轻量化材料及成形技术在汽车车身上的应用

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【汽车轻量化在线】轻量化材料及成形技术在汽车车身上的应用

吕海泳1邵东强2

（1.烟台市能源综合执法支队，烟台 264003；2.山东泰利先进制造研究院有限公司，烟台 264000）

摘 要：为了适应严格的环保要求，实现汽车的燃油经济性，减少汽车尾气污染，轻量化材料在汽车车身上的应用越来越广泛。因此，概述超高强钢、铝合金和碳纤维复合材料，简述超高强钢热冲压成形技术、铝合金温热成形技术和碳纤维复合材料RTM成形技术的工作原理，介绍了轻量化材料在汽车车身上的研究及应用现状。

关键词：轻量化 超高强钢 铝合金 碳纤维复合材料

随着环境问题的日益严峻，节能和环保已经成为目前人类亟需解决的两大重要问题。其中，在汽车行业，为了提高汽车燃油的经济性，以适应日益严峻的环保要求，已经将节能减排放在第一任务[1]。设计低碳化和制造低碳化是提高汽车行业节能减排效能的两个重要环节。有资料表明[2-4]，汽车整车重量减少10%，燃油消耗量可降低7%左右，燃油经济性提高6%～8%。可见，汽车减重是实现汽车节能减排的重要措施之一。因此，轻量化材料在汽车车身上的应用越来越广泛。目前，汽车主机厂商和汽车零部件制造厂商逐渐开展了轻量化材料在汽车车身上的研发、试制和量产应用。

本文介绍超高强钢材料及热冲压成形技术、铝镁合金材料及温热成形技术和碳纤维复合材料及编织成形技术的技术原理及其特点，并对各种轻量化材料在车身各部位的应用情况进行叙述，评价了轻量化材料在汽车车身上应用的可行性、先进性以及发展前景，讨论了轻量化材料对汽车行业节能减排的重要性和必要性。

1 超高强钢材料及热冲压成形技术1.1 超高强钢材料

按照国际钢铁协会的规定[5]，根据屈服强度和抗拉强度2个指标的高低，将钢板分为低强度钢板、高强度钢板和超高强度钢板，如表1所示。我国汽车行业将屈服强度大于550MPa、抗拉强度大于700MPa的钢板做为汽车用超高强钢板。常见的汽车用超高强钢板为高强度TRIP钢、CP钢、DP钢、马氏体钢和TWIP钢等。

表1 国际钢铁协会钢板分类表

锰可以强烈降低钢的Ar1转变温度，提高钢的淬透性，增加奥氏体含量，使钢的调质组织均匀、细化，大幅度提高钢的强度和硬度，而对钢的延展性影响较小[6]；硼可以提高钢的淬透性，通过细化组织和强化晶界改善钢的强度和韧性[7]。所以，22MnB5成为目前汽车用超高强钢的首选材料，成为超高强钢的研究热点。

22MnB5超高强钢板的初始抗拉强度为500～700MPa， 屈服强度350～550MPa，经过热冲压后成形件的抗拉强度一般会超过1300MPa，屈服强度则会超过950MPa，硬度一般超过400HV10[8]。由于22MnB5优异的热冲压成形性能和较高的力学性能，目前研究人员在22MnB5的基础上研究开发了多种汽车车身超高强钢材料。刘安民[9]等通过复合添加微量的铌和钒进行22MnB5的微合金化，结果表明，微合金化后，钢中组织形成了细化晶粒作用的NbC和沉淀强化作用的VC，显著提升了22MnB5的力学性能和极限尖冷弯角的性能。Yan-hong Mu[10]等通过对比研究30MnB5和22MnB5的微观组织和力学性能，表明C含量的增加可以提高成形零件的抗拉强度。金属元素Mo对铁素体具有固溶强化作用，同时能提高碳化物的稳定性，提高钢的淬透性，减轻合金钢的回火脆性，对提高22MnB5的强度、冲击韧性和延展性均能产生非常有利的作用。陈泽中[11]等进行了22MnMoB的热冲压成形数值模拟和工艺研究，结果表明，合金元素Mo的加入改善了汽车后地板横梁的成形性，减少了在热冲压过程中的开裂或起皱等缺陷，热冲压成形有利于得到均匀的板条状马氏体组织。图1为汽车用钢板分类和应用范围。

