前镁合金主要应用于汽车的壳体类和支架类零件上，如座椅架、仪表盘、变速箱体、转向支架、刹车支架等[7,8]，但应用范围多局限于高级车辆，多属于示范性应用。

尽管有诸多的性能优势，然而在自然环境中镁合金极易发生腐蚀，目前尚未建立长期有效的防腐蚀技术。另外，针对镁合金的性能测试数据相对较少，镁合金零件设计及使用经验不足，成本太高，高温疲劳性能较差和抗蠕变能力弱等均成为限制镁合金应用的技术瓶颈，因此镁合金目前尚难以大规模应用于汽车轻量化领域[9]。

1.3　高强及超高强钢

持续开发新型高性能材料，通过增强汽车构件强度与性能来提高安全指数，是汽车行业发展的共同理念。相比于普通钢，高强及超高强钢的强度高，可增强汽车的安全性、覆盖件的抗凹性，在保证强度要求的前提下由于板厚减薄达到汽车结构轻量化的目的[10,11]。新一代汽车用先进高强钢运用综合强化技术进一步提高其力学性能，主要包括双相钢（DP钢）[12]、复相钢（CP钢）[13]、相变诱导塑性钢（TRIP钢）[14]、马氏体钢（MS钢）[15]、淬火延性钢（QP钢）[16]、孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）[17]和硼钢（B钢）[18]等。

双相钢（DP钢）的显微组织为两相，基本构成为铁素体（F）+贝氏体（B）或铁素体（F）+马氏体（M）。其中铁素体是软相，可保证良好的塑性和成型性，而贝氏体/马氏体是硬脆相，可使钢的强度提高。双相钢具有诸多的性能优势：如不发生屈服延伸，不产生室温时效，特别是具有低屈强比、高加工硬化指数和高烘烤硬化值等特点，目前广泛应用于汽车结构类零件、汽车承重受力结构件、加强件和防撞件等。

复相钢（CP钢）主要由铁素体/贝氏体构成，同时含有少量的马氏体、残余奥氏体和珠光体，复相钢的晶粒细小，兼具高的强度和韧性，特别是其抗拉强度较高。CP钢的屈服强度明显高于同强度级别的双相钢，弯曲成型性能、翻边成形性能和扩孔性能良好，同时具有高能量吸收能力，因此CP钢可应用于底盘悬挂件、B柱、保险杠、座椅滑轨等汽车零部件。

在微观结构上，相变诱导塑性钢（也称为TRIP钢）由铁素体、马氏体（贝氏体）和残余奥氏体构成。TRIP钢板内部可吸收汽车碰撞过程中瞬间发生大形变而产生的机械能，同时结合原来显微组织中残余奥氏体中储存的内能，将部分残余奥氏体直接诱发转变为马氏体，从而通过相变过程起到强化作用。特别是，在加工成形过程中，TRIP钢显微组织中所含的相对较软的残余奥氏体逐渐转变为硬而脆的马氏体，从而保证其具有良好的成形性能和均匀变形性能，同时还具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高n值等独特特点。结构相对复杂的B柱加强板、前纵梁等汽车零部件等多采用TRIP钢制作。

马氏体钢（MS钢）的屈强比高、抗拉强度高、延伸率相对较低，同时具有高碰撞吸收能、高强度塑性积和高n值（与相变诱导塑性钢相似），但MS钢具有延迟开裂的倾向，在应用过程中应当高度注意这一不利因素。汽车的保险杠、门槛加强板和侧门内的防撞杆等辊压成形零件多由MS钢制作，特别适合于简单冷冲压零件和截面相对单一的部件。

孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）是第二代先进高强钢的典型代表，它的化学成分为18%Mn-3%Si-3%Al（wt.%）。在形变过程中奥氏体相可发生变化而形成机械挛晶，可有效地吸收碰撞过程中的能量，同时通过孪晶诱发的动态细化作用，确保TWIP钢具有极高的加工硬化能力。超高强度和超高塑性是TWIP钢的突出性能特点，全奥氏体微观组织结构的TWIP钢兼具优异的成形性能和超高强度，因此对材料拉延和胀形性能要求很高的汽车零部件通常应用TWIP钢制作。

第三代先进高强淬火延性钢（QP钢）综合性能优良，具有高强高塑性，其强塑积远远超过第一代和第二代先进高强钢。QP钢由铁素体、马氏体和奥氏体构成，其热处理工艺为：先通过淬火处理形成一定数量的马氏体后，然垕进行二次加热，此时马氏体中的碳原子向残留奥氏体内扩散，有利于提高其稳定性。QP钢的显微组织结构决定其具有良好的加工硬化能力，它的塑性和成形性能均远远高于同级别的超高强钢。QP钢主要用于形状较为复杂的汽车安全件和结构件，如A柱、B柱的加强件等。

硼钢（B钢）中的B元素可提高钢的淬透性，使得钢的组织和性能更为均匀。B钢的抗拉强度极其高（达1500 MPa以上），可有效提高碰撞性能。另外，由于强度高可最大化减薄结构件的厚度，实现车身轻量化。B钢具有零件形状复杂、成形性好、尺寸精度高等优点，主要用于制作各种汽车安全结构件。

