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汽车用铝还是用钢好?!铝和钢的战争

  • 2007-6-8 16:10:33
  • 来源:汽车之家
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    用铝?还是用钢?这个问题始终困扰着汽车工程师。铝合金一度威胁到汽车工业内钢铁在过去所扮演的领导地位,如果以铝和制钢的原料铁来相比,不但重量减轻了一半,抗腐蚀性也更优于钢,但是铝的价格也相对昂贵,且在制造和维修上都很困难。因此近年随着超轻型高强度钢板的问世,也使得铝合金的优势部分丧失。相对于铝合金,不少汽车制造商更加倾向于选择高强度碳钢来替代普通钢材,不过铝和钢之间的战争,可不会就这么轻易结束。
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    ● 用铝合金零件比重显著增加

    虽然消费者对于车辆安全性的要求越来越高,然而整个社会对于环保节能的呼声也相对提高,因此也使得汽车制造商们不得不寻求更坚固、更轻薄的造车原料,而铝与钢之间的战争也正由此展开。

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『铝合金因其轻量化的特性,因而被广泛应用在航空工业上』
    要制造一辆普通中型汽车必须耗去1600磅的钢和铸铁,还要再加上770磅的冲压钢板。相比之下,铝合金在一款欧洲汽车内的所占重量,则是从1990年的110磅增加到2005年的290磅(多数仍用于引擎内部件与缸体),而且预计到了2010年还会再增加55磅。跟制钢原料的铁相比,铝的重量不仅减轻了一半,其抗腐蚀能力也更优于钢,种种特质也使得铝更加受到汽车设计师们的青睐。

    在今日汽车历史上,已经出现过不少使用全铝合金车身打造的市售车,包括Honda的超级跑车NSX以及Audi为了彰显技术实力而推出的小型车A2,而目前在市面上仍在贩卖的车型则有Audi A8、R8和Jaguar XJ是采用全铝合金车身。其中Jaguar XK更是将铝合金技术与轻量化优势发挥到极致,不仅车身零件结合总数从5189个降至2761个,车身刚性更一举提高了48%,同时还大幅达到瘦身140kg的效果(从1685kg减重至1595kg)!

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    全新XK车系的马力输出仅比起旧款车型小幅增加6hp,而达到300hp的最大马力,但是在瘦身有成之后的重量/马力比,再加上悬吊系统的改良,换来的却是平易近人、更加灵巧的操控与驾驭感受。目前Jaguar车厂的销售量(12万570辆)与15年前被Ford收购前相比,也早已呈倍数成长。
    ● 强度钢材迎战铝合金

    以铝合金材质打造车体结构可有效减轻车重,因此也更适用于强调性能的跑车上,车坛上包含Honda NSX和Audi R8都是车体大量运用铝合金技术的实例。

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    铝合金的异军突起让车用钢铁供货商们倍感压力,因此他们也决定统一采取行动以对抗铝的威胁。早在1995年,便已有32家跨国钢铁生产厂商联合提出了超轻碳钢车身的概念,这种采用高强度钢材所制造的车身实现了更薄和更轻的结构,能使车身重量减轻达25%!轻薄化的车身确实提高了高强度钢材的销售数字,但是制钢厂却另外宣称,这种材料还有另一大好处,也就是让汽车在EuroNCAP撞击测试中得到更高的分数!

    欧洲新车评测系统(European New Car Assessment Program)中的碰撞测试,目前已经发展成为是欧洲新车量产前的必要程序,也早已成为消费者在购车时重要的一项参考依据,当今一款新车要想获得「不差」的安全声誉,得要在撞击测试中得到4至5颗星的评分。

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    经得起强力撞击的车型才能得到NCAP更优异的评分,因此钢材对于汽车制造商们来说显然颇具吸引力。

    根据Volvo安全中心工程师Marten Levenstam介绍,钢材质量的提高使得汽车业者能够制造出更具安全性的车身结构,并且还可不增加车身重量。“您能用普通钢材构成撞击力道吸收区,用高强度钢构成超级安全的乘坐区!”Marten Levenstam说,经得起强力撞击的车型,才能得到NCAP更优异的评分,所以这对于汽车制造商们来说显然颇具吸引力。

    由于欧盟修改了汽车废气排放中的二氧化碳含量标准,将其限制在每公里130克,使得汽车设计师们的注意力也随之转移到能减轻车身重量的钢合金上。普通钢板的厚度通常为0.7到0.75mm,而今日的超强度钢板厚度则仅有0.65mm甚至更薄,新款Opel Zafira的引擎盖钢板便只有0.6mm厚!

