汽车车身用钢发展趋势分析

导读

采用大数据分析的方法， 对近十年在欧洲车身会议上获奖车型的车身用材进行了详细地分析，推断和预测了以“人”为主的驾驶方式下，汽车车身用钢的发展趋势: 无论是传统燃油动力车还是新能源汽车，汽车用高强钢因其兼顾了成本、安全、轻量化、易维修、绿色环保等优点， 仍将是最适合用在汽车车身上的材料， 而铝合金、镁合金和碳纤维则是其重要的补充; 从 2009—2017 年 ECB 获奖车型的用材来看， 钢、铝是周期性的变化， 并且呈跷跷板关系; 对于钢的具体品种而言， 先进高强钢和热成形用钢一直是稳步增长的趋势， 其中先进高强钢增幅略大于热成形用钢; 对于钢中的软钢和普通高强钢， 呈现弱周期性趋势， 而 2016、2017 年的增长来自于铝板、铝挤压件的下降; 在驾驶方式未发生重大变化之前， 未来汽车车身用材仍将维持周期性变化， 但变化周期缩短、变化幅度降低， 汽车车身用钢量可能将维持在 70% 左右的动态平衡点。

当今世界汽车技术的发展趋势为“低碳化、信息化、智能化”，国内节能与新能源汽车作为中国制造2025的10个重点领域之一，在国家双积分政策的引导下，近年来发展迅猛，2017年销量达到77. 7万辆，连续 3年居世界第1。除了占据新能源汽车销量 60% 的纯电动乘用车之外， 纯电动商用车、插电和非插电混合动力汽车、氢能源动力汽车、燃料电池电动汽车及其他新能源汽车也得到了快速增长。

对于新能源汽车而言，汽车自身重量是影响其续航里程的重要因素之一，轻量化需求较传统动力汽车更为急迫。除了轻量化设计和应用先进高强钢之外，具有较低密度的铝合金、镁合金和碳纤维近年来也成为汽车轻量化的重要材料，甚至有一种观点认为， 铝合金将作为轻量化的主要方向，在乘用车车身及部件上将用轻质的铝合金替代钢材来制造全铝车身。

本文观点是: 汽车用高强钢 ( High Strength Steels， HSS) 兼顾了成本、安全和轻量化等优点，在动力新能源化后仍将是最适合用在汽车车身上的材料，而铝合金、镁合金和碳纤维则只是其重要的补充。

一、近十年来欧洲车身会议获奖车型的车身用材情况分析

2015 年的欧洲车身会议上， 9 款获奖车型中有两款近乎是全铝车身， 其余车型中也有较大的铝合金用材占比， 如图 1 所示。

图 1 2015 年欧洲车身会议获奖车型车身用材情况

如果单从2015 年的数据来看， 似乎铝板将成为未来的车身用材主流趋势。然而，仅仅是时隔两年，在 2017 年欧洲车身会议上， 12 款获奖车型中就有 7款车型几乎为全钢车身，另有 3 款车型的车身用钢在70% ～ 80% 以上。那么， 未来的汽车用材发展趋势会如何? 本文试图从近十年来的欧洲车身会议所有获奖车型的车身用材数据 ( Euro Car Body 2008—2017) 来进行分析和预测。

大数据处理方法: 第1步，计算每一款车型车身用材中的钢、铝合金、塑料、不锈钢、镁合金的质量; 第2步，计算某一年度所有车型的车身用钢、铝合金、塑料、不锈钢、镁合金的总质量，并计算当年度所有车型的车身总质量; 第3步，计算该年度每一种材料的份额比例，如式(1)所示; 第4步，以年份为横坐标，以材料使用份额比例为纵坐标，可以得到图 2 所示的车身用材变化趋势图。

图 2 近十年欧洲车身会议获奖车型车身用材变化趋势图

从图2 可以看出，近十年来，欧洲车身会议上获奖车型的车身用材主要为钢和铝合金，其他材料如塑料、不锈钢、镁合金等在车身中的占比极低。而钢和铝合金呈现出强周期性的变化趋势，并且互呈跷跷板关系:某一年份钢的用量上升，则该年份的铝合金用量就相应下降;反之，若某一年份铝合金用量上升，则该年份的钢用量就相应下降。从2009 年钢用量占70%，到 2017 年钢用量回到70%以上 (82. 2% )，用了8年时间走完一个完整的周期。这个周期不是简单地重复，历经8年不是回到原点，而是有着技术进步的内涵，是一种螺旋式上升的趋势。这可以从以下更进一步的分析中得到证实。

