汽车轻量化用金属材料及其发展动态

汽车轻量化用金属材料及其发展动态

许珞萍  邵光杰  李麟  张恒华

摘要：着重对国内外汽车轻量化所用的先进铝合金、高强度钢板（TRIP板）、铝合金半固态成形技术及其发展动态进行了概括。

关键词：汽车轻量化  铝合金  高强度钢板  半固态成形

1、引言

1.1 汽车轻量化的意义

汽车工业是我国国民经济的支柱产业，因此汽车工业的每一次科技进步，都会带来显著的经济和社会效益。降低能耗、减少环境污染以及节约有限资源是当今人们所面临的一个十分重要而紧迫的问题，减轻汽车自重是提高汽车的燃油经济性、节约能耗的重要措施之一，为此近年来，西方等发达国家的汽车制造厂商争相加速汽车轻量化的步伐，以适应市场和社会提出的多样化要求。

表1  典型美国中型轿车耗材量（单位：kg/辆车）

1.2 金属材料在汽车工业中的地位

在汽车工业所应用的材料中，无论是从数量、重量，还是从零件的技术要求程度来看，金属材料都具有极其重要的地位。表1是美国典型中型轿车的耗材情况。

从表1可知：

（1）尽管非金属材料应用的数量与重量逐年增加，但目前金属材料在汽车中使用量仍然占有较高的比例。

（2）随着汽车轻量化的进展，铝合金、镁合金以及高强度钢等材料由于比强度高，其使用量增幅是最明显的。

（3）从1977-1997年汽车用材的变化情况来看，镁合金使用量尽管增幅最大（493%），但因为原来基数较低，如1977年仅用0.46kg/辆，到1997年净增量仅为2kg，与铝合金相比还差25倍。同时由于镁合金生产工艺更复杂，成本更高，强度也不及铝合金，因而镁合金总体用量还是比铝合金少得多。

综上所述，在汽车轻量化过程中，铝合金、高强度钢等材料起着至关重要的作用，为此下面着重就铝合金、高强度钢等材料的种类、作用、先进的制备工艺及其应用情况或潜力等进行综述。

2、汽车用铝合金新材料及新方法

2.1 铝合金新材料和新技术

自中东石油危机以来，汽车铝合金的开发与应用受到各国政府的广泛关注，并在人力、物力及财力上给予大力的支持，铝合金在汽车中的使用量也呈逐年上升趋势，表2是美国、日本、法国等国汽车工业使用的铝量。

表2  发达国家汽车制造业每辆车使用的铝合金量

注：表中括号数据为铝合金用量占金属材料总量的百分比。

为了能增加铝合金材料在汽车工业中的使用量，各国都在努力探索研究新的铝合金材料及加工技术。如目前国际广泛关注和应用的先进铝合金加工工艺――“铝合金半固态成形技术”就是重要的一种新技术，用该技术生产出来的铸造铝合金汽车零件组织致密、性能优异，且属于近终态成形。另外我们也可以采用新的工艺来增加变形铝合金在汽车工业的使用量。

2.2 高强度高韧性铝合金的开发研究

研制开发高强度高韧性铝合金，大致从以下几个方面进行。

2.1.1 Al-Cu-Mg（2000系列）合金

对于该系统铝合金可以通过降低Fe、Si杂质元素，减少（Fe、Mn）Al₆、（Fe、Mn）₃Cual₂等脆性粗大第二相粒子，来提高合金的断裂韧性和材料的横向性能。另一方面还可以通过调整合金元素配比及添加微量元素，如添加过渡族元素Zr来提高合金的抗裂纹扩展性能。

2.2.2 Al-Zn-Mg-Cu（7000系列）合金

对于该系列合金，可通过降低杂质元素，合理添加Cr、Zr元素，减少粗大第二相粒子，来提高断裂韧性，改善应力腐蚀性能。

2.2.3 Al-Mg-Si（6000系列）合金

对该系列合金，可通过添加少量多种合金元素，如Cr、Ti、Zr来细化晶粒，改变再结晶状态，提高材料的强度和疲劳性能。

2.3 铝基复合材料

国外自60年代以来，就对增强大型铝基复合材料进行了大量的研究工作，发展了多种连续纤维增强铝基复合材料。虽然它们有很好的力学性能，但是由于制造工艺复杂，成本太高，在工业上未得到大量的应用。

