據外媒報道,如今各大車企紛紛繼續加大材料研發費,旨在研發新款合金及材料,同時提升其性能表現.此外,車企還紛紛改善其最新的焊接及成形技術,為各類材料及合金的制作提供支持.這類投入都有一個相同的目標:在實現輕量化的同時降低排放量.由于汽車行業將要滿足越發嚴苛的排放標準,最佳應對方式無疑是減輕車身重量(輕量化).為此,需要結合使用各類鋁合金及高強度鋼、鎂、復合材料(如:碳纖維)及各類塑料.

    鋼材PK鋁材 誰將成為汽車輕量化的贏家?

    鋼材PK鋁材 誰將成為汽車輕量化的贏家?

    鋼材、鋁材行業的技術研發與應對

    由于對提升產量及生產效率的需求早有預料,從事鋼材、鋁材生產的軋制工業(rollingindustry)于近年內加大投資力度,旨在提升其技術.例如:美國鋁業公司(Alcoa)的最新技術突破是Micromill連鑄技術(continuouscastingtechnology),該技術可大幅降低成本,縮小高強度鋼與鋁質車身薄板(ABS)間的差距.據該公司透露,該技術的生產速率更快,只需20分鐘就能將熔融金屬(moltenmetal)加工為鋁質卷材.相較之下,若按傳統軋制工藝,則需要20天.該項技術進步或將在力挽狂瀾,刺激許多制造商也紛紛轉向ABS.

    未來汽車行業領軍材料的爭奪戰將在鋁材與鋼材之間打響.目前,鋁材在汽車應用上的占比在不斷提升.而鋼材,則力圖憑借汽車用先進高強度鋼(AHSS)的各類產品,與鋁材爭奪汽車材料的領軍位置.

    除涉及安全性的客艙(車頂縱梁、前后縱梁)等個別重要車輛區域外,目前車企已擁有采用鋁材制造整個白車身(未上漆的車身)的能力,其旨在實現大幅減重并提升車輛性能.

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    這也就解釋了為何所有主流車用鋁板制造商(如:諾貝麗斯、愛勵鋁業、Amag、肯聯鋁業等)均大力研發新款5xxx及6xxx車用鋁合金,并竭力提升其抗拉強度(性能提升了兩到三倍).與此同時,上述制造商還不斷改善該材質的其他性能(如:延展性、伸長性).上述產品特性對汽車應用而言,無疑是至關重要的.在大多數情況下,這類鋁合金將成為高強度7xxx鋁合金的替代品,其抗拉強度高達700MPa,且成本已大幅降低.

    汽車車身(白車身、發動機罩/閥蓋、車門燈)的制造商們主要采用經加工硬化的5xxx系鋁鎂(錳)合金及熱處理的6xxx系鋁鎂硅合金合金(AlMgSi-alloys).由于在軋制后進行了熱處理加工,AA6016或AA6111等熱處理鋁板的材料強度也得到了大幅提升.

    美國汽車研究中心的趨勢預測

    美國汽車研究中心(CAR)在2017年的一份最新報告中透露,其預計到2020年,高強度鋼的用量將達到峰值,占整車重量的近15%.等到2040年時,該占比將逐步跌至近5%,屆時其他輕量化材料也將在汽車材料領域內占據一席之地.同時,低碳鋼(mildsteel)在整車重量中的占比將從55%(歷史新高)跌至近5%.

    在重量較輕的材質中,超高強度鋼(UHSSsteel)及鋁材在車輛中的用量將呈現平穩增長,尤其是在安全設備類零部件中的應用,如車架等.第三代鋼材制品(3rdGenAHSS)的成形性能有所提升,該類鋼材的應用將呈現劇增態勢.鎂的用量也將呈現上升趨勢,在儀表盤外梁上的應用上表現特別明顯.碳纖維增強塑料(CFRP)在汽車上的應用也呈現增長態勢,但未來其增幅將放緩,該材料主要將被用于大多數強化部件,而非面板.據美國汽車研究中心預計,截止至2030年,96%的汽車項目將考慮采用鋁材來制造白色車身及其相關應用.

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    車企為減重(輕量化)而支付的材料成本將上升

    對于車身而言,先進高強度鋼(AHSS)的減重成本在2-1.5美元/千克,其減重成本主要取決于鋼材的類型與品級.鋁合金的減重成本在3-6美元/千克,鎂的減重成本在5-12美元/千克,碳纖維的減重成本在近16美元/千克.撇開成本不談,各材料也有其獨有的材料特性.