图1 汽车车身用钢板

1.2 热冲压成形技术

超高强钢热冲压成形技术是指将超高强钢加热到950℃左右（下上浮动10℃）并保温5min左右（根据超高强钢板料厚度、生产厂商的不同、镀层种类的差异，保温时间在3～6min浮动）使之全部奥氏体化后，然后快速移动到热冲压模具上进行冲压成形并保压一定时间，高温板料在模具的作用下快速冷却得到内部为均匀的马氏体组织。

一款新车型在实现批量生产前，需要生产制造样车，进行100%零部件检测、整车碰撞以及工艺等验证，确认新车型设计的有效性和整车的安全性。在样车研发和制造阶段，需要的零部件台份较少。热冲压成形一般采用箱式炉进行加热，加热完成后采用人工方式完成高温板料从加热炉到模具的转送。图2为天汽模热冲压成形样件的研发试制流程[12]。在批量生产制造阶段，零件件的需求量较大，则采用辊底式加热炉，并且采用工业机器人进行高温板料的转送，如图3所示[13]。针对型面复杂或者易发生叠料、起皱、开裂等缺陷的零部件，常采用二次成形的冲压工艺，即首先采用冷冲压的方式进行预成形，然后再加热进行热冲压，如图3（b）所示。

图2 超高强钢热冲压成形研发试制工艺流程

图3 超高强钢热冲压成形量产工艺流程

1.3 超高强钢在汽车零部件上的应用

胡健[14]等研究了B1500HS（22MnB5的一种牌号）钢热冲压成形汽车零部件的过程，结果表明，通过调整压料板式方案参数，可以制造符合热冲压零部件性能、内部为均匀板条状马氏体组织的汽车车门防撞梁，如图4（a）所示。朱明新[15]等采用表面镀有Al-Si涂层的22MnB5研究重力对厚度超过2.0mm的厚板件热冲压成形件的影响，成功制造出纵梁外板件，如图4（b）所示。山东泰利先进制造研究院采用热冲压成形技术试制出A柱、B柱、A柱加强板、B柱加强板、防撞梁以及纵梁等多个热成形汽车零部件，如图4（c）和图4（d）所示。

2 铝合金材料及温热成形技术2.1 车用铝合金材料

铝合金的密度在2.7g/cm3左右，约为钢铁材料的1/3。由于铝合金具有密度小、质轻强度高以及优异的耐腐蚀性等特点，越来越多得被应用于汽车车身部件[16]。5xxx系和6xxx系铝合金由于具有高强度、优异的耐腐蚀性能，是实现汽车轻量化的理想材料之一，被越来越广泛地应用于汽车车身和覆盖件[17-18]。其中，5xxx系铝合金的抗拉强度大于270MPa，6xxx系铝合金的抗拉强度则大于310MPa，完全可以替代汽车车身的某些强度要求较低的钢制外覆盖件。

图4 热冲压成形汽车零部件

金滨辉[19]通过向汽车车身用5182铝合金加入微量Zr元素，提高了铝合金的再结晶温度，可以改善铝合金变形后的表面质量，对于提高汽车零部件尤其是表面质量要求较高的汽车外板件的作用至关重要，并且在一定程度上提高了合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率。王华中[20]研究了汽车车身用5182铝合金板的组织与性能，结果表明，增大冷轧变形量可以明显提高合金的抗拉强度和屈服强度，抗拉强度可以达到460MPa以上。如图1所示，大冷轧变形量的5182铝合金的抗拉强度达到了高强度钢板的力学性能，在一定程度上可以代替汽车车身的骨架件。郭富安[21]等通过对汽车车身用Al-Mg-Si-Cu铝合金板材进行预时效，研究了铝合金的组织与性能。结果显示，预时效可以显著降低自然时效的有害作用，并能够显著提高合金板材的烤漆硬化能力，有利于汽车白车身的后期烤漆，并在烤漆过程中提高汽车车身的力学性能。

2.2 铝合金温热成形技术

温度对铝合金的塑性和成形性影响较大。为了避免铝合金板料在成形过程中发生开裂、回弹、起皱以及叠料等缺陷，一般将板料或者模具加热到一定温度后进行冲压，即温热成形。根据加热温度的不同，分为温成形和热成形。温成形的加热温度200～320℃，热成形温度320～550℃[22-23]。根据加热的对象，温热成形技术包括3种成形工艺工艺，如图5所示，即直接加热铝合金板料、直接加热模具以及模具和板料同时加热。

如图5（a）所示，在传统冷冲压工艺技术上进行转换升级，直接加热铝合金板材，技术实现简便快捷；在设备方面，只需要增加铝合金板料的加热设备即可，设备投入较小。所以，直接加热铝合金板料的温热成形工艺是目前在铝合金零部件试制研发阶段采用的主要工艺。

