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如今汽車輕量化材料誰是香餑餑?熱門之選是鋁材

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發表時間:2017-08-04 14:36來源:金戈新材料

  據外媒報道,對全球車企而言,實現車輛減重(輕量化)依然是頭等大事,因為美國從2025年將開始執行更為嚴苛的聯邦燃油經濟性新規及其他污染控制法規。于是,車企紛紛將目光轉向鋁材制造商及擠壓合金制造商,進而推進車企的汽車輕量化進程。


  據沃德汽車(WardsAuto)的調研結果表明,鋁金屬質地較輕,可靠性強,有助于車企滿足于美國2025年執行的燃油經濟性新規。各大車企不得不滿足新規的嚴苛要求,但又不想犧牲車輛的性能或美觀度為代價。為此,鋁材在汽車外飾及結構件上的應用呈現快速增長趨勢,車企紛紛用鋁材取代分量較重的鋼材,并積極致力于在其他車身部件上的應用,如:車身鈑金件及車身覆蓋件(closures)等。


福特F-150


  如今,有不少車型采用了鋁材并均獲得了用戶的好評,如:最暢銷車型福特F-150及捷豹路虎旗下的多款車型。由于許多轎車與卡車在采用鋁材后,其在美國的碰撞測試中表現優異,并獲得了5星級安全評分。與此同時,消費者也希望其購買的車輛能夠實現省油、耐用、安全及性能的提升。


  輕量化鋁材的研發創新


  車企紛紛加大研發力度,致力于研發新款輕量化鋁合金、擠壓合金。與此同時,車企還研發全新的裝配工藝,或在現有裝配工藝上加以改進。車企還對鋁廠及擠壓合金廠進行投資,這也是眾多車企的一項重要策略。車企正在不斷加深與汽車設計師及工程師的協作,旨在研發具有創造性的解決方案,進一步降低轎車與卡車的重量。


輕量化鋁合金


  舉個例子,薩帕北美擠壓公司(SapaExtrusionNorthAmerica)于2016年4月在底特律郊區啟用了一家研發中心,專注于汽車領域。該研發中心與公司的業務團隊緊密合作,為OEM制造商提供服務。該研發中心擁有強大的研發團隊,其中有一位專家精通攪拌摩擦焊(frictionstirwelding)技術,另有8名冶金學家(metallurgists)致力于新合金研發、產品研發及應用。另有一位取得博士學位的機械工程師,他專門負責計算機建模(computationalmodeling),優化擠壓合金設計,完成車輛的輕量化優化工作。


  鑒于新規標準越發嚴苛,新輕量化材料的研發成本也隨之上升,這一點不足為奇。據沃德汽車的調研結果顯示,受訪者對現有材料的信心不是太足,車企不得不研發新材料以應對美國2025年的新規要求。


沃德汽車


  根據美國2025燃油經濟性標準及溫室氣體排放總統令的要求,2017-2025款輕型車的平均油耗必須達到54.5mpg(約合23kmpl)。據估計,到2023年,75%的汽車減重將通過外飾件及結構件來實現,其中車身及車架的占比近一半。欲實現該目標,則需要研發輕量化材料。


  車企面臨多方面挑戰致力于產品技術研發


  如今,車企持續為旗下車型增添新功能,進而導致車輛的重量不斷上升,為此,車企不得不致力于輕量化研究,研發新的電動系統及其他燃料動力系統。由于上述系統采用了更為輕質的材料,在提升設備能效的同時應對全球法規帶來的壓力。車企積極研發輕質鋁合金及擠壓鋁合金,旨在研發并獲得更具成本效益的輕量化方案。


擠壓鋁合金


  消費需求的變化也為車企帶來了新的挑戰,用戶要求車企為車輛提供更多的新功能,而這類功能通常依賴于分量較重的鋼材或相近的材料。為滿足安全性、車輛性能并搭配車載信息娛樂系統,這類需求迫使車企面臨車身增重的難題。為此,鋁材制造商持續創新及設計,力圖用擠壓鋁合金及其他先進的鋁合金材料取代鐵與鋼材,最終實現汽車的輕量化。


  據達克全球(DuckerWorldwide)預計,2015年美國新車所產的鋁材重量約為400磅(約合180公斤),該機構是汽車行業趨勢類數據供應商。據該機構預計,截止至2025年,鋁材在皮卡車身件中的占比將超過75%,在大型轎車中的占比為24%,在SUV中的占比為22%,在微型車車身及覆蓋件的占比為18%。


微型車


  汽車中最常用到鋁材為鋁合金及擠壓鋁合金5000-及6000系列,目前薩帕北美擠壓公司等公司將重心放在提升6000系列合金,該鋁合金最具成本效益。為緊抓輕量化這一市場機遇,薩帕等公司還在研發其他合金系統。


  研究人員在俄亥俄州立大學的精密成形中心(CenterforPrecisionForming)進行了碰撞性能測試,其采用了兩根截然不同的B柱。前者采用熱沖壓技術,由硼鋼(boronsteel)制成,后者則采用了7000系鋁合金。兩者的測試結果相近,但鋁合金件的成本降低了近四成。


  研發或提升鋁材制造工藝


  通用等車企一邊引入新裝配材料,一邊要求旗下工程師研發新的制造工藝。為此,通用旗下車輛的鋁合金及擠壓鋁合金用量正在不斷上升。通用的工程師們發現,相較于低碳鋼,上述材質彈性好、易于加工、耐腐蝕性較強。通用采用擠壓鋁合金制造車架橫梁,用鋁板制造車身鈑金件,用復雜的一體式部件逐漸替代由多個部件組成的裝配件,省去了各部件的整合裝配流程。


  據《福布斯》記者透露,新款全尺寸豪車凱迪拉克CT6的寶馬5系車型的重量輕,因為前者采用了多種材料,車輛的關鍵結構件均采用鋁材,將其鋁的性能發揮至極致,提升了輕量化的應用效果。此外,通用工程師們還研發了一款焊嘴(weldingtip),可用于鋼、鋁材料的焊接操作。這是一項重大的技術突破,因為焊接鋼、鋁兩種材質難度大,主要是因為兩種的熔點溫度差別較大。


凱迪拉克CT6


  鋁材的其他優點


  除分量較輕以外,眾多車企之所以青睞擠壓鋁合金,原因有以下幾點:該材料可提升車輛的安全性,目前已投產的各類車型充分證明了這一點,由于該合金件設計精準,能量吸收表現好。另一項優點在于鋁材易于回收,其材料的增值空間大。鋁密集型車輛(aluminum-intensive)可媲美傳統的鋼制車輛。當車輛報廢時,由于鋁材的可回收和再利用性,還能增加了不少經濟價值。在實現輕量化的進程中,車企也注意到了鎂材,其關注度持續上升。


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