汽车轻量化对钢材需求的影响研究

'低碳'经济如今已成为全球的热门话题，人们在享受现代技术带来的方便的同时，能源的日益紧缺，汽车尾气造成的环境污染，已成为全球不得不关注的问题，我国作为汽车产销大国亦不例外。一、汽车行业发展现状据中国汽车协会公布，2010年我国的汽车产销量为1826.47万辆和1806.19万辆，同比增长32.44%和32.37%，居世界第一。其中：乘用车产销1389.71万辆和1375.78万辆，同比增长33.83%和33.17%；商用车产销436.76万辆和430.41万辆，同比增长28.19%和29.90%。 图表12010年汽车分品种生产完成情况 （单位：万辆、%）

分类型2010年累计同比增长汽车生产总量1826.4732.44乘用车1389.7133.83轿车957.5928.17MPV45.179.89SUV133.8103.38交叉型乘用车253.2226.36商用车436.7628.19客车35.8629.93货车285.4822.72半挂牵引车36.2574.11客车非完整车辆8.868.07货车非完整车辆70.3136.6

资料来源：中国汽车工业协会 图表22010年汽车分品种销售完成情况 （单位：万辆、%）

　2010年累计同比增长汽车销售总量1806.1932.37乘用车1375.7833.17轿车949.4327.05MPV44.5478.92SUV132.6101.27交叉型乘用车249.2127.77商用车430.4129.9客车35.6231.3货车283.1325.83半挂牵引车35.4667.98客车非完整车辆8.694.93货车非完整车辆67.5135.53

资料来源：中国汽车工业协会二、汽车轻量化发展的需要当前世界汽车工业可持续发展面临着两大难题，即能源短缺和环境污染，而在我国这两者表现得更加突出。2009年哥本哈根世界气候峰会上，我国对世界承诺'将减排目标将作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的中长期规化, 到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。'汽车行业作为一个重要制造业，本身需要大量的钢材作为原料，而钢铁作为高能耗、高污染的行业对环境的影响就较大。从汽车本身而言，排放的尾气对大气污染也较为严重。因此，汽车企业开始重点关注节能减排。试验表明，减少汽车自身重量（汽车轻量化）是实现节能减排的最有效措施之一。数据显示，汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放降低5%～6%，而燃油消耗每减少1L，CO2的排放量减少2.45Kg，可见汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法。此外，轻量化对汽车的稳定性、噪声、加速、振动等方面也都有影响。三、轻量化的实现要实现整车质量的减轻，就必须落实到每一个可能的零部件的轻量化上面，表中所示为汽车自身重量的主要构成比例。可见，车身、底盘及发动机零部件是轻量化的重点。图表3汽车自身重量构成比例

项目车身底盘发动机电器设备及标准件主要包括车架、覆盖件、附件及装饰件等主要包括传动系、制动系、转向系和行驶系主要包括机体组、曲轴飞轮组、辅助系统等主要包括电源、起动、照明、仪表仪器、电控线束、标准件等重量构成比例约42%约38%约12%约8%

