新一代钢铁：汽车行业的未来支柱

发布时间：18年11月14日

编译博衍

为了满足燃油效率的要求，汽车制造商将采用碳纤维、铝材和先进钢铁材料制造下一代汽车。

　　奥巴马政府曾对在美销售的汽车制定较为严格的燃油经济标准，之后汽车制造商就一直通过技术创新来提高效率。一些著名的改进技术包括燃油喷射、三缸和四缸发动机、涡轮增压器以及停车/启动技术――当车辆在停车灯或停车标志处空转时可关闭发动机，而当油门踏板被踩下时则能够自动重启。但这些改进技术能做的也就这么多了。

　　燃料效率真正的敌人是重量。正因如此，制造商一直在认真研究用于制造车架、引擎盖和其他部件的材料――在传统上，这些部件采用钢材制成。一些企业转而使用先进材料，如铝材和碳纤维，还有一些则采用新一代轻质高强度钢。

减重

　　铝材和碳纤维的特性对汽车制造商极具吸引力：这些材料不仅只有钢材重量的1/3，甚至1/5，碳纤维的强度更是钢材的10倍。但是，铝材的生产成本是钢材的3倍，而且汽车制造商还必须花费数亿美元来整合新的焊接生产技术。

　　碳纤维的价格是铝材的3～5倍，部分原因是生产碳纤维的工厂极少。为了解决这一问题，宝马公司在2010年至2017年投入巨资，与西格里汽车碳纤维公司共同成立了一家合资企业，在美国华盛顿州摩西湖建造了一家碳纤维工厂。该工厂凭借一己之力，将碳纤维的全球产量提高了50%。当前，这种纤维材料的成本尚未公开，但西格里发言人卡塔琳娜·施拉德（KatharinaSchraidt）表示：“我们的目标是到2020年把碳纤维的价格降至铝材的价格水平。”

　　这家合资公司生产的碳纤维被运往德国瓦克尔斯多尔夫，并在那里锻压成纤维排列各异的层压材料。之后，这些层压材料被制造成车骨架结构部件，由机器人黏合或焊接至铝质底盘。整车生产大约在20个小时之内完成，为传统生产工艺所需时间的一半左右。宝马目前有两款车型采用碳纤维制造：一款是产自德国兰茨胡特、售价13万美元的宝马i8；另一款是产自莱比锡、售价4.4万美元的i3。

改良

　　采用碳纤维生产一些高档车型意义重大，但对于售价1.5万～4万美元、细分市场销量最大的家用汽车来说，其成本太高了。尽管一些制造商正在使用铝材生产引擎盖、后部行李箱等，但汽车的其余部件通常仍由钢材制成。

　　由于钢铁成本较低，而且有现成的生产基础设施，汽车制造商已经投入巨资开发更轻质的合金。2011年，由行业支持的世界汽车钢联盟（WorldAutoSteel）推出了被称为“未来钢制汽车”的概念车型，这款车是由世界汽车钢联盟与美国能源部联合开展的一个为期三年的项目开发的。采用新的制造技术和先进的钢复合材料生产的车辆比目前的钢铁车轻39%。

　　新一代先进高强度钢（AHSS）结合了第一代钢的坚硬和易于成形性以及第二代钢更高合金化和可成形性更佳的优点。先进高强度钢的优异性能源于对各种因素的合理控制，如金属冷却时间、特意添加至合金中的杂质等。为了降低腐蚀风险，钢铁在生产过程中会被浸入到熔融的锌液中。

宝马i3，左边为这款车的内部图，注意底部边缘未遮住的碳纤维

正在德国莱比锡工厂生产的宝马i3碳纤维车架和铝质底盘

　　科罗拉多矿业学院先进钢铁加工和产品研究中心负责人约翰·斯皮尔（JohnG.Speer）介绍说，最新一代的钢铁材料微结构在众多市场和应用领域均有用武之地。但他表示，汽车业之所以走在前列，是因为它们能够大幅提高燃油经济性。

　　这项工作最近取得了新的进展――在进行实际测试之前，可以使用超级计算来修正原有的钢结构设计。在“未来钢制汽车”计划中，美国能源部的科学家将对抗拉强度、杂质和冷却温度的单独模拟合并为一个超级计算机程序。密歇根州绍斯菲尔德钢铁市场发展研究院（SMDI，一家由业内公司资助的非营利组织）副院长乔迪·霍尔（Jody Hall）介绍说，在过去，这些模拟工作需要花费两个月的时间，而现在只需两天。

　　霍尔表示，在SMDI看来，“未来钢制汽车”计划已经取得了巨大成功。她说：“在我们推广这款概念车的三年中，马自达汽车公司已经将部分工作纳入了他们最新的SUV车型CX-9的设计中。”

　　事实上，在2018年华盛顿车展上，几乎每一辆新设计的汽车都采用了第三代钢，有的还使用了铝材和其他先进材料。2015年，福特汽车F-150卡车的车架是钢，车身换成了铝，从而减轻了450磅（约204千克）的重量。道奇汽车新推出的Ram1500采用高强度钢作为主材，车架中增加了先进高强度钢的用量，引擎盖、后挡板隔板和两根大梁则采用铝材，最终将车身重量减轻了225磅（约102千克）。“这些变化除了可以提高燃油效率，还有助于提高刚度，满足耐久性要求，并在碰撞事故中吸收能量。”Ram 1500总工程师迈克·雷蒙德（Mike Raymond）表示。如今，在轻型卡车领域，Ram是最具重量效率（由单位面积的质量决定）的卡车。

2019年的Ram1500卡车由不同材料制成，实现了重量和强度的平衡

　　减轻车辆重量这一趋势似乎注定要延续下去。尽管宝马公司一直在努力，但在更多的工厂加入摩西湖工厂之前，碳纤维很可能将继续成为奢侈品。由于铝材成本高昂，且焊接要求复杂，汽车制造商会尽可能减少其用量。不过，钢铁的前景依然光明。美国能源部将继续支持生产质量更轻、强度更高的钢材项目，而且更多的制造商正加入SMDI，协力开发和利用这类钢材。钢铁仍然是一种经久不衰的工业材料，而且通过技术创新，这种材料还将继续得到改进。