80年代以来，颗粒、晶须等非连续增强铝基复合材料受到人们的重视，它们可以采用粉末冶金法、搅拌熔铸法、熔体浸渗法等技术制备。目前有两类颗粒增强铝基复合材料已投放高层：（1）SiC颗粒增强铸造铝合金（A356或A357）复合材料；（2）用Al₂O₃颗粒增强变形铝合金（606或2014）复合材料。颗粒增强铝基复合材料的抗拉强度虽然没有连续纤维增强铝基复合材料那样高，但是它们的硬度、耐磨性能、抗压强度、高温屈服强度要高很多。颗粒增强铝基复合材料制造工艺比较简单，可以用传统的加工方法加工成材，价格上具有竞争力，因而有很大的应用潜力，它们除用于航空航天工业和军事工业外，还可以制造汽车的汽缸体、活塞、刹车摩擦件上。

2.4 改进熔铸工艺，提高铸锭质量

为了提高铝合金材料的性能，制铝工业在铝的生产工艺上实行了许多重大的技术革新。如在合金成分配制方法上采用金属添加剂取代传统的部分中间合金，使合金成分控制得更加准确、均匀。采用SNIF法、ALPUR法、RDU法、MINT法、泡沫陶瓷等在铸造生产线上净化铝合金液体的新技术，使铝合金熔体中的氢含量降低至0.04-0.07ml/100g，10μm以上尺寸的夹杂物全部除去。采用在线细化晶粒技术，细化铝合金铸锭晶粒组织等。

2.5 改进热处理工艺，提高铝合金使用性能

人们为了提高铝合金的力学性能指标，常对铝合金施加固溶与时效热处理工艺，但材料经热处理后，其抗应力腐蚀和抗剥落性能并不理想。为此英、美、日、加等国家的材料工作者开展旨在改善铝合金综合性能的固溶-再时效处理技术（RRA）研究。将原来铝合金T6处理改为RRA处理，使在晶界分布的连续链状的析出相改变成不连续的非共格析出相。RRA处理后的铝合金既有T6状态的强度，又有较好的抗腐蚀能力，美国已根据RRA处理为基础，制定了工艺规范，并作为企业机密。

2.6 铝合金车身制造工艺（AVT）

铝合金轿车车身制造工艺（Aluminum Vehicle Technology）简称AVT工艺，AVT工艺是从航空工业移值过来的，是一种加工铝合金薄板复杂工件的连续工艺。汽车厂利用现有的冲制钢板车身的生产线可制造铝合金车身。

AVT系统的第一步是对铝带卷开卷后进行预处理，喷涂一层均匀的特种润滑油，然后用传统的冲制工艺将带材冲压成车身板，由机器人将车身板胶粘成车身组合块，最终由点焊或机械连接将车身组合块组装成整车车身。