资料来源：公开网站1、目前实现零部件轻量化主要有四种途径。（1）利用现代设计手段优化零部件结构关注重点部件，利用现代信息化技术，创新优化设计工具和轻量化设计理论，将部件零件化、复合化以减少零部件数量。优化零部件结构设计，如去除零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化）等。（2）开展材料轻量化创新通过化学和物理方法，提高现有材料的强度和刚度，减小零部件尺寸，减少材料用量，从而减轻零部件重量。（3）选用轻量化材料在替代材料方面，可采用铝、镁、钛轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢，减轻零部件重量。（4）采用先进的制造技术和工艺 要实现零部件轻量化设计和选用不同轻量化替代材料，必须采用先进的制造技术和工艺，包括高强度钢的制造技术，合金复合材料的成型技术和非金属材料的成型技术，采用先进的加工设备和工具，才能达到零部件的轻量化目的。 由于有限元等高级软件的使用，目前我国在零部件结构的合理设计方面取得了重大进步，以后的努力方向主要是新材料的使用方面。 2、新材料的应用l发动机以发动机缸体和缸盖为例，轿车发动机的汽油机已普遍从灰铸铁到铝合金，现在正逐步发展到镁合金及铝镁复合材料。如宝马6缸镁铝复合发动机的缸套和缸体的内芯部分为AlSi17Cu4Mg铝合金，外壁与基座为AJ62镁合金。复合缸体中镁合金重18Kg。与铸铁缸体比较，铝缸体减重幅度约26%，而镁铝复合缸体为44%。l车身（1）双相钢目前车身部分使用较多的是DP（双相）钢，该结构钢中含有马氏体和铁素体两种晶体类型。其中马氏体坚硬，一般高温冶炼后淬火时由奥氏体转化而成，而铁素体则比较柔软。晶相复合的优点是能够兼顾强度和延展性。这种钢的晶相结构是在铁素体基体上存在众多马氏体小岛，冲压加工时铁素体具有良好的延展性而马氏体则保证了结构强度，另外铁素体在冲压中发生滑动，晶体间相互交结，形成加工硬化，使冲压成型后的零件强度更高。因此DP钢已经成为制造车身结构件的主要材料，一般1.2mm厚度的DP钢就已经可以达到主要结构件所需的强度。此外，我国已成功开发了抗拉强度为540MPa、590MPa 和640MPa 等级别的DP 钢，但是产量低，在汽车中的应用范围有待进一步扩大。除了DP钢之外用于汽车的新型钢材还有IF钢（无间隙原子钢，在超低碳钢中加入适量的钛或铌，使钢中的碳、氮间隙原子完全被固定成碳、氮化物，钢中没有间隙原子存在）、TRIP钢（相变诱发塑性变形钢）等，这些钢材都是属于能够减薄使用的高强度钢。目前，国内宝钢、武钢等钢企已经能够批量生产冷轧 TRIP 钢，并已应用于国产轿车，但强度级别低于国外先进水平，研发创新能力有待进一步加强。伴随技术进步，制造车身的材料已经不仅仅是钢铁了，越来越多的新材料被应用到车身的制作中。其中包括：铝合金、碳纤维、塑料、高分子复合材料等等。（2）铝合金相比以前的钢材料，该材料的重量轻，使用起来感觉更轻便。目前制造飞机的主要材料依然是铝合金，即使波音787这种复合材料占多的新机型也不能完全摆脱铝合金。铝合金优异的延展性、只有不到钢材一半的密度和良好的耐腐蚀性都成为轻量化结构的首选材料。全铝车身相对于普通钢制车身重量轻，一般要轻30%以上，且车身冲压更容易，可以一次整体冲压成型，焊接点少得多。铝合金在自己变形以吸收撞能上要好于钢铁车身，所以提高了安全性。同样重量的钢和铝，铝体积更大，可以在不增加重量的前提下增加结构强度。而且目前的铝制车身多采用厚壁锻铝梁焊接而成，就结构强度和刚度而言要比冲压薄钢更有优势，且机构的整体稳定性更好，在非设计受力方向受力时有更大的冗余度。此外，铝合金在大气环境下几乎不被腐蚀，可以无涂装使用，不过处于美观的考虑，铝制车身依然会涂装上不同颜色的涂料。铝制车身的缺点是自身造价较高，制造和焊接工艺都比较复杂，且变形后不能通过钣金修复，只能更换变形部件，维修成本居高不下。相比较其缺点，铝合金的优点要更突出，轻量化且高强度的车身比传统钢制车身更坚固，且不用担心腐蚀造成的强度降低。另外铝制车身的结构设计局更合理，承力结构与非承力结构几乎独立。轻质合金车身的前景值得期待。（3）碳纤维最早碳纤维在汽车领域主要应用在赛车上，直到现在也只有超跑级别的车辆用的上碳纤维。