2　轻量化结构优化设计

对原有结构件进行轻质材料的简单替代仅仅是实现汽车轻量化的初级阶段，而实现轻量化的关键前提是进行合理的轻量化结构设计[19,20]。更为具体地，汽车轻量化结构设计必须从整车的角度进行全方位的考虑，它同时包括汽车整体车身的拓扑优化设计和尺寸形状再优化设计。具体而言，拓扑优化设计运用多种综合分析技术和方法更为合理地优化各类材料的分布形式和连接方式，重点侧重于从宏观的层面通过零部件的薄壁化和中空化设计手段来实现车身整体结构的轻量化。通常是在完成拓扑优化设计的前提条件下下一步再进行尺寸和形状的优化设计，主要是通过对几何形状和尺寸、横截面积、节点位置等参数进行再次优化，目的是在维持基本刚度不发生变化的条件下达到轻量化的目的。

在进行轻量化结构优化设计的过程中，自然界中的仿生学原理为其提供了良好的借鉴：在生物界的长期进化过程中，保持一定刚度的前提下一些生物体在生态构造上形成了重量轻、寿命长的特点。自然界进化规律使得材料总是遵循轻量化的原则：如从动物骨胳和植物杆径的横截面可以看出，材料总是遵循物尽其能的原则进行最为合理的分布：在承受载荷较大的部位优先生长材料，而在受载很小的部位则材料分布相应地最少。因此，自然界仿生学从造型、拓扑和构造等多方面为汽车轻量化的优化设计提供了参考，即可指导结构的优化设计。大量的实践过程表明，车身及车体结构完全可以遵循自然法则进行智能化和轻量化设计。

在汽车轻量化结构优化设计方面一般应遵循如下基本原则：确保尽量直接的力导入与力平衡；尽可能地将惯性矩与阻力矩最大化；保证构件具有轻盈的结构；充分发挥曲率的自然支承作用；为了确保安全和可靠性，需要对结构件的主承载方向进行加固设计；必须优先遵循一体化原则；在设计过程中合理地引入空腔结构实现进一步的减重等。

3　汽车轻量化工艺简介

轻量化工艺是实现材料选择及结构设计的终极之路，也是实现轻量化的必由之路，在一定程度上直接决定轻量化能否实现[21]。近年来，广泛应用的典型的轻量化工艺主要包括以下方面。

自冲铆接：是铝合金连接的重要方法之一，它的工作原理是将一个典型的半管状铆钉推入材料的目标堆中，在此期间材料和铆钉的塑性变形使得材料堆内形成机械锁[22]。自冲铆接的工艺过程可以可分为夹紧阶段、刺穿阶段、扩张阶段、铆接完成四个阶段。自冲铆接工艺因具备适应性好、成型快、易加工等优点而取得快速发展，被广泛应用于不易进行焊接的板材连接，对于实现轻量化制作意义重大。

热熔钻：热熔钻也称热钻，是一项革命性的加工新技术，它改变了传统钻孔紧固工序的工艺，使得以往加工过程中的难题——薄板薄管的攻牙紧固在瞬间即可完成。该工艺已经取代钻孔、焊接螺母和压铆螺母。热熔钻螺钉可以实现单面施工，在钣金与挤压型材的腔体连接或者无法双面施工的情况下发挥了必要的作用。

热冲压成型：是国际上近年来出现的一项专门用于超高强度钢板冲压件加工成型的先进制造技术，也是汽车冲压件制造领域内的先进技术，热成型工艺在车身结构件上应用越来越广泛，如A柱、B柱、侧围上边梁、中央通道等。

液压成型工艺：液压成型工艺在板材成型过程中以液体代替或者辅助成型。液压拉伸成型通过在凹模中充加液体，液压室作用在液体上的压力会将毛坯和凸模紧密结合，有利地保证成型的精确性。此外，液体具有润滑作用，可减小成型过程中的摩擦阻力，有利于提高成型极限，避免各种局部缺陷的产生。

激光拼焊：采用先进的激光技术及设备，将一定数量的不同材质、厚度、涂层的钢材、铝合金等材料通过自动拼合和焊接组成一块整体板材，通过冲压制造成为零部件。这一技术是基于激光焊接技术的成熟发展及应用而衍生出的现代加工工艺技术，其主要的特点是不需要填料，焊接速度较快和质量较高，同时可保证焊接效果的精准性。

粉末注射成形：是将粉末冶金与塑料注射成形相结合而形成的一种全新的近净成形工艺。与其他材料加工方式相比，它的材料利用率高，并可实现中小形状复杂结构件的大批量生产，尤其是针对一些形状复杂且利用传统机械加工等工艺方法难以加工的高性能小型零部件，因此，广泛适用于铝及铝合金复杂结构件成形。

4　结束语

减重、节能、降耗的技术需求使汽车轻量化技术日趋重要。轻量化已经成为乘用车行业提高核心竞争力的现实需求，代表着汽车工业的发展方向。在材料体系的选择和应用方面，充分发挥各种材料的性能优势，发展多材料体系混合共用的策略是实现轻量化的最终途径。同时，汽车轻量化技术的发展必须综合考虑轻量化材料的选择、结构的合理设计以及轻量化加工工艺。

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Research Progress of Automobile Lightweight Materials and Technology

Driven by the demand for energy conservation, emission reduction and energy consumption reduction, automobile lightweight represents the current development direction of automobile and has become the competitive development goal of automobile industry all over the world. This paper briefly introduces the performance characteristics of typical automobile lightweight materials such as aluminum alloy, magnesium alloy and high-strength steel and their application in automobile parts. At the same time, the development of automobile lightweight is systematically described from the aspects of structural optimization design and lightweight technology.

automobile lightweight; lightweight design; lightweight process

U465

A

1008-1151(2022)02-0049-04

2021-12-19

钱余海（1973－），男，山东临沂人，山东铝谷产业技术研究院有限公司/铝谷产业技术研究院高级工程师，工学博士，从事铝产业科技研发和技术管理工作。