一、輕量化是汽車發(fā)展趨勢
由于環(huán)保和節(jié)能要求日趨嚴(yán)格，汽車輕量化已成為世界汽車發(fā)展的趨勢。輕量化就是在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整車重量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。研究表明，汽車自重每減少10%，可以降低油耗6%-8%，降低二氧化碳排放13%。通過對汽車結(jié)構(gòu)的改造和制造材料的優(yōu)化，汽車重量還有15%的下降空間，而且隨著汽車制造材料的不斷開發(fā)升級，汽車重量的減輕不會帶來安全隱患。
DuckerWorldwide的一項(xiàng)調(diào)查顯示，到2025年汽車廠家減重目標(biāo)為目前的2倍，即平均重量將減輕400磅(181.4千克)，屆時鋼占汽車平均重量將由目前58%左右下降至46%。
二、鋁合金材料受青睞
輕質(zhì)材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑和手段。無論鋁對傳統(tǒng)鋼的替代，還是塑料對金屬的替代，最直接的效果都是減重，減重是提升車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的最簡單和最有效的方式。自90年代奧迪等豪華車開始采用鋁部件，鋁進(jìn)入了汽車工業(yè)，之后鋁在汽車上的用量開始上升，越來越多的轎車制造商開始在材料選擇上采用鋁來替代傳統(tǒng)的鋼，歐盟和北美等國家已走在前列。
DuckerWorldwide調(diào)查結(jié)果顯示，以鋁代替鋼制造汽車可使汽車整車重量減輕30%-40%，發(fā)動機(jī)減重30%，輪轂減重30%。從2006-2012年，歐盟輕型車鋁合金用量平均增加了19.2千克。目前在歐洲和北美開發(fā)的超輕車計(jì)劃中，鋁占到53%，約30%的汽車引擎蓋和20%的保險(xiǎn)杠均采用鋁金屬，這個比重在未來幾年將會有大幅度的提升，而鋼用量比例則將下降。如去年底在中國首發(fā)的新一代福特野馬中采用了鋁金屬蓋和鋁前擋泥板，重量減90千克，而即將面世的全新F-150將采用全鋁車身打造，車身總重將較現(xiàn)款車型輕317千克，燃油經(jīng)濟(jì)性有望提高15%-20%。奧迪R8、A8和捷豹XJ均采用了全鋁合金車身，全新一代路虎攬勝創(chuàng)造性地采用全鋁承載式車身輕量化技術(shù)，較之前一代采用鋼制車身結(jié)構(gòu)的攬勝車身重量降低39%。DuckerWorldwide曾預(yù)測，到2015年歐洲主要國家平均每輛汽車鋁使用量將增長至180千克,鋁材料占整部汽車的重量也將由目前的9%提高到12%，2025年將攀升到近250千克，鋁金屬所占輕型車的車重比將提高到目前的兩倍。
美、歐國家對汽車二氧化碳排放規(guī)定日趨嚴(yán)格更加劇了鋼鋁市場份額爭奪戰(zhàn)，美聯(lián)邦政府燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)規(guī)定在2025年前汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)上調(diào)至54.5英里/加侖（約合百公里4.8升油耗），歐盟計(jì)劃到2020年實(shí)施強(qiáng)制性的汽車尾氣每公里95克二氧化碳的排放標(biāo)準(zhǔn)（當(dāng)前政策是到2015年每公里排放130克），這對汽車設(shè)計(jì)者來說是個更大的挑戰(zhàn)，鋼和鋁生產(chǎn)廠家爭相投入研發(fā)滿足汽車廠家需求的具有高效設(shè)計(jì)和更輕質(zhì)特點(diǎn)的金屬。此外，新能源汽車將替代傳統(tǒng)以燃油為動力驅(qū)動的汽車，混合動力汽車、燃料電池汽車、鋰電池汽車，奔馳E-CellPlus和奔馳F-Cell電動車以及本田FCXClarity等新型動力系統(tǒng)汽車大多選用鋁作為車身的主要材料。
最新的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，采用大量鋁合金的所謂全鋁汽車可以獲得40%的減重效果，在與其他輔助性輕量化及優(yōu)化設(shè)計(jì)相配合的情況下，能使燃油經(jīng)濟(jì)性提升幅度達(dá)18%。
三、鋼與鋁成本比較