碳纤维是一种纤维丝状的材料，在制作成型时需要像织布一样纺织成片状，用有机胶浸润成形并固化，制作过程类似于玻璃钢。碳纤维具有绝佳的韧性和抗拉强度，且重量只有钢的1/4。轻量、高强的特性正是高性能车所需的，目前法拉利、兰博基尼等超跑的车身由碳纤维制成。不过碳纤维缺乏延展性是其缺点，在受到超出极限的冲击时碳纤维结构会如同玻璃一样破碎。而且碳纤维与其它材料的连接也是个问题，使用传统的栓接，连接孔周围很容易产生裂纹。碳纤维材料的制造成本居高不下也是限制其应用的一个方面，即使是在航空领域碳纤维的应用也比较有限。（4）车身材料的未来发展 除了以上的材料外，塑料、复合材料、可降解材料也是未来车身材料的发展方向，塑料良好的可塑性和弹性变形利于加工和降低碰撞损失，目前塑料广泛用于保险杠翼子板等易损部件，较低的造价的也令维修和更换十分便利。 近来车身材料的环境友好性成了发展的重点。在欧洲，政策要求车身的制造材料回收率要达到90%以上，铝合金与塑料的回收率都能达到95%以上，新型的钢制车身已经克服了原来所面临的腐蚀损失，回收率达到90%以上。未来轻金属、复合材料等是车身材料的发展趋势，目前各国都广泛开展对于这些新材料车用化的研究，特别是要求轻量化的小型乘用车。相信未来一段时间车身材料会有一个飞跃式的发展，并且更加向航空领域贴近，更轻、更强仍然是车身材料的发展方向。四、'十二五'展望2010年12月29日，财政部、国家发展改革委、工业和信息化部、公安部、商务部、工商总局、质检总局等七部门联合印发《关于汽车下乡政策到期后停止执行等有关问题的通知》。《通知》指出，自2009年3月1日起开始实施'汽车下乡'政策，对农民购买微型客车、微型载货车、轻型载货车以及将三轮汽车或低速货车报废并换购微型载货车、轻型载货车给予一次性财政补贴。自实施以来，在'汽车下乡'等政策的综合带动下，汽车产销两旺，拉动了消费，带动了生产，对我国经济企稳回升发挥了重要作用，达到了预期目标。2010年12月31日政策将执行到期。
从2011年汽车的产销情况来看，实施两年的汽车购置税优惠政策取消，以及在一些地区出台了对小客车控制数量的规定，以缓解城市拥堵，如《北京市小客车数量调控暂行规定》公布，对小客车实施数量调控和配额管理制度，这对2011年的小排量车型销量将大受影响。交通
这些优惠政策的调整和调控措施的执行，及用车的成本的高企，对汽车行业带来影响，2011年的汽车业将回归理性，全年增速将保持在8%左右。
考虑到汽车行业对汽车用钢的关系紧密，汽车用钢品种主要包括钢板、优质钢、型钢、带钢、钢管、金属制品等。汽车用钢中的板材（包括热轧、冷轧钢板和镀层板）是生产汽车的最主要原材料，全球汽车制造业在全球所消费的钢材已超过了1亿吨，加上生产汽车部件所消费的钢材，全球每年仅汽车行业消费的钢材就超过1.5亿吨。制造一辆轿车约需使用薄钢板600 kg～800kg。钢材在相当长的时间内仍是汽车最主要的原材料，并长期稳定在60%～70%的比例。钢材是汽车安全、长寿及低成本的关键。钢板
在'十二五'期间，新能源汽车将会得到大力发展，同样将拉动钢材的需求。时下，各地正在新建一批汽车工程项目，其规模都很大，投资都在几亿、十几亿和几十亿，其中有整车制造，有汽车零配件，有新能源车，还有汽车研究中心，这些新建汽车工程项目，对汽车用钢的需求将是一个重点，其汽车用钢量将会随着这批汽车工程项目的建成而明显增加。
'十二五'期间，新能源汽车将是我国汽车行业发展的主要方向。未来10年，我国将投入超过1000亿元的资金，用于扶持新能源汽车市场，在'十二五'期间将大力发展新能源汽车，建立完备的鼓励消费和使用系统。我国重点支持的新能源汽车主要指电动汽车（纯电动汽车和燃料电池电动汽车等）。汽车业内预测，到2015年新能源汽车的年销量将达到100万辆左右。
2015年具体目标如下：自主品牌轿车占比45%左右；汽车轻量化减重指标为2005年的20%左右；汽车燃油消耗继续降低；新能源汽车占比3%左右。
在'十二五'末期为实现2500万辆产能规模,约占世界汽车产量的30%，其中：乘用车约占80%，商用车约占20%。。未来几年内，高强度钢在汽车中的应用将迅速增长，年增长率达到5%。以通用汽车公司为例，预计在车身所用的材料中，双相钢可能约占45%，中强度钢约占33%，低碳钢和马氏体钢各约占10%。