我国汽车新材料技术发展现状分析与建议

以高强度钢、铝合金、镁合金和塑料等汽车轻量化材料为对象，论述了我国汽车新材料开发与应用现状、差距和存在的主要问题；提出了发展我国轻量化汽车新材料的几点建议。作为一种社会化的产品．汽车对人类社会的影响日益深刻，尤其是对能源和环境。据统计，美国的汽车消耗了其石油产品的５０％以上．所排放的ＣＯ：约占人为ＣＯ：排放总量的１／４。而随着汽车保有量的逐年上升，石油资源消耗和ＣＯ，的排放将呈现持续增长态势。汽车轻量化是应对上述危机的重要技术措施之一。世界铝业协会的报告指出，汽车自重每减轻１０％，燃油消耗可降低６％～８％。因此，汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。在这种大趋势的推动下，轻量化材料的开发与应用已成为当前汽车新材料技术发展的主导方向。轻量化材料是指可用来减轻汽车自重的材料。它有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢、高强度不锈钢等。在发达国家的汽车技术发展规划中，均将轻量化材料及其应用技术（又称为支撑技术）作为其中的一个重要内容，并进行了长期不懈的努力。本文以高强度钢、铝合金、镁合金和塑料等汽车轻量化材料为对象．论述了我国汽车新材料开发与应用现状、差距和存在的主要问题．并提出了发展我国轻量化汽车新材料的几点建议。１发展现状分析１．１状况我国汽车新材料的研发是在国内轿车工业的带动下起步的。为满足轿车材料国产化需要，“九五”和“十五”期间先后将“轿车新材料技术开发”、“超高强度高韧性铝合金研究开发和产业化关键技术”、“镁合金开发应用及产业化”等一批汽车新材料项目．列为国家“８６３”、“９７３”高新技术项目和国家科技攻关重大项目，相继开发出了一批国产轿车急需的金属材料和非金属材料，促进了汽车材料的技术进步。目前，我国汽车材料体系已初步形成，技术含量高的新产品发展开始加速：汽车用高性能钢板、塑料对进口的依赖程度逐年下降：铝合金（除板材外）及其成形技术基本上能满足当前汽车工业需求：镁合金的开发及应用已有一个良好的开端，汽车镁铸件的生产具有一定的规模。但是，同国外相比，我国汽车工业整体技术水平还比较落后，汽车材料领域的差距更大。主要表现：材料行业缺乏本专业的汽车材料发展规划与技术发展路线，从而无法确定近期、中期和长期技术发展目标与技术途径，使汽车材料技术研发处于一种无序状态，这是最致命的；自主创新能力差．产品大多仿照国外，缺乏原创性成果和具有自主知识产权的品牌与产品：缺少有效的科技创新体制，研究工作主要集中在大学与科研机构，成果难以产业化；另一方面．企业自主创新能力不足，产品结构不合理，技术含量低．不能满足市场对高端产品的需求：在材料技术研究中．往往只重视材料开发本身．而相关的设计技术、制造技术、材料与零部件试验技术、回收与再生技术、零部件维修技术等，并未进行深入研究，这也是新材料难以应用的一个重要原因：技术与管理水平落后，生产规模小，劳动生产率低．产品质量差；汽车专用材料品种繁杂、数量少，产量难以达到经济规模；汽车材料基础技术研究薄弱，缺少新材料评价技术与体系，材料技术标准混乱，基础技术数据与行业统计数据贫乏。从总体上看，我国汽车材料领域的现状还不能很好地满足国内汽车工业发展的需要。１．２高强度钢近年来，国内在汽车用高强度钢的开发与应用方面取得较大进展。国内各大钢铁公司纷纷将汽车用钢，尤其是高强度钢作为优先发展的重点方向，并投入了较大的资金和力量，发展汽车工业所需的新产品。以宝钢为例：表１为宝钢在2004年已形成商业化供货能力的高强度钢板品种，此后又相继开发出BＲ330/580DP热轧双相钢、５９０ＭＰａ热镀锌ＴＲｌＰ钢、５５０ＭＰａ轮辋钢等．