图5 铝合金温热成形工艺

2.3 铝合金在汽车零部件上的应用

神龙汽车有限公司开发了一系列铝合金件在汽车上的典型应用，如图6（a）所示，为发动机机罩铝合金外板件（即汽车前盖外板）[24]。韩俊超[25]等利用Dynaform模拟了汽车前盖内板冲压成形过程，并成功采用5182铝合金板材冲压成形汽车前盖内板，如图6（b）所示。张超[26]将5754铝合金板加热到200℃后进行温热冲压，成功制造出汽车发动机罩内板，如图6（c）所示。结果表明，铝合金件的温热成形效果良好，主体部分没有发生开裂、叠料、起皱等失稳现象，说明了铝合金温热成形的可行性。

图6 铝合金温热成形汽车零部件

3 碳纤维复合材料及RTM成形技术3.1 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料是一种碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）。碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度碳材料，决定了碳纤维复合材料具有质轻、高强度、耐蚀性优异的特性。碳纤维复合材料的密度在1.6g/cm3左右，约为钢铁材料的1/5，而抗拉强度则超过1200MPa，成为代替钢铁材料的汽车轻量化用理想材料[27-29]。

图7 碳纤维复合材料RTM成形工艺流程图

碳纤维复合材料质轻高强的特性，使其逐渐应用于汽车轻量化研究。但是，由于碳纤维的价格高昂，目前碳纤维复合材料只在高端车型上进行部分应用，如宝马I3、宝马7系、通用的Ultralite车身、通用雪佛兰CorvetteZ06纪念版轿车以及福特GT40等[28,30]。

3.2 碳纤维复合材料RTM成形技术

树脂传递模塑成形技术（即RTM成形技术）是碳纤维复合材料制造汽车车身部件的主要工艺之一。碳纤维RTM成形技术是先将碳纤维织物置于模具中形成汽车零部件的形状，然后将树脂注射进入模具、浸渍碳纤维并进行固化成形的一种生产成形工艺。图7为碳纤维复合材料RTM成形工艺流程图。

3.3 碳纤维复合材料在汽车零部件上的应用

上汽集团采用碳纤维复合材料汽车翼子板构件代替原有的钣金件，使其整体减重达38.46%。经过高温试验、耐候性试验以及干热气候光照试验进行测试，结果表明，翼子板表面未出现肉眼可见的缺陷等失效现象。此外，通过装车运行验证了碳纤维零部件的可靠性。如图8（a）所示，为经过一系列测试后的翼子板[31]。北汽集团新技术研究院采用三维编织预成型结合RTM固化成形的复合制造工艺制造了车顶横梁，如图8（b）所示[32]。经过三项检测表明，碳纤维复合材料车顶横梁各项指标满足装车要求和整车的各项性能，并且与传统钢构件相比，减重率达40%。

马芳武[33]等研究了碳纤维复合材料在汽车B柱加强板上的应用，通过自由尺寸优化、结构优化等，优化后的B柱加强板在保证刚度的前提下，结构减重可达76.4%。三点弯曲测试结果表明，与传统钢制钣金件相比，强度有所增加，且变形量减小量明显。陈静[34]等研究了汽车防撞梁的碳纤维复合材料轻量化设计，研究结果表明，采用碳纤维复合材料替代传统钢钣金件结构件质量降低了64.5%，且经过装车碰撞测试，碳纤维复合材料防撞梁可以用于实车的产业化使用。

图8 碳纤维复合材料汽车零部件

4 结论

以超高强钢、铝合金和碳纤维复合材料为代表的轻量化材料，由于其高强度，在充分保证汽车行驶安全的前提下，可以明显减轻汽车重量，对汽车的燃油经济性、减少汽车尾气排放、减小环境污染以及节约燃油资源等方面具有十分重要的作用，在汽车车身上的应用越来越广泛。

（1）超高强钢抗拉强度超过1300MPa，在汽车防撞梁、A柱、B柱以及汽车纵梁等保证碰撞安全的汽车零部件上得到了充分应用。

（2）铝合金的高强度达到了低强度钢板的使用要求，在一些车型上的外覆盖件上得到了充分应用。但是，由于它的价格较高，目前铝合金在汽车车身上的应用受到了一定限制。

（3）虽然碳纤维复合材料质轻高强，但是价格昂贵、制造成本较高，目前只应用在高端车型或者小批量定制车型上，使用范围十分局限。