AVT系统生产的汽车除了重量轻，能耗低，安全性好，变速反应快等优点外还有如下特点：

（1）车身组合块是由强力树脂胶粘结而成，粘接极为牢固，与传统的钢车身相比，组装焊接工作量减少50%。

（2）AVT系统既用胶粘又用焊接组装，因此刚度很高，与钢结构相比减重50%，而刚度反而提高30%-50%。

（3）AVT系统生产的汽车重量轻、刚度高，其自然振动频率大，能提高行驶性能，降低噪声。

（4）AVT工艺是目前制造全铝车身结构最先进的工艺，适合于生产能力较大的汽车制造厂。

3、铝合金半固态成形技术及其应用

3.1 金属半固态成形意义及分类

金属半固态成形意义及分类

金属半固态成形技术（SSM）是由美国麻省理工学院Flemings教授等于20世纪70年代初发明的，金属半固态成形技术是介于传统的固态成形（锻造）和液态成形（铸）之间的一种金属成形新技术，它既有锻造成形材料的致密性和力学性能，又有铸造成形工艺良好的复杂形状的成形性，被称为21世纪新一代的金属成形制造技术，受到世界发达国家的普遍重视。半固态成形技术由于可以后制备致密性能优良的铝合金部件，它的近终形加工方式又可以减少机加工量，因此在汽车零部件的生产制造业中引起广泛的兴趣。经过30多年的研究和开发，目前，铝、镁合金的半固态成形技术在西方发达国家已进入工业应用的成长期。国外的研究开发和生产表明，汽车工业中轿车、轻型车的转向节、泵体、转向器壳体、阀体、一些悬挂支架件和轮毂等高强度、高致密度、高可靠性要求的铸件，采用半固态成形可以实现产品的低成本高产出及高质量。

3.1.1 两种半固态成形过程

（1）金属半固态流变成形（Rheoforming）

（2）金属半固态触变成形（Thixoforming）

金属半固态流变成形指在液态金属的凝固过程中进行强烈的搅拌，充分打碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料（固相组分一般为50%），即流变浆料，再利用这种流变浆料直接进行成形的一种加工工艺。如果将流变浆料凝固成铸锭，再按需要将此金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热至半固态，再进行成形加工，这种方法称之为金属半固态触变成形。金属半固态流变成形和触变成形统称为金属半固态成形技术。由于金属半固态流变成形在浆料的运输上存在很多困难，因此在实际工业生产中，主要采用触变成形工艺。金属半固态触变行为是指表观粘度与剪切时间的依赖关系，它表征了半固态浆液的依时行为，即剪切作用下合金液的表观粘度随时间连续下降，静止时表观粘度又随之恢复的性能称为该材料的触变性。

3.1.2 半固态成形方式

半固态成形方式有以下几种：

（1）半固态压铸成形；（2）半固态挤压成形；（3）半固态锻造成形；（4）半固态轧制成形；（5）半固态注射成形等。

3.2 金属半固态成形的优缺点

与传统液态成形工艺相比，半固态成形技术具有如下优点：

（1）应用范围广泛，具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。

（2）SSM充形平衡，铸件尺寸精度高。可以做到少或无切削加工。

（3）半固态成形工艺减轻对模具的热冲击，使其寿命大幅度提高。

（4）SSM成形件表面平整光滑，组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高。

（5）与固态金属模锻相比，SSM的流动应力低，可以成形复杂零件。

（6）半固态加工与普通铝合金铸造相比，节能30%左右。

3.3 国外的发展情况

自从70年代初美国麻省理工学院开发出半固态加工技术以来，半固态成形技术在国外已经历30余年的研究和发展，迄今为止，已经召开了六次有关金属半固态的国际会议。特别是1992年专利开放以来，该技术得到了普遍的重视，被称为21世纪的先进成形技术，其中铝合金半固态成形技术在发达国家已进入了工业应用阶段，并已开始批量投产于汽车零件

3.4 国内的发展情况

我国从20世纪80年代后期开始，先后有不少高校和科研机构开展了这方面的研究，譬如，北京科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京有色金属研究总院等。他们在金属半固态加工技术的基础理论研究中，取得了可喜进步，但尚未见到产业化方面的报导。

上海大学与上海汽车工业总公司及上海汇众汽车制造有限公司在该领域开展了较多的研究工作，先后完成或正在承担国家、上海市等多项重大攻关项目。目前已能开发出不同规格、不同尺寸非树枝晶铝合金坯料，其组织性能达到国际同类产品的水平。同时形成了批量的生产和新产品开发能力，如Al-Si纳米晶促变形核法制备非树枝晶铝合金坯的方法已申请专利。另一方面上海大学还拥有铝合金半固态成形所需的大型、多工位感应加热设备及大型、开环控制的半固态成形设备，并且对铝合金半固态成形零件的成形工艺、组织性能等进行较为系统的研究，为下一步半固态成形技术的工业应用奠定了较轧实的基础。