鋁合金材料顯然是汽車廠家追逐輕量化的選擇，但從成本上考慮，無論是材料價格、制造及加工方面，鋁顯然比鋼更昂貴，而且維修困難。美國麻省理工學(xué)院2007年的數(shù)據(jù)表明，在原料成本方面，鋁比鋼貴2倍多，加工成本方面，鋁比鋼貴一倍，在裝配上，鋁比鋼貴20%-30%。總的來說，一個鋁部件估計(jì)比傳統(tǒng)的鋼部件成本高60%-80%。美鋁公司的汽車結(jié)構(gòu)專家亦稱，一輛小汽車全鋁車身結(jié)構(gòu)平均要1400-4600美元，比鋼車身溢價65%，而一個有效和成功的汽車輕量化項(xiàng)目需是未來用戶可持續(xù)負(fù)擔(dān)得起的，顯然成本增60%-80%不是一個成功的汽車輕量化方案。
作為汽車生產(chǎn)伊始的主要材料，鋼在不斷改進(jìn)以適應(yīng)各種設(shè)計(jì)變化的挑戰(zhàn)，尤其高強(qiáng)度鋼的開發(fā)成功，最好地解決了輕量化與安全、成本之間的矛盾。與其它輕金屬和復(fù)合材料相比，高強(qiáng)鋼具有優(yōu)異的性價比，而且可以利用現(xiàn)有的汽車生產(chǎn)設(shè)備，節(jié)約投資，不失為一種理想的輕量化材料。因此，從性能和成本兩個方面來看，鋼在汽車市場的主導(dǎo)地位不會動搖。
四、高強(qiáng)鋼迎戰(zhàn)鋁
鋁合金用量的增加讓鋼生產(chǎn)廠家感到壓力，長期以來世界各大鋼廠加大投入，與汽車制造商密切合作，研制和發(fā)展輕質(zhì)、高強(qiáng)度的汽車鋼板，過去10多年中先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）已成為汽車材料中增長最快的。
1995年，由美國鋼鐵協(xié)會、國際鋼鐵協(xié)會、汽車生產(chǎn)商和一些鋼鐵公司聯(lián)合提出“超輕鋼車身”的概念，采用這種高強(qiáng)度鋼材所制造的車身實(shí)現(xiàn)了更薄和更輕的結(jié)構(gòu)，使車身重量減輕達(dá)25%，同時也降低了制造成本，為高強(qiáng)鋼在與鋁和鋁合金等非鋼材料的競爭中提供了良好的解決方案。目前在歐洲“超輕型汽車工程”制造商的汽車設(shè)計(jì)方案中，高強(qiáng)度鋼的使用率超過80%。按照鋼鐵工業(yè)的計(jì)算，近年來鋼在汽車上的用量實(shí)際上呈上升態(tài)勢。
1．超輕鋼汽車車身項(xiàng)目——ULSAB
1994年，國際鋼鐵協(xié)會首先開展了超輕鋼汽車車身項(xiàng)目（ULSAB），來自5大洲18個國家的35家鋼鐵企業(yè)參加了該項(xiàng)目。該項(xiàng)目歷時4年，主要目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高安全性、簡化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。通過以車身輕量化為目標(biāo)，車身至少減重25%以上，將給汽車制造業(yè)帶來革命性的改變。研究證實(shí)，ULSAB重量可減輕25%，且不增加任何成本。最近幾年，歐美汽車公司在開發(fā)新款汽車時都部分或全部采用了ULSAB項(xiàng)目技術(shù)，高強(qiáng)度鋼大量使用在汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向的零部件上。
2．超輕鋼汽車懸架項(xiàng)目——ULSAS
與ULSAB相關(guān)的項(xiàng)目還有ULSAC和ULSAS，ULSAC是將高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在汽車車身覆蓋件上，而ULSAS是采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度材料以及一些先進(jìn)的制造技術(shù)來生產(chǎn)輕量、廉價和性能良好的懸架系統(tǒng)，目標(biāo)是通過采用新的鋼材及設(shè)計(jì)，將懸架重量減少20%，美國鋼鐵公司、浦項(xiàng)鋼鐵公司、新日鐵公司、蒂森克虜伯等大鋼廠參加了該項(xiàng)目。美國鋼鐵協(xié)會鋼市場發(fā)展研究所最新透露，采用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的新型設(shè)計(jì)可使汽車扭梁后懸架重量降30%，與其它可替代材料相比，成本大大降低，燃油更經(jīng)濟(jì)。ULSAS項(xiàng)目是利用先進(jìn)的鋼生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車懸架減重的一個很好例子。
3．超輕汽車車身-先進(jìn)汽車技術(shù)項(xiàng)目——ULSAB-AVC