对高强度钢的热冲压成形工艺进行了初步研究，目前正在开发热轧ＴＲｌＰ７００、ＤＰ８００和ＣＰ９００防弹板，以及高焊接性ＤＰ７８０、９８０/1１８０超强钢，它们基本上涵盖了国外当前生产的主要品种。国内其他钢铁企业也相继开发出各自的高强度钢产品．如武钢也成功地开发出强度级别在２６０—３６０ＭＰａ的高强度冷轧板，热轧板的强度级别达到了３３０～６１０ＭＰａ。这些情况表明，国产高强度钢产品系列已初步形成。另一方面，轿车钢板国产化率也有了较大幅度的提高。前几年仅为３０％一５０％的水平，而现在一般可达８０％以上。表２为某２００５年新款轿车钢板品种构成情况，钢板总用量为５１２ｋｇ，其中高强度板占３８．２％。该车２００５年上半年钢板国产化率为１８％。国内外载货车车架、车身和车轮等总成用钢的强度对比见表３。从表３得出，同国外相比，国内用材的强度水平普遍要低１—３级。高强度钢存在的主要问题是，自主开发能力不足，新产品的开发与生产主要依靠引进技术与装备；品种少，没有形成完整的产品系列，不能完全满足国内汽车工业的需求．以致目前有部分汽车薄板需从国外进口：大部分企业产品质量水平与国外存在较大差距，如钢材的表面质量差，尺寸误差大．力学性能、工艺性能（成形性能、焊接性能）不稳定、分散性大。１．３铝合金我国的铝矿产资源丰富，经过几十年的发展，原铝产量已位居世界第一（２００４年的产量达６５９万ｔ），并形成了一个完整的铝工业体系。国内汽车工业用铝也呈现快速增长态势．１９９３年国内汽车工业用铝量仅为４万ｔ，２００３年则上升到２８万ｔ．年均增长达６０％。“九五”期间进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究．开发出了多种铸造Ａ｜＿Ｓｉ合金和高性能Ａ｝．Ｓｎ．Ｓｉ系轴瓦材料；在半固态成形、快速凝固等先进成形技术研究与应用方面也取得了突破性进展。目前，国内铸造铝合金的品种列高强度牌号）、箔材国内基本上都可以生产．板材有２０００５０００系列，以及６０００系列中的少数牌号，７０００系列尚处于研发中。此外，国内在耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究与应用方面也取得了较大进展。从铝的应用水平看，２０世纪９０年代生产的国产轿车，单车铝用量一般在４０～８０ｋｇ，铝零件基本国产化：近年推出的新车型，铝零件的质量基本都在１００ｋｇ以上（如东风日产蓝鸟、颐达．一汽奥迪等），但国产化率较低。由于成本的制约，国产载货车铝的应用水平远低于轿车．目前单车用量大体在４０ｋｇ左右．大体相当于整车总质量的１％。除活塞外，铝零件还有气门室罩盖、转向器上盖、齿轮室、脚踏板和散热器．以及阀类零件等。新车型的用铝量则有明显的提高，已达到８０ｋｇ甚至１００ｋｇ以上。增加部分主要集中在发动机上，如进气歧管、油底壳、飞轮壳、齿轮室罩盖、水泵壳、机油泵壳和中冷器散热器等．如图１。铝合金使用存在的主要问题：没有结合我国资源特点，建立起具有自主知识产权的汽车工业用铝合金体系，现有产品标准化、系列化程度不高，生产也没有达到专业化；铸造铝合金熔体的纯净度不高，铸件成分不稳定，力学性能较差：铝板材品种不全．高端产品缺乏；板材成形性能差，烘烤硬化效果差，表面质量低、尺寸精度低（包括带材与管材），不能满足国内汽车工业的需求：材料成本高。１．４镁合金我国镁的蕴藏也十分丰富，菱镁矿资源占全球总量的２２．５％，原镁产量已占全球产量的６４％，是名副其实的镁金属生产大国。２００４年我国原镁产量达４５万ｔ，但由于国内消费不足，其中３８．