综观国内的研究与发展水平，和国外相比还有一定的差距，特别是在生产应用方面几乎是空白，因此，加强国内半固态成形技术的研究，特别是有关的应用研究是十分必要的。

4、汽车用高强度钢板（TRIP钢）应用研究

4.1 HSS钢国内外最新研究动态

汽车减重另一个重要手段是采用高强度钢（HSS钢，High Strength Steel）来代替原先使用的普碳钢。原先汽车所用的普碳钢，其屈服强度仅为140MPa左右，而采用HSS钢后，其屈服强度的下限为241MPa。由于强度提高，按等强度转换原则，钢板的厚度就可削减，自然可大大减少钢材总量。据北美汽车行业协会统计，一辆普通轿车（相当于上汽总公司生产的桑塔纳车级别）普碳钢用量和所用各种材料总量从77年至99年的变化很大，HSS钢和铝合金用量呈逐年增加趋势。在这二十多年内单车的普碳钢用量下降600kg，车身总重下降了400kg，在1999年一年HSS钢的用量为1997年的2.6倍。据他们分析，铸铁用量下降的原因是由于汽缸活塞的材料为铝合金取代，整车重量下降的另一个主要原因是HSS钢的广泛应用。钢材仍是汽车用材的一辆典型的北美汽车重量的55%为钢材。在1999年，一辆典型2000型车的钢材用量仍占有很大的比例。

为了迎接来自各方面的挑战和压力，由美国汽车行业协会牵头，联合各大汽车公司与钢铁公司组成了汽车/钢铁合股伙伴关系（Auto/Steel Partnership），投资2200万美元，共同研究开发超轻钢材车身，项目名称为ULSAB（Ultra Light Steel Auto Body）。此项目有十七个国家，三十多家公司参加，我国宝钢集团最近也参加了该项目，成为该项目中唯一一家中国钢铁公司。项目要求研制超轻钢材车身，经研究论证后决定，采用90%的HSS钢做车体，以实现项目目标。

目前此项目已扩张成ULSAB-AVC，AVC即是概念先进车（Advanced Vehicle Concepts）。根据新项目“概念先进车超轻钢车身”的内容，前后悬挂、引擎传动及各种结构件和安全构件总成均被包括在研制范围内。原ULSAB项目HSS钢的抗拉强度为800MPa，而ULSAB-AVC项目HSS钢的强度为1200MPa，也即要求以高强度钢来制造汽车。

4.2 相变诱发塑性钢（TRIP钢）及其研制进度

作为未来汽车生产（ULSAB-AVC，超级车或家庭轿车）重要材料的HSS钢，按各国同行共识，包括了固溶强化钢（SSH钢，Solid Solution Hardened）、烘烤硬化钢（BH钢，Bake Hardened）、沉淀硬化钢（PH钢，Precipitation Hardened）、双相钢（Dual Phase）及相变诱发塑性钢（TRIP钢，Transformation Induced Plasticity Steel）等，它们都具有良好的抗拉强度和延伸率。相变诱发塑性钢是一新的钢种，是以一种全新的思路对钢进行强韧化，即利用组织中奥氏体在受力应变过程变为马氏体而达到强化的目的，同时材料塑性又会大大增加，这样就同时实现了强韧性最优组合，是其他钢种所不具备的。

根据ULSAB-AVC项目规划，其对于HSS的强度要求已达到1200MPa，并将其内容由减轻车身壳体重量扩展到减轻悬挂系统、传动系统及各种结构件总成的重量，这就对钢的强韧性提出了更高的要求。因为这些新添加的系统和总成，往往要有较大的加工变形量，且自身的强度也很高。从已有的研究结果可知，在HSS钢中，同时兼具极高强度和相当韧性的钢只有TRIP钢。如TRIP钢在1200MPa时，其延伸率仍在25%以上，这样的延伸率可达适于冲压某些结构件。但对于辅以沉淀硬化的双相钢而言，在此强度级别下其延伸率仅10%左右，适于的冲压件就很少了。TRIP钢性能的可调节范围较广，不同成分的TRIP钢经不同热处理可得到不同的强韧性组合，以适应悬挂系统、传动系统、安全结构件总成的不同需求。TRIP钢是最有应用前景的汽车用钢，并被各国公认为新一代高强度钢，竞相进行研制。

