鋼材PK鋁材 誰(shuí)將成為汽車輕量化的贏家？

    據(jù)外媒報(bào)道,如今各大車企紛紛繼續(xù)加大材料研發(fā)費(fèi),旨在研發(fā)新款合金及材料,同時(shí)提升其性能表現(xiàn).此外,車企還紛紛改善其最新的焊接及成形技術(shù),為各類材料及合金的制作提供支持.這類投入都有一個(gè)相同的目標(biāo):在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)降低排放量.由于汽車行業(yè)將要滿足越發(fā)嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn),最佳應(yīng)對(duì)方式無(wú)疑是減輕車身重量(輕量化).為此,需要結(jié)合使用各類鋁合金及高強(qiáng)度鋼、鎂、復(fù)合材料(如:碳纖維)及各類塑料.

    鋼材PK鋁材 誰(shuí)將成為汽車輕量化的贏家?

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    鋼材、鋁材行業(yè)的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)對(duì)

    由于對(duì)提升產(chǎn)量及生產(chǎn)效率的需求早有預(yù)料,從事鋼材、鋁材生產(chǎn)的軋制工業(yè)(rollingindustry)于近年內(nèi)加大投資力度,旨在提升其技術(shù).例如:美國(guó)鋁業(yè)公司(Alcoa)的最新技術(shù)突破是Micromill連鑄技術(shù)(continuouscastingtechnology),該技術(shù)可大幅降低成本,縮小高強(qiáng)度鋼與鋁質(zhì)車身薄板(ABS)間的差距.據(jù)該公司透露,該技術(shù)的生產(chǎn)速率更快,只需20分鐘就能將熔融金屬(moltenmetal)加工為鋁質(zhì)卷材.相較之下,若按傳統(tǒng)軋制工藝,則需要20天.該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步或?qū)⒃诹ν炜駷?刺激許多制造商也紛紛轉(zhuǎn)向ABS.

    未來(lái)汽車行業(yè)領(lǐng)軍材料的爭(zhēng)奪戰(zhàn)將在鋁材與鋼材之間打響.目前,鋁材在汽車應(yīng)用上的占比在不斷提升.而鋼材,則力圖憑借汽車用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的各類產(chǎn)品,與鋁材爭(zhēng)奪汽車材料的領(lǐng)軍位置.

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

    鋼材PK鋁材 誰(shuí)將成為汽車輕量化的贏家?

    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(ài)勵(lì)鋁業(yè)、Amag、肯聯(lián)鋁業(yè)等)均大力研發(fā)新款5xxx及6xxx車用鋁合金,并竭力提升其抗拉強(qiáng)度(性能提升了兩到三倍).與此同時(shí),上述制造商還不斷改善該材質(zhì)的其他性能(如:延展性、伸長(zhǎng)性).上述產(chǎn)品特性對(duì)汽車應(yīng)用而言,無(wú)疑是至關(guān)重要的.在大多數(shù)情況下,這類鋁合金將成為高強(qiáng)度7xxx鋁合金的替代品,其抗拉強(qiáng)度高達(dá)700MPa,且成本已大幅降低.

    汽車車身(白車身、發(fā)動(dòng)機(jī)罩/閥蓋、車門燈)的制造商們主要采用經(jīng)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(jìn)行了熱處理加工,AA6016或AA6111等熱處理鋁板的材料強(qiáng)度也得到了大幅提升.

    美國(guó)汽車研究中心的趨勢(shì)預(yù)測(cè)

    美國(guó)汽車研究中心(CAR)在2017年的一份最新報(bào)告中透露,其預(yù)計(jì)到2020年,高強(qiáng)度鋼的用量將達(dá)到峰值,占整車重量的近15%.等到2040年時(shí),該占比將逐步跌至近5%,屆時(shí)其他輕量化材料也將在汽車材料領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地.同時(shí),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(zhì)中,超高強(qiáng)度鋼(UHSSsteel)及鋁材在車輛中的用量將呈現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng),尤其是在安全設(shè)備類零部件中的應(yīng)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(yīng)用將呈現(xiàn)劇增態(tài)勢(shì).鎂的用量也將呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在儀表盤外梁上的應(yīng)用上表現(xiàn)特別明顯.碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)在汽車上的應(yīng)用也呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),但未來(lái)其增幅將放緩,該材料主要將被用于大多數(shù)強(qiáng)化部件,而非面板.據(jù)美國(guó)汽車研究中心預(yù)計(jì),截止至2030年,96%的汽車項(xiàng)目將考慮采用鋁材來(lái)制造白色車身及其相關(guān)應(yīng)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(duì)于車身而言,先進(jìn)高強(qiáng)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(jí).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(kāi)成本不談,各材料也有其獨(dú)有的材料特性.