４万ｔ用于出口。２００１年以前．国内批量生产的汽车镁合金压铸件主要是桑塔纳轿车变速器壳体，年产量不到３０００ｌ。为将我国的镁资源优势变为镁产业优势．“镁合金应用与开发”列为“十五”我国材料领域重点任务，并于２００１年启动“镁合金开发应用及产业化”项目，２００４２００５年国家科技部又将“镁合金开发应用及产业化”列为滚动发展项目；同时，国家“８６３”、“９７３”计划也安排了有关耐热、变形、高强高韧等镁合金新材料、新工艺研究项目ｉ国家计委将镁合金产业化列为高新技术产业化示范项目。其中“镁合金开发应用及产业化”项目对推动镁合金在汽车上的应用起到了重要作用。该项目已取得了显著的阶段性成果，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术．初步形成了从高品位镁合金生产、镁合金关键工艺与装备、汽车镁合金零件开发、生产到产业化环境与示范基地建设的一条完整产业链，在一汽、东风、长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线，开始批量生产镁合金铸件。如东风近期投产的６３０ｔ、８００ｔ和１６００ｔ镁合金压铸件生产线，可批量生产载货车的变速器上盖、脚踏板、真空助力器隔板、制动阀体等１６种零件，如图２。从总体上看．我国汽车镁合金图１某国产重型车发动机上的部分铝合金零件的开发与应用尚处于起步阶段。存在的主要问题：原创性的研究成果少．目前主要的合金牌号基本上都是仿国外产品：汽车用的镁合金品种及牌号不多，尤其是板材与型材缺乏：镁锭中的夹杂物和有害元素含量高，缺少统一的检测标准，尚不能较好地满足高性能压铸件及板材、型材生产的要求；镁合金基础研究薄弱。１．５塑料一般认为，２０世纪６０—７０年代是我国汽车塑料发展的起步阶段，其问汽车上的塑料零件很少，仅限于电器绝缘件和转向盘等零件，以及钢板弹簧衬套、半轴齿轮垫片等小型结构件。白７０年代末开始，采用ＰＵＲ软泡沫、ＰＶＣ革和ＰＶＣ薄膜制造汽车座椅、仪表板、顶棚、地垫和门内板等，即所谓汽车内饰软化阶段。从９０年代末开始进入汽车塑料全面发展期。轿车非金属材料国产化，大大提高了塑料在汽车上的应用水平．汽车塑料的用量逐年增长。目前，除部分原料和助剂外，普通用途的车用塑料及其基本原料国内都可以生产。现有国产轿车塑料的单车用量为５０一１１０ｋｇ，所使用类型和品种与国外基本相同。我国轿车塑料的应用水平．无论从单车用量、应用品种以及塑料制件的生产技术，均已基本达到引进国外同类产品的技术水平。国产轻、中型载货车塑料用量约４０—５０ｋｇ．重型载货车可达８０～１５０ｋｇ。应用主要以内饰件为主；同时水箱面罩、保险杠、轮罩、挡泥板、导流板、翼子板、脚踏６３０ｔ自动镁合金压铸生产线新建１６００ｔ铝／镁合金压铸生产线ＥＱ§１０５柴油发动机镁合金气镁合金变速器上盖（１５００ｇ）门室罩盖（１５９０ｇ）东风Ｈ３００一２０发动机镁合金齿轮室（４５５０ｇ）图２东风公司的镁合金压铸生产线及生产的部分压铸件板、灯壳和灯罩等塑料外饰件也越来越普遍；此外，还有进气管、空气滤清器、暖风机和空调零件等。图３为国产载货车上的若干典型塑料件的实物照片。塑料存在的主要问题包括：汽车专用塑料牌号少．产品性能不能满足选材要求，有些产品目前国内不能生产，需进口或采用改性塑料替代：品种繁多，材料标准混乱，不利于大批量生产与应用；缺少大型骨干企业，现有的生产企业规模小而分散．技术开发能力薄弱，工艺水平落后．不仅使产品质量难以保证，而且有些零件（如进气歧管）至今有相当一部分仍依靠进口：塑料的回收、再生利用方面冈０刚起步．与国外差距很大。