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    在1995年当时已有32家跨国钢铁生产厂商联合提出了超轻碳钢车身概念,采用高强度钢材所制造的车身将实现更薄和更轻的优势,并能使车重减轻25%。

    钢铁生产厂商Arcelor-Mittal、Robert Bosch GmbH与咨询公司Arthur D. Little的分析结果得出了一个发人深省的结论:仅仅减轻车身重量就能节省约5%的燃油,不过透过这样的方式来提高油耗表现,却只需在每辆车上增加212欧元(约为280美元)的成本以购买高强度钢材。现有的省油科技包括可变气门与进气岐管、涡轮增压和汽缸间歇功能等,却绝对无法达到5%的节油效果,而且降低车身重量,还可有效减轻煞车系统的负荷并提高引擎效能。

    合金的技术瓶颈

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    BMW制造了以铝钢材料混用的车身结构,但是首要原因则是为了平衡车身前后配重以换取更佳的操控性,但是这种混合结构却也使得制造成本上升了25%。

    钢铁生产厂商Arcelor-Mittal认为,采用高张力钢板来减轻车身重量是比较经济的选择,他们也预料随着高张力钢板达到更高的经济规模,市售车的重量亦能够进一步减轻。尽管铝合金生产厂商无法反驳这一点,但是他们却用另一种观点对其提出质疑:如果想要降低二氧化碳的排放量,考虑到汽车的生命周期和资源回收性(铝的回收比例高于钢铁),铝显然更优于钢!

    除了Audi和Jaguar之外,对于推出全铝合金车款有兴趣的车厂至今仍寥寥无几。BMW制造了铝钢材料混用的车身结构,但是首要原因却是基于平衡车身前后配重以提升操控性。BMW 5 Series即是钢制车身和铝制车首(主要在引擎盖)的结合体实例,而X5仅在车身前半部用上了少数铝合金零件,其整体结构仍为钢制。

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    铝合金在制造一款欧洲车上的所占重量,已经从1990年的110磅增加到2005年的290磅,预计到了2010年还会再增加55磅。

    不过仅仅是这种混合结构,就已经使得制造成本增加了25%,而起这还不是让车厂头痛的唯一原因,因为铝在受热后体积大幅膨胀的金属特性,更使得铝制车用零件的制造难度大大增加,在焊接车身时必须使用特制夹钳,并采用特殊制程才能将铝制零件固定在特定位置。包括GM在内的国际车厂仍无法将铝合金广泛应用在旗下车型上,主要原因就是考虑到处理铝制零件的特殊设备无法在遍布全球的组装厂与维修点广泛普及。

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    铝在受热后体积大幅膨胀的金属特性,使得铝制车用零件的制造难度大大增加,因为在焊接车身时必须使用特制夹钳,并采用特殊制程才能将铝制零件固定在正确位置。

    由于铝金属价格昂贵,且在制造和维修上都很困难,因此汽车制造商更倾向于选择高强度碳钢来替代普通钢材。在1995年当时,几乎所有车厂都只会使用普通钢材造车,不过如今,每辆车平均已含有26%的高强度碳钢和6%更高等级的钢铁合金。根据Arcelor-Mittal市场研究部门主管Patrick Pichant的预测,高速钢(High-Speed Steel/高强度钢铁合金材料之一)的应用将会在5年内由现在的6%增加到12%,而由于欧盟对于二氧化碳排放量的严格限制导致车厂迫切需要减轻车身重量,高速钢也很可能会因而得到更广泛的应用。

    一个是源自于航空工业的轻量化材质(铝合金),一个是现有材料的技术升级(高强度钢材),看来铝和钢之间的战争在短期之内仍不会结束。

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