表 1 为欧洲车身会议对车身用钢材的具体分类。

按照上述大数据分析的 4 个步骤， 对 2009—2017 年所有获奖车型的车身用钢材进行分析， 得到图 3 所示的趋势图。

图 3 近十年欧洲车身会议获奖车型车身用钢材变化趋势图

从图3 中可以清晰地看出: 对于钢的具体品种而言， 先进高强钢和热成形用钢一直呈现稳步增长的趋势， 其中先进高强钢增幅略大于热成形用钢。对于钢中的普通高强钢， 呈现下降趋势 + 周期性波动趋势。普通高强钢、先进高强钢、热成形用钢都是用在车身结构件上， 与车身安全性密切相关。随着近年来各国安全法规的不断严格、人们对自身安全诉求的不断提高， 在汽车车身轻量化这样一个大的技术趋势下， 具有更高强度和更好安全性的先进高强钢和热成形用钢明显更受到各汽车厂的青睐。在车身重量不断降低的情况下， 先进高强钢和热成形用钢的稳步增长， 必然会带来车身结构用其他两种材料的下降: 一种是普通高强钢， 一种是铝挤压型材。普通高强钢用量的下降是由于先进高强钢和热成形用钢的增长，周期性波动则与铝挤压型材的周期性波动密切相关。

从图3 中也可以看出，对于钢中的软钢， 呈现强周期性的变化趋势， 这个趋势几乎与车身总用钢量的趋势保持一致。软钢主要用于车身外覆盖件、大内板件等。这种变化与汽车用铝合金板材的变化趋势呈现跷跷板效应有关。而欧洲车身会议特指的两个超高强钢品种: 复相钢 CP 和马氏体钢MS，则保持在总用钢量的 5% 以下范围内波动。

二、汽车用高强钢优势分析

与铝合金、镁合金等轻质材料相比， 钢虽然存在密度较大的缺点 (钢的密度为7.85g•cm-3，铝的密度为2.7g•cm-3，镁的密度为1.74g•cm-3)，但是却存在以下 4 个方面的优势。

(1)高安全性。成立于1903年的全德汽车俱乐部(Allegemeiner Deutsche Automobile Club，ADAC) 比E－NCAP 更早开始在欧洲进行碰撞试验，并把结果公布给消费者。它的一项研究结果表明，车身中高强钢用量越多，越能够保护乘员的安全，如图4所示。图 4a 的试验用车型，其白车身中没有使用高强钢，在正面碰撞试验中，驾驶室全部崩溃。图 4b 的试验用车型，白车身中采用了高强钢，但高强钢用量较少，低于 10%，在正面碰撞试验中，驾驶室的A柱和车身顶部发生了变形。图4c的试验用车型，白车身中采用大量的高强钢和超高强钢(＞70%)，在正面碰撞试验中，驾驶室几乎未发生任何变形， 可有效保障乘员的生命安全。

(a) 白车身没有用 HSS

(b) 白车身 HSS 用量 ＜ 10%

图 4 高强钢用量与碰撞安全的关系

( 2) 低成本。车身制造成本包括原材料成本、零件加工成本、小总成及车身拼装成本、产品检验成本及其他成本等。汽车用钢不仅吨钢成本要远低于铝合金、镁合金和碳纤维， 而且其加工工序成本更是低廉(大多数情况下，原材料成本占到整个零件成本的70% 以上)，因此，应用高强钢无疑是成本最优的轻量化材料解决方案。图5是汽车车身各种轻量化技术的成本对比。

图 5 汽车车身轻量化技术方案与成本对比

( 3) 易维修。除了制造成本之外，汽车的维修保养成本也是人们的关注点。与其他材料相比，钢具有更好的塑性和韧性，在发生碰撞、擦划伤、石子撞击等事件后，大多数情况下可通过钣金工艺来修复，极大地降低了使用成本。

( 4) 环保。国际钢铁协会下属的世界汽车用钢联盟认为: 控制汽车碳排放的法规应改变目前仅考虑行驶中尾气排放的评估方式，而改为衡量汽车整个生命周期的排放 ( LCA)。控制汽车排放的法规应涵盖汽车从原料生产到生命周期结束后回收再利用的整个周期， 如果只关注车辆行驶产生的排放评估，那么会鼓励汽车生产商使用铝、镁和碳纤维等替代材料，以减轻车重、减少燃油消耗。但这些材料生产过程中的碳排放比钢铁多 5～20倍，这将增加汽车在整个生命周期中的温室气体排放。为此，世界汽车用钢联盟开展了 “未来钢质汽车” ( FSV) 项目的研究，该项目侧重于设计全钢质结构车身的电动汽车，研究结果表明，采用全钢材料的车身重量较之对标车型可减轻 35% ， 全生命周期排放量可降低近 70%。此外，与其他材料相比，钢铁是一种更易于降解的绿色 “生态”材料。