２发展我国汽车新材料的几点建议进一步加强政府在汽车材料发展中的引导作用要进一步加强政府对汽车新材料发展的导向作用和支持力度，加快在汽车节能、环保和安全方面的立法．严格限制车辆自重、油耗及排放，促进汽车材料的轻量化、环保化；继续组织对重大汽车材料项目，尤其是对我国国民经济和汽车产业发展有重要影响的关键材料技术进行自主开发与产业化研究；采取激励措施．鼓励企业优先使用镁、铝、稀土等我国优势资源。加强对汽车材料行业的管理，提图３国产载货车上的若干典型塑料件高汽车材料生产专业化水平，支持优势企业做强做大，优化资源配置．逐步形成以大型专业集团为主的汽车材料生产格局，增强产业竞争力。（２）尽早制定我国汽车技术发展路线图和汽车材料技术发展路线图技术路线图不同于技术发展规划或战略。就对象而言，它所涉及的主题可大到国家或某一行业的科学技术，也可小至某一特定的产品或技术。就内容看．不仅包括技术发展战略与目标，而且勾画出了一条技术发展路线，包括技术领域的现状，分阶段实现的目标．主要技术障碍，研发需求，近期、中期和长期优先发展的关键技术，潜在的风险与时间进度等方面的详细内容。因此，技术路线圈是技术发展的纲领性文件，指导性和可操作性都很强。建议由中国汽车工程学会（或协会）牵头，尽快启动汽车技术发展路线图计划，并组织国内汽车及相关行业的专家学者．参考国外的经验，在国家科技发展战略和汽车产业政策的框架下，早日制定出包括材料技术在内的我国汽车技术发展路线图。按照路线图所设定的中长期汽车轻量化目标和对材料技术发展的要求．钢铁、塑料、铝、镁及其他有关的材料行业根据各自的具体情况和条件，制定出涵盖汽车工业的特定需求的本行业技术路线图。（３）建立新型汽车材料科技创新体系，增强自主创新能力加强材料研发机构、材料供应商和汽车及零部件企业之间的交流与合作，建立以企业为主体、产学研相结合．集基础研究、新材料开发、生产、应用为一体的新型科技创新体系，不断提高企业的自主创新能力，使汽车材料的研发与生产紧密围绕国内汽车工业发展的需求进行，形成整套工程化技术创新成果，促进材料技术成果的产业化与应用。切实加强“工程试验中心”、“公共试验室”等新材料科技试验和中试基地建设，在企业设立汽车材料技术研发部门，在企业、科研机构和大专院校分别建成不同层次、不同类型的试验室或中试生产基地，为汽车新材料的研究和应用创造良好的物质条件。（４）发挥行业协会和学会的作用充分发挥行业协会和学会的职能与作用，做好下列工作：积极配合国家主管部门，做好重大汽车材料项目的组织协调工作；牵头组织进行我国汽车材料的系列化、标准化和通用化工作：组织收集、统计与发布国内汽车材料研究、生产及应用方面的信息和数据；跟踪国外汽车材料技术发展动态，定期组织进行我国汽车材料发展战略研究，提出政策建议与研究课题；为企业提供技术、产品等信息。（５）提高汽车企业之间、汽车行业与材料行业之间的合作层次，扩大技术合作范围合作是为了竞争。在传统的竞争方式发生了根本的变化的今天．企业为了自身的生存和发展，需要与竞争对手进行合作．即为竞争而合作，通过合作实现双赢或多赢，以在更高的层次上开展竞争。加强汽车企业之间、汽车行业与材料行业之间的技术合作．可以实现优势互补．使有限的资金与资源得到有效地整和和利用，不但可迅速提高参与的各企业技术实力，而且还有利于增强我国汽车和汽车材料行业的整体竞争力。为此，要努力提高汽车企业之间、汽车行业与材料行业之间的合作层次，扩大技术合作的范围。建议酝酿并在条件成熟时，成立以一汽、东风等大型骨干企业为主的我国汽车材料合作机构。该机构的任务是，组织汽车企业共同开展轻量化材料及其应用（支撑）技术的研究开发工作，并同政府有关部门一起，在研发、应