    未來(lái),各大車企愿意為輕量化支付更高額的成本,因?yàn)榕欧欧ㄒ?guī)變得越發(fā)嚴(yán)苛,其他備選材料也面臨原材料枯竭的風(fēng)險(xiǎn),而電動(dòng)車的銷量也呈現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì).盡管在過(guò)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(yè)及各細(xì)分市場(chǎng)內(nèi)對(duì)應(yīng)的車型而異.據(jù)分析師們預(yù)計(jì),未來(lái)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(duì)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(jìn)高強(qiáng)度鋼(3rdGenAHSS)強(qiáng)勢(shì)崛起

    期盼已久的第三代高強(qiáng)度鋼即為人們所熟知的納米鋼(NanoSteel),目前亟待進(jìn)入汽車行業(yè).納米鋼的強(qiáng)度高,符合汽車工程師的要求(抗拉強(qiáng)度在1,000MPa以上),同時(shí)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(tài),使設(shè)計(jì)師們能夠制造結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的鋼板.

    通常,常規(guī)低碳鋼也能提供超強(qiáng)的延展性,但其強(qiáng)度不夠,上一代先進(jìn)高剛強(qiáng)度鋼則正好相反,其強(qiáng)度表現(xiàn)相當(dāng)出色,但延展性及延伸性不足.第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼彌補(bǔ)了此前的差距,同時(shí)兼顧了前度及延展性.

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

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

    盡管第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼在輕量化及成形性能方面占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì),可完勝前代產(chǎn)品,但最新款鋁材也表現(xiàn)不俗.許多較大型車輛均采用了鋁材,因?yàn)殇X材為汽車減重10-15%,而且可被加工為各種形狀,設(shè)計(jì)空間大.隨著時(shí)間的推移,第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼及超高強(qiáng)度鋼將在較小型車輛中保持其強(qiáng)勢(shì)地位.

    鋼材PK鋁材 誰(shuí)將成為汽車輕量化的贏家?

    此外,盡管第三代超高強(qiáng)度鋼仍處于研發(fā)階段,最新款的鋁材卻已經(jīng)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(yè)能否提供抗拉強(qiáng)度更大的金屬?zèng)]有直接相關(guān)性.

    燃油標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼材、鋁材的影響

    盡管特朗普總統(tǒng)最近重新評(píng)估了奧巴馬政府制定的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn),但該標(biāo)準(zhǔn)是否有利于美國(guó)車企目前尚無(wú)法確定.車企將繼續(xù)研發(fā)混動(dòng)車及電動(dòng)車,不管燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)是否嚴(yán)苛,他們都面臨為車輛減重的壓力.因?yàn)檐囕v的重量越輕,其油耗越少,用戶將因此而節(jié)省開(kāi)支.

    最后,若燃料排放標(biāo)準(zhǔn)被調(diào)低,要求較低的排放標(biāo)準(zhǔn)將使鋼鐵行業(yè)成為唯一獲益者,因?yàn)樵诿鎸?duì)鋁材及其他材料相比時(shí),鋼材仍保有其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).

    研究結(jié)論

    鋁材在汽車內(nèi)的應(yīng)用占比在不斷提高,汽車行業(yè)正致力于為車輛減重(輕量化),以滿足嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn).從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看(2025年以后),最有可能出現(xiàn)的情況是,車輛將采用多種材料,將各類先進(jìn)高強(qiáng)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(jié)省成本并提升性能.然而,與早前一度占據(jù)主導(dǎo)地位的低碳鋼相較,目前并沒(méi)有某種材料能在汽車行業(yè)占據(jù)一家獨(dú)大,占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位.人們對(duì)第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼期盼已久,將于2017年末/2018年初實(shí)現(xiàn)該材料在汽車應(yīng)用上的商業(yè)化,但該材料也只能取代上一代同類產(chǎn)品,卻無(wú)法替代鋁材.

    不過(guò)有一點(diǎn)是很清楚的,鋁材和鋼材(包括:先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼及超高強(qiáng)度鋼)在未來(lái)將共同占據(jù)汽車材料的主導(dǎo)地位,復(fù)合材料、鎂、塑料及其他材質(zhì)則相對(duì)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(lái)鋁材將在大型車(SUV、卡車、皮卡)的用材方面占據(jù)主導(dǎo)地位,而先進(jìn)高強(qiáng)度鋼將在小型車用材中占據(jù)主導(dǎo)地位.