高強鋼和鋁合金——試論複合材料在汽車行業的兩大有力競爭者

根據預測，全球汽車複合材料的市場規模將在2018年達到150億美元。這個數字看著相當可觀，但我們卻不可管窺蠡測。實際情況是，在汽車輕量化領域，複合材料的用量僅佔全部材料用量的1%。其中，高強鋼和金屬鋁作為最重要的兩支競爭力量，最為引人關注。

今年早先時候，在美國克利夫蘭市舉辦的先進設計與製造大會上，與會者對汽車行業的輕量化材料創新展開了激烈的討論。美國ACMA協會在今年11-12月出版的雙月期刊中將對其進行全面報道，中國復材展的編譯團隊也將第一時間為您呈上新鮮的資訊。此時，我們先不去關注人們是怎麼看待複合材料的，讓我們換個角度，從高強鋼（HSS）和金屬鋁這兩種材料著手，看看它們在汽車輕量化的實踐過程中，經歷著怎樣的挑戰。

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高強鋼

「當說起汽車輕量化的時候，人們不可避免地會提及鋼鐵。」鋼鐵發展研究所汽車市場副總裁Jody Hall在大會發表演講時表示說，「今天我站在這裡想要告訴大家的是，鋼鐵不僅僅是汽車輕量化的選擇之一，更是很多應用領域，包括車體結構製造的最優選擇。」

Hall向與會者分享了自1980年代人類發明高強鋼以來，鋼材在不斷發展過程中的創新演變。時至今日，世界上共有超過200個品級的鋼材，其創新之處大多集中在提升強度、提升鍛造性能方面。在汽車領域，孿晶誘發塑性鋼（TWIP）應用較為廣泛，這歸功於它機械性能出眾、剛度高而且吸收能量的能力強。然而，Hall同時也承認TWIP合金成分較多，價格稍顯昂貴，而且不易於其他材料接合。

Hall表示，目前鋼鐵行業正全力對第三代高強鋼產品進行性能再優化。「我們需要性價比超出TWIP，並且強度與韌性兼具的新三代產品。」

鋼鐵發展研究所是一個名為汽車/鋼鐵聯盟機構的下屬單位，致力於提示鋼材性能，擴大其產品應用。「汽車主機廠對應用各種材料進行產品設計都信心十足，但設計是一回事，生產又是另一回事了。」Hall坦言，「他們需要考慮如何把不同部件拼裝成目標結構。」

「對於汽車行業來說，高強鋼是發展最快的應用材料。」Hall表示，「實際上，我們是在對自己的產品進行革新，淘汰了中強鋼和高強低合金鋼，而以更加先進的高強鋼取而代之，從而達到減輕車體重量的目標。」

在她眼中，鋼鐵是汽車主機廠的「第一選擇」，但同時承認面臨著來自其他材料產品的激烈競爭。「鋼鐵是性價比最高的選擇，而且汽車主機廠的生產線都是以使用鋼材為基礎設計的。因此當提到輕量化的時候，鋼材絕對是他們的首選。」Hall表示說，「但當他們的要求無法通過鋼材滿足的時候，轉向複合材料或其他材料也是一件順理成章的事情。」

鋁合金

來自Pennex鋁材公司的技術主管Henry Bertolini也在大會上發表了自己的演講，承認鋁行業面臨的種種問題和挑戰。「我們需要提高產品強度，但同時需要把成本控制在可以接受的範圍內。」兼顧性能與成本，其實是複合材料行業和金屬鋁行業面臨的共同難題，也是阻礙它們在汽車行業獲得更大市場份額的掣肘。

「通常，一部汽車中只有2%的材料採用的是鋁結構。」Bertolini表示說，「很多年前，人們就開始使用鋁材生產一些簡單的汽車零部件，但從那以後便無更大進益，導致鋁合金在汽車行業的應用陷入停滯局面。現在是時候做出改變了，我們需要為鋁打造專屬的汽車設計。」

Bertolini以2016年在市場上首秀的凱迪拉克CT6型豪華轎車為例，向大家證明使用鋁料的好處。她指出這台轎車64%的結構用的是鋁材，重量比使用鋼材的同類轎車減輕了約200磅。

鋁行業希望通過更多展示鋁材的優點來贏得主機廠的芳心。這些優點包括更短的生產周期、更低的模具價格、可回收可再利用，以及易於生產一體化結構。這些優勢，對於複合材料的生產企業來說聽著想必十分熟悉，因為複合材料在上述方面也頗具優勢。然而，闡述這些優勢並不是為了讓主機廠簡單的把鋼結構換成鋁結構，而更像是在說服主機廠為了使用鋁材而更改汽車的設計方案。

Bertolini向與會者分享了一個故事。一家OEM廠商要求Pennex公司嘗試將一台鋼結構汽車底盤換用鋁材生產。但當Pennex完成合約交付產品的時候，這家客戶卻抱怨說底盤還是太重，而且成本太貴了。「我們向客戶解釋說，你們不能停留在舊的設計方案上。如果你們想用鋁替代鋼，你的設計方案必須為鋁做出調整。」更重要的是，為了更好發揮鋁材的優勢，主機廠還必須對汽車的生產裝配生產線進行整體改造。

鋁材在汽車市場不能大規模應用的另一個原因出在供應鏈上。Bertolini解釋說，特斯拉相中了一款新型鋁合金材料，性能十分突出，在小規模生產的時候完全沒有問題。但後來特斯拉3型汽車的問世讓供需出現了極大的不平衡，依據我們的現有產能，無法生產出足量的這種特殊鋁合金。「於是，特斯拉不得不降低要求，用相對普通的鋁合金做為替代，以犧牲質的代價滿足了量的需求。」Bertolini表示說，如果更多鋁業公司具備生產這種特殊合金的能力，鋁材在汽車行業或許能得到更好的推廣。

綜合看來，材料的選擇其實是一種權衡。Bertolini表示說。OEM廠商的終極目標無非是更高的強度、耐受性以及最好的抗衝擊性能。「有時我真想告訴他們，滿足兩個就不錯了，不必苛求。但這是客戶的要求，我們只有努力去滿足，既保證他們獲得最好的性能，又不能讓他們下太大的成本。」

兼顧性能與成本，這是所有材料供應商面臨的共同挑戰。「如果鋁合金不去想辦法，主機廠自然會轉向其他材料供應閃尋求解決方案，比如碳纖維複合材料，比如鎂，最後的結果就是丟失了客戶。在此之前，我們都享有平等的競爭機會，鹿死誰手，就看誰能把握住了。」