汽車輕量化金屬材料的應用研究

全球汽車輕量化的發展勢頭迅猛，新材料和新技術不斷在車身上得到更好的應用。本文主要針對高強鋼、鋁合金材料以及相應的高效成形工藝在整車上的應用作簡要闡述。

作者：

長城汽車股份有限公司技術中心 / 河北省汽車工程技術研究中心

苑雪雷、盧曦、葉明禮

近年來，順應汽車輕量化、提高汽車碰撞安全性能、降低製造成本和未來汽車發展的需求，金屬材料方面，高強度鋼和鋁合金材料的應用越來越多，相應地，熱成形、激光拼焊板等高效的成形工藝的研究和開發也受到了業界廠商的廣泛關注並取得了創新和應用。

高強度鋼板

高強度鋼板是在普通碳素鋼的基礎上加入少量合金元素製成，這種鋼板的生產成本與普通碳素鋼相近，但合金元素的強化作用使其抗拉強度比普通鋼板高很多。

1.高強度鋼板優勢

（1）可減輕零件的重量，若鋼板的強度提高40～50?MPa，車身外板製件的板厚可減小20%左右；

（2）用於車身外部件，除了可減薄零件的厚度外，由於具有烘烤硬化性，經過油漆烘烤後，還可以增強零件表面硬度，提高外表面製件的抗凹陷性能；

（3）可加工硬化率比普通鋼板高，可以吸收更多的衝擊能量，適合用於底架的前後縱梁等處和要求高強度、耐久性部位。高強度鋼板在車身中的比例不斷提升，與碰撞相

關的關鍵的車身骨架構件全部採用超高強度鋼板，加強了車身整體的強度及抗撞性，提高了車身的安全性能。

2.高強度鋼板的分類及應用

（1）加磷高強度鋼

加磷高強度鋼即BP鋼板，是在低碳鋼和超低碳鋼中特別添加一定量的磷，利用磷的固溶強化作用提高鋼的強度，包括B170P1（340）、 B210P1（390）和 B250P1（440）等。

圖1 加磷高強度鋼在輪罩部位結構件的應用

使用這種鋼板可使汽車衝壓件的厚度適當減薄，能降低汽車的自重，獲得良好的經濟效益。既可用於製作門外板、發動機蓋板和頂蓋等外覆蓋件，也可製作橫樑、縱梁等加強件和結構件。圖1所示的某車型輪罩部位結構件即採用了B210P1加磷高強度鋼。

（2）烘烤硬化鋼板

烘烤硬化鋼板即BH鋼板，包括B140H1（270）、B180H1（340）等，其採用特定的化學成分和生產工藝使鋼板中固溶一定的碳原子，衝壓成形後進行塗漆烘烤時屈服強度增加，不僅可以提高汽車外板的抗凹陷性，同時又具有良好的成形性能，主要應用於車身外覆蓋件，例如翼子板、車門外板、發動機罩外板和後行李箱外板等。

（3）低合金高強鋼板

圖2 低合金高強鋼板的應用

低合金高強鋼板即BLa鋼板，如B340LA（440）、B410LA（590）等，是在低碳鋼中添加少量的鈮或鈦合金元素，使其與碳、氮等元素形成碳化物和氮化物，並在鐵素體上析出，從而提高鋼的強度。這種鋼板具有良好的成形性和較高的強度，可用於製造一些強度要求比較高的結構件和加強件等，例如門檻梁內板加強板、門內板加強板、懸置安裝支座、副車架連接座內板和門鉸鏈加強板等。圖2所示的某車型門檻梁內板前/後段加強板和前安全帶支架就採用了B340LA低合金高強鋼板。

（4）雙相高強度鋼

雙相高強度鋼即DP鋼板，如B280/440DP、B340/590DP和B400/780DP等，是相變強化高強度鋼。這種鋼採用特定的化學成分和生產工藝在鋼的鐵素體基體上彌散分布一定量的馬氏體，形成以鐵素體加馬氏體為主的組織，在提高強度的同時改善鋼的成形性能。雙相高強度鋼具有屈強比低、無屈服延伸、應變強化指數高和良好的碰撞性能，可以實現在減輕重量的同時提高安全性，是近年來發展起來的先進高強鋼，在汽車工業發達的國家已經批量使用，可用於與碰撞相關的橫樑、縱梁等車身骨架以及關鍵位置的加強板等。B280/440DP用於製造前地板左縱梁前段加強板、左三角窗內板。B340/590DP用於製造左門檻梁內板、地板縱梁、側圍前連接板、地板座椅橫樑本體及中通道加強梁。

（5）相變誘導塑性鋼

將含0.10％～0.40％C、1.0％～2.0％Si和1.0％～2.0％Mn的鋼，加熱到（α+γ）兩相區，保持一定時間，以某一速度冷卻到鋼的貝氏體轉變溫度保溫，最後得到鐵素體+貝氏體（10％～20％）+殘餘奧氏體的複合組織。當鋼板經冷加工成形時，誘發殘餘奧氏體向馬氏體轉變，呈現高強度、高塑性和高碰撞吸收能，主要應用於高強度、拉延成形的汽車部件,如車門門框、前頂橫樑、右前縱梁本體、門檻梁和邊柱等。

熱成形鋼板

將高強度鋼板加熱到奧氏體溫度範圍內，鋼板組織完成變化後，快速移動到模具中進行快速衝壓，在壓機保壓狀態下，通過模具中布置的冷卻迴路並保證一定的冷卻速度，對零件進行淬火冷卻，最後可獲得超高強度的熱成形衝壓件，其內部組織為馬氏體，抗拉強度可達1?500 MPa甚至更高。熱成形工藝易於成形複雜零件，而且不易起皺和破裂，成形後幾乎沒有回彈，同時，材料通過熱加工後的空冷，晶粒得到了細化，綜合機械性能得到了大幅度提高。