欧美各国在TRIP钢的研究上做了大量的工作，高校与钢铁公司的优化组合使该钢的研究和产业化进程发展迅速。如此利时鲁汶大学材料系的三个教研室都与钢厂结合，从各自不同的方向：如物理冶金、力学冶金和化学冶金方面做了许多国际上有影响的研究。鲁汶大学材料系与钢厂合作，已生产出含硅仅0.4%的低硅TRIP钢，该钢有极好的表面质量且已成功地应用于汽车工业。北美学者曾研究过冷轧和热轧过程中各种不同工艺途径（压下量、冷速、等温淬火温度时间）对TRIP钢性能的影响，也研究过微合金含量对组织性能的影响。德国高校曾对TRIP钢的强化机制：如流变行为、应变硬化速率、速率敏感度等做过细致的工作，并且有些研究成果已投入TRIP钢的生产工艺中。欧美各国钢铁公司在生产双相钢方面有成功的经验，针对双相钢强度高，韧性尚不足的缺点。在对生产线不作大改动的前提下，他们探索新工艺途径，使双相钢也具有TRIP性能。他们称这种钢为具有TRIP性能的双相钢，而不简称为TRIP钢，这是欧美材料工作者研究TRIP钢的另一特色。

日本是最早对TRIP钢开展研究的国家。早在1987年，新日铁公司就对HSS钢的各钢种性能作了系统的研究，其中包括TRIP钢的整个性能段。由于竞争，日本别的钢铁公司并未沿用新日铁的生产方法，而是另辟蹊径，研制出更新型的TRIP钢。目前发表的考伯钢铁公司（Kobe Steel Unit）生产的TRIP钢，是一种完全新型的以贝氏体为基的TRIP钢。据其称该钢有目前最好的强韧性配合。

4.3 上海大学TRIP钢的试验研究

上海大学对TRIP钢的研究可分为两个部分，一部分是TRIP钢的成分设计，另一部分为TRIP钢动态性能的分析及优化。

4.3.1 TRIP钢的成分设计

与国外同行相比，国内的TRIP钢研究要晚得多，当上海大学开展TRIP钢研究时，当时为大多数研究者所接受的一种成分大致是：碳含量在0.2%左右，锰和硅含量均在1.5%左右。课题组认为，高达1.5%的硅虽有助于TRIP性能的提高，但会对表面质量和焊接性能产生有害的影响。TRIP钢研究的最终目的是应用于汽车工业，而这两问题若不解决，最后要实现应用仍是困难的。所以课题组应用瑞典皇家理工学院研制的商业化程序Thermo-Calc设计TRIP钢的成分，使其硅含量降至0.6%以下，经处理后其强塑积可达目前所发表的最高值22000MPa?%。最近的网络检索证明，发达国家也注意将硅含量降下来以达到满意的表面质量并应用于汽车工业上去。

除此之外，通过大量工艺试验，反复验证，互相对比，最后终于摸索出适合于冷轧生产TRIP钢的工艺路线，可以供国内钢厂生产时参考。

4.3.2 TRIP钢的动态性能优化

TRIP钢的优异性能不仅表现在极好的强韧性，特别是在动态位伸冲击过程中会进一步强化，并保持较好的韧性，这是别的钢种所不具备的。上海大学自行设计制造了一台高速冲击拉伸试验机，可测出在100m/s高速下撞击时材料性能的变化。试验证明，在高速冲击下材料的应力应变关系，微观组织转变机制与静态拉伸结果有很大差异，该结果已引起国外同行的关注。

5、结论

汽车轻量化是汽车工业发展方向，新型铝合金及TRIP钢则是轻量化的关键金属材料，半固态成形技术由于具有许多优越性，因此大量应用于铝合金汽车零件的生产上，是属于先进的加工技术。本文所综述的相关内容，期望能对汽车轻量化有一定的指导作用。