高强钢和铝合金——试论复合材料在汽车行业的两大有力竞争者

根据预测,全球汽车复合材料的市场规模将在2018年达到150亿美元。这个数字看着相当可观,但我们却不可管窥蠡测。实际情况是,在汽车轻量化领域,复合材料的用量仅占全部材料用量的1%。其中,高强钢和金属铝作为最重要的两支竞争力量,最为引人关注。

今年早先时候,在美国克利夫兰市举办的先进设计与制造大会上,与会者对汽车行业的轻量化材料创新展开了激烈的讨论。美国ACMA协会在今年11-12月出版的双月期刊中将对其进行全面报道,中国复材展的编译团队也将第一时间为您呈上新鲜的资讯。此时,我们先不去关注人们是怎么看待复合材料的,让我们换个角度,从高强钢(HSS)和金属铝这两种材料着手,看看它们在汽车轻量化的实践过程中,经历着怎样的挑战。

高强钢

“当说起汽车轻量化的时候,人们不可避免地会提及钢铁。”钢铁发展研究所汽车市场副总裁Jody Hall在大会发表演讲时表示说,“今天我站在这里想要告诉大家的是,钢铁不仅仅是汽车轻量化的选择之一,更是很多应用领域,包括车体结构制造的最优选择。”

Hall向与会者分享了自1980年代人类发明高强钢以来,钢材在不断发展过程中的创新演变。时至今日,世界上共有超过200个品级的钢材,其创新之处大多集中在提升强度、提升锻造性能方面。在汽车领域,孪晶诱发塑性钢(TWIP)应用较为广泛,这归功于它机械性能出众、刚度高而且吸收能量的能力强。然而,Hall同时也承认TWIP合金成分较多,价格稍显昂贵,而且不易于其他材料接合。

Hall表示,目前钢铁行业正全力对第三代高强钢产品进行性能再优化。“我们需要性价比超出TWIP,并且强度与韧性兼具的新三代产品。”

钢铁发展研究所是一个名为汽车/钢铁联盟机构的下属单位,致力于提示钢材性能,扩大其产品应用。“汽车主机厂对应用各种材料进行产品设计都信心十足,但设计是一回事,生产又是另一回事了。”Hall坦言,“他们需要考虑如何把不同部件拼装成目标结构。”

“对于汽车行业来说,高强钢是发展最快的应用材料。”Hall表示,“实际上,我们是在对自己的产品进行革新,淘汰了中强钢和高强低合金钢,而以更加先进的高强钢取而代之,从而达到减轻车体重量的目标。”

在她眼中,钢铁是汽车主机厂的“第一选择”,但同时承认面临着来自其他材料产品的激烈竞争。“钢铁是性价比最高的选择,而且汽车主机厂的生产线都是以使用钢材为基础设计的。因此当提到轻量化的时候,钢材绝对是他们的首选。”Hall表示说,“但当他们的要求无法通过钢材满足的时候,转向复合材料或其他材料也是一件顺理成章的事情。”

  铝合金

来自Pennex铝材公司的技术主管Henry Bertolini也在大会上发表了自己的演讲,承认铝行业面临的种种问题和挑战。“我们需要提高产品强度,但同时需要把成本控制在可以接受的范围内。”兼顾性能与成本,其实是复合材料行业和金属铝行业面临的共同难题,也是阻碍它们在汽车行业获得更大市场份额的掣肘。

“通常,一部汽车中只有2%的材料采用的是铝结构。”Bertolini表示说,“很多年前,人们就开始使用铝材生产一些简单的汽车零部件,但从那以后便无更大进益,导致铝合金在汽车行业的应用陷入停滞局面。现在是时候做出改变了,我们需要为铝打造专属的汽车设计。”

Bertolini以2016年在市场上首秀的凯迪拉克CT6型豪华轿车为例,向大家证明使用铝料的好处。她指出这台轿车64%的结构用的是铝材,重量比使用钢材的同类轿车减轻了约200磅。

铝行业希望通过更多展示铝材的优点来赢得主机厂的芳心。这些优点包括更短的生产周期、更低的模具价格、可回收可再利用,以及易于生产一体化结构。这些优势,对于复合材料的生产企业来说听着想必十分熟悉,因为复合材料在上述方面也颇具优势。然而,阐述这些优势并不是为了让主机厂简单的把钢结构换成铝结构,而更像是在说服主机厂为了使用铝材而更改汽车的设计方案。

Bertolini向与会者分享了一个故事。一家OEM厂商要求Pennex公司尝试将一台钢结构汽车底盘换用铝材生产。但当Pennex完成合约交付产品的时候,这家客户却抱怨说底盘还是太重,而且成本太贵了。“我们向客户解释说,你们不能停留在旧的设计方案上。如果你们想用铝替代钢,你的设计方案必须为铝做出调整。”更重要的是,为了更好发挥铝材的优势,主机厂还必须对汽车的生产装配生产线进行整体改造。

铝材在汽车市场不能大规模应用的另一个原因出在供应链上。Bertolini解释说,特斯拉相中了一款新型铝合金材料,性能十分突出,在小规模生产的时候完全没有问题。但后来特斯拉3型汽车的问世让供需出现了极大的不平衡,依据我们的现有产能,无法生产出足量的这种特殊铝合金。“于是,特斯拉不得不降低要求,用相对普通的铝合金做为替代,以牺牲质的代价满足了量的需求。”Bertolini表示说,如果更多铝业公司具备生产这种特殊合金的能力,铝材在汽车行业或许能得到更好的推广。

综合看来,材料的选择其实是一种权衡。Bertolini表示说。OEM厂商的终极目标无非是更高的强度、耐受性以及最好的抗冲击性能。“有时我真想告诉他们,满足两个就不错了,不必苛求。但这是客户的要求,我们只有努力去满足,既保证他们获得最好的性能,又不能让他们下太大的成本。”

兼顾性能与成本,这是所有材料供应商面临的共同挑战。“如果铝合金不去想办法,主机厂自然会转向其他材料供应闪寻求解决方案,比如碳纤维复合材料,比如镁,最后的结果就是丢失了客户。在此之前,我们都享有平等的竞争机会,鹿死谁手,就看谁能把握住了。”

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