目前，熱成形用鋼主要有4種：Mn—B系列、Mn—Mo—B系列、Mn—cr—B系列和MN—W—Ti—B系列。 1?500?MPa強度級別的熱成形材料應用最為普遍和成熟，主要用於熱衝壓的高強度和超高強度汽車板為含硼鋼板。目前應用成熟的熱成形衝壓淬火材料強度可達1?500?MPa，其基本材料為22MnB5。現階段已經應用的熱成形材料強度級別最高已達1?800?MPa，如馬自達CX-5的車身部件。1?000?MPa強度級別以下的熱成形材料用於TWB技術，2?000?MPa以上的材料正在研發當中。

圖3 寶馬7 系車型及歐寶Astra 車型中熱成形鋼板的應用

近年來，熱衝壓件在車身上的應用越來越廣泛。如圖3所示，寶馬7系車型多種材料集成應用，其中熱成形材料（Mn—B 鋼板）佔15%（A/B柱、門檻梁等），在歐寶Astra車型中有熱成形材料（Mn—B 鋼板）佔比18%，使用高強度熱成形鋼板的部件包括A/B/C 柱、加強板及中央通道等。

然而，在車身零部件強度提高的同時，熱衝壓件的衝擊韌性受到越來越多的關注。這是因為其微觀組織由非常硬的馬氏體構成，所以導致韌性降低。而在車身碰撞試驗中，這些零件通常都在承受很高衝擊載荷的位置，但是目前還沒有可靠的材料用來進行韌性與脆性之間的轉換，這也是熱成形鋼在今後發展中亟待解決的問題。國外有關機構已經開始對這一問題進行相關研究，蒂森克虜伯在一項對淬火—回火的厚坯的研究中提到，微量元素「鈮」的應用可以提高熱成形鋼的韌性。

鋁合金材料

鋁合金相對於純鋁可以提高強度、硬度，除固熔強化外，有些鋁合金還可以熱處理強化，使有些鋁合金的抗拉強度可超過600?MPa，與低碳鋼相當，強度與密度則勝過某些合金鋼。按鋁合金的成分、加工特點和性能，鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。

1.鋁合金的技術優勢

（1）鋁合金的比重輕，僅為鋼鐵材料的1/3左右，純鋁的比重為2.68?g/cm3；

（2）強度高，延性、塑性好，而且可以通過熱處理改變其力學性能，並具有良好的低溫性能；

（3）加工工藝性能好，可鑄造、鍛造、焊接、軋制和衝壓成形，類同於鋼；

（4）具有良好的抗蝕性，可以生成緻密的氧化膜並具自修復能力，即使在酸性介質中也具有良好的耐蝕性；

（5）易於塗裝且表面可以精飾；

（6）可以回收，循環使用，是很好的綠色材料；

（7）具有高的彈性變形性能。

2.鋁合金的應用

（1）形變鋁合金板材

圖4 捷豹XL 系列全鋁車身的應用

形變鋁合金板材主要用於車身覆蓋件。目前，軋制板材應用較多的是6000系列的烘烤硬化板。這類變形鋁合金板除了應具有良好的衝壓成形性外，還應具有翻邊延性，以利於內外板的連接，同時還具有良好的烘烤硬化性能。如圖4所示，業界已有全鋁白車身、前機艙蓋外板及儀錶盤支架等鋁合金板材的應用。

（2）鑄造鋁合金

圖5 鑄造鋁合金零件的車身應用

鑄造鋁合金在發動機中的應用最為典型，以Si—Cu 系列的GD-AlSi9Cu3 壓鑄鋁應用居多，主要用於鋁活塞、鋁缸蓋和鋁缸體等部件。為有效減少零部件數量，提高生產效率及關鍵接頭剛度，現階段部分車身部分零部件也開始採用鑄造鋁合金製造（見圖5）。

激光拼焊板

激光拼焊板是基於成熟的激光焊接技術發展起來的新型技術，是通過高能量的激光將幾塊經過精確裁剪的不同材質、不等厚度以及不同塗層的鋼材焊接成一塊整體板（見圖4），然後再衝壓生產所需部件，以滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求。

圖6 激光拼焊車身應用製件

激光拼焊板生產的汽車零部件主要有前後車門內板、前後縱梁、側圍、底板、車門內側的A/B/C柱、輪罩和尾門內板等（見圖6），目前，激光拼焊已成為汽車車身製造的標準工藝之一。

汽車輕量化發展趨勢

隨著能源危機和環境問題的加劇，節能減排、低碳環保已經成為汽車製造業最重要的出發點，因此，輕量化已是大勢所趨，這也促進了先進高強鋼的開發及相應成形技術的發展。當然，多種材料複合車身也是未來的發展趨勢，全鋁車身、酚醛樹脂、超高強鋼、變料厚鋼板及碳纖維複合材料相繼出現在車身應用中，多種材料複合車身是未來的發展趨勢。

最後，必須要提到的是，車身輕量化設計是一個系統的平衡設計，車身設計車身輕量化設計並不是單純的車身減重，而是和車身性能設計緊密聯繫在一起的一個系統的平衡設計，它包含了如下所示的七大要素——安全、耐久、NVH、功能、工藝、成本及重量，車身輕量化設計需要綜合考慮，平衡設計。

來源：AI《汽車製造業》、弗戈工業在線