1998年3月，國際鋼協(xié)開始在全球?qū)嵤┏p汽車車身-先進(jìn)汽車技術(shù)項(xiàng)目（ULSAB-AVC）。該項(xiàng)目是從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結(jié)構(gòu)（車身、覆蓋件、懸架系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)支架及所有與結(jié)構(gòu)、安全相關(guān)的部件），并通過使用超輕鋼和先進(jìn)的汽車技術(shù)，支持鋼是未來新一代汽車最理想化的和最付擔(dān)得起的材料。在該項(xiàng)目中，AHSS的應(yīng)用占到約80%，且20%以上的部件采用了液壓成形技術(shù)，研究證實(shí)，ULSAB—AVCAHSS設(shè)計(jì)輕25%，同時又能滿足碰撞性要求而不增加成本。
4．未來鋼制汽車項(xiàng)目——FSV
為與其他材料競爭，保持鋼在汽車材料中所占份額，世界汽車用鋼聯(lián)盟啟動了未來鋼制汽車項(xiàng)目（FSV）。FSV的3年計(jì)劃為：2008年-2009年7月為工程研究，2009年8月-2010年為概念車設(shè)計(jì)，2010-2011年對硬件進(jìn)行論證。FSV項(xiàng)目為4款如電池電動車（BEV）、混合動力車、插電式混合動力電動車（PHEV）和燃料電池電動車（FCEV）設(shè)計(jì)了先進(jìn)高強(qiáng)鋼車身結(jié)構(gòu)，采用逾20多種先進(jìn)AHSS鋼，預(yù)計(jì)2015-2020年這些先進(jìn)材料有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，鋼的靈活、高強(qiáng)及成型性能最好地適應(yīng)了部件形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程，另外還采用了激光拼焊板和拼焊管、液壓成形等先進(jìn)的加工技術(shù)。顯然，FSV概念車是高效和輕質(zhì)的，一款FSV電池電動車重188千克，比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車車身重量輕逾35%，進(jìn)一步縮小了與鋁和鎂合金的減重差距。此外，還能降低排放近70%，很好地滿足電池電動車制造廠家以及2020年的嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)，同時也能滿足碰撞測試和耐久性的需求，且未因減重而增加成本。
鋼和鋁有著各自的特點(diǎn)，汽車選用鋼還是鋁，最終要看減重及成本效果。伴隨著低碳經(jīng)濟(jì)時代的到來，汽車輕量化越來越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，鋼和鋁等傳統(tǒng)材料及工藝亦面對新的環(huán)境友好型輕質(zhì)高強(qiáng)碳纖維、塑料等復(fù)合材料的挑戰(zhàn)。今年1月13日在美國底特律舉辦的北美國際汽車展上，通用汽車公司和寶馬汽車公司參展的車輛使用了更先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料，德國汽車制造商們正在加大對碳纖維材料的投資。為保持鋼、鋁金屬在汽車中的地位，鋼鐵生產(chǎn)廠家、鋁金屬生產(chǎn)廠家必須攜手面對，與汽車制造廠家三方密切合作，共同開發(fā)車身鋁合金結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件的焊接技術(shù)以及車身鋼與鋁的連接技術(shù)等，迎接高碳纖維及塑料等材料的挑戰(zhàn)。
中國作為世界上最大的汽車生產(chǎn)基地和市場，汽車輕量化的未來市場潛力巨大，盡管目前我國汽車鋁合金的使用比例較低。2020年為實(shí)現(xiàn)汽車平均燃料消耗由目前百公里7.5升到百公里5升的目標(biāo)，我國需加快推動汽車向小型化、輕量化發(fā)展，一些汽車及零部件制造商已把目光投向了汽車零部件輕量化的研發(fā)中。在這場結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)保治理的大潮中，我國鋼鐵廠家要積極行動起來，利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大好時機(jī)，與汽車廠家合作研發(fā)更先進(jìn)的鋼產(chǎn)品，保持鋼在汽車材料的主要地位。