3、车身用材发展趋势推断与预测

在卡尔•本茨发明了汽车之后，亨利•福特于1908 年第 1 次实现了工业化流水线的汽车生产， 为工业产品的流水生产模式奠定了基础，其福特 T 型汽车具备了现代汽车的大多数典型特征。直到 20 世纪 70 年代的能源危机之前， 汽车车身用材料几乎100% 采用薄钢板，且大部分采用冲压成形方式加工。能源危机的爆发，促使汽车工业朝着减轻汽车自重、降低燃料消耗、减少废气排放的方向发展。据日本汽车工业协会对汽车材料构成比例的调查，汽车用普通钢从1989年的56.9%下降到 1997 年的52.1%，而铝合金、镁合金以及工程塑料等轻质材料用量正逐年增加，广泛地用于汽车上。这份资料未特别指明汽车车身用材的情况，另一份文献报导了第1辆全铝车身汽车———Audi A8 的诞生。这些变化给钢铁工业带来了前所未有的危机感。1987年，由美国钢铁市场发展学会汽车应用委员会发起，钢铁企业与菲亚特(美国)、福特汽车公司、通用汽车 公 司 等 结 成 了 汽 车 /钢联盟( Auto /Steel Partnership，A /SP)。联盟利用汽车和钢铁行业的资源来进行研究、验证和培训，以帮助汽车制造商提高汽车的安全性和燃油经济性，并改进设计和制造。1994 年，世界钢铁协会牵头组织了 15 个国家 32 家钢铁企业，启动了超轻钢车身项目———Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB)，该项目开发的中级车白车身不仅比对标车型减轻25% ， 而且抗扭刚度提升了65%，制造成本降低了14% 。在 ULSAB 中，大量使用了高强钢和超高强钢及其先进的成形技术———管件液压成形技术、钢板热冲压成形技术、辊压成形技术等。这些研究，结合钢铁本身具有的优势， 使得钢材在车身中的用量逐步回升。

据此，尝试在图 2 的基础上推断2008年之前汽车车身用材的变化趋势，如图6左侧部分所示。随人们对材料的认识逐步加深，和汽车动力技术的逐渐进步，如传统动力 汽 车 的 燃 油 效 率 提 升、电动汽车的电池技术进步等，可以大胆预测，未来汽车厂车身用材料依然会以钢铁为主，其波动周期会逐步缩短、波动幅度会逐步降低，从而达到一个动态的均衡，这种均衡可能会维持在钢铁用量占70%左右的水平，如图6右侧虚线部分所示。

图 6 车身用材发展趋势推断与预测

以上推断与预测，是基于现有驾驶方式进行的。未来，如果自动驾驶、智能驾驶、车联网联等技术实现成熟应用，或许将改变传统的由 “人” 驾驶的方式，可能会促使汽车的结构发生革命性的改变，那个时候车身用材料或许也会随之发生很大的变化。

4、结论

(1)在驾驶方式仍然以“人” 为主的时代，无论是传统燃油动力车还是新能源汽车， 汽车用高强钢因其兼顾了成本、安全和轻量化等优点，仍将是最适合用在汽车车身上的材料，而铝合金、镁合金和碳纤维则是其重要的补充。

(2)从2009—2017年欧洲车身会议获奖车型的车身用材来看，钢、铝是周期性的变化， 并且呈跷跷板关系。

(3) 对于钢的具体品种而言，先进高强钢和热成形用钢一直是稳步增长的趋势，其中先进高强钢增幅略大于热成形用钢。

(4) 对于钢中的软钢和普通高强钢，呈现弱周期性趋势，2016、2017年的增长，来自于铝板、铝挤压件的下降。

(5) 钢与其他材料相比，具有高安全、低成本、易维修、环保等优点。

(6) 在驾驶方式未发生重大变化之前，未来汽车车身用材仍将维持周期性变化，但变化周期缩短、变化幅度降低，汽车车身用钢量可能将维持在70%左右的动态平衡点。

来源：材加网、《锻压技术》