    未來,各大車企愿意為輕量化支付更高額的成本,因為排放法規變得越發嚴苛,其他備選材料也面臨原材料枯竭的風險,而電動車的銷量也呈現出上升態勢.盡管在過去,車企只愿意為車身減重而支付1-2美元/千克,如今他們支付的減重成本在4-12美元/千克,視各行業及各細分市場內對應的車型而異.據分析師們預計,未來各大車企將愿意支付20美元/千克的減重成本,但該上限值主要適用于豪車及高性能車輛.對車企而言,中檔豪車的可接受減重成本大致在5-15美元/千克,小型車的減重成本在3美元/千克.

    第三代先進高強度鋼(3rdGenAHSS)強勢崛起

    期盼已久的第三代高強度鋼即為人們所熟知的納米鋼(NanoSteel),目前亟待進入汽車行業.納米鋼的強度高,符合汽車工程師的要求(抗拉強度在1,000MPa以上),同時具有極佳的延展性及延伸性.上述特性使得該鋼材可被加工為任意幾何形態,使設計師們能夠制造結構超復雜的鋼板.

    通常,常規低碳鋼也能提供超強的延展性,但其強度不夠,上一代先進高剛強度鋼則正好相反,其強度表現相當出色,但延展性及延伸性不足.第三代先進高強度鋼彌補了此前的差距,同時兼顧了前度及延展性.

    最近,安塞樂米塔爾(ArcelorMittal)發布了首款第三代先進高強度鋼制品,可供冷沖壓加工,并為該款產品取名為HF1050.這是該公司今年發布的首款具有高成形性能的3rdGenAHSS產品.該材料的抗拉強度接近1200MPa,其測得的延展性達到伸長性的50%.

    與現有的雙相級鋼相比,這款新材料使得汽車零部件的減重幅度高達10-20%.起亞汽車最近在2017年日內瓦車展上發布了4款新車型,其中的全新起亞Picanto就采用了第三代先進高強度鋼.

    盡管第三代先進高強度鋼在輕量化及成形性能方面占據明顯的優勢,可完勝前代產品,但最新款鋁材也表現不俗.許多較大型車輛均采用了鋁材,因為鋁材為汽車減重10-15%,而且可被加工為各種形狀,設計空間大.隨著時間的推移,第三代先進高強度鋼及超高強度鋼將在較小型車輛中保持其強勢地位.

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    此外,盡管第三代超高強度鋼仍處于研發階段,最新款的鋁材卻已經投入使用.最后,隨著安全性能的提升,采用鋁材的車輛將更受青睞,這與鋼鐵行業能否提供抗拉強度更大的金屬沒有直接相關性.

    燃油標準對鋼材、鋁材的影響

    盡管特朗普總統最近重新評估了奧巴馬政府制定的燃油經濟性標準,但該標準是否有利于美國車企目前尚無法確定.車企將繼續研發混動車及電動車,不管燃油經濟性標準是否嚴苛,他們都面臨為車輛減重的壓力.因為車輛的重量越輕,其油耗越少,用戶將因此而節省開支.

    最后,若燃料排放標準被調低,要求較低的排放標準將使鋼鐵行業成為唯一獲益者,因為在面對鋁材及其他材料相比時,鋼材仍保有其競爭優勢.

    研究結論

    鋁材在汽車內的應用占比在不斷提高,汽車行業正致力于為車輛減重(輕量化),以滿足嚴苛的排放標準.從長遠角度看(2025年以后),最有可能出現的情況是,車輛將采用多種材料,將各類先進高強度鋼、鋁合金、碳纖維、鎂、塑料、低碳鋼將其他材料混合使用,既降低其重量,又能節省成本并提升性能.然而,與早前一度占據主導地位的低碳鋼相較,目前并沒有某種材料能在汽車行業占據一家獨大,占據絕對主導地位.人們對第三代先進高強度鋼期盼已久,將于2017年末/2018年初實現該材料在汽車應用上的商業化,但該材料也只能取代上一代同類產品,卻無法替代鋁材.

    不過有一點是很清楚的,鋁材和鋼材(包括:先進高強度鋼、第三代先進高強度鋼及超高強度鋼)在未來將共同占據汽車材料的主導地位,復合材料、鎂、塑料及其他材質則相對落后,材料的最佳配取決于使用目的與材料本身的特性.綜上所述,未來鋁材將在大型車(SUV、卡車、皮卡)的用材方面占據主導地位,而先進高強度鋼將在小型車用材中占據主導地位.