美欧日中轻量化技术路线盘点

美国汽车轻量化路线，以材料进步为驱动

美国汽车轻量化路线，分三步走，以材料进步为驱动，综合衡量材料成本、性能、可回收性及用量。2010-2025 年高强度钢拉伸强度 1500-2000MPa，密度下降 5%，模量增加 10%；铝合金机械性能提升 40%，成本降低 25%，高性能铝循环利用 50%；镁合金成本下降至与铝相当，可用性提升 2 倍，消除异种材料电化学腐蚀；钛合金、镍合金成本降低 50%，成本是不锈钢 2 倍；碳纤维占车重 5%，单价 5 美元/磅，刚度提升 30%，25%可再生，碳足迹降 25%。2025-2050 年高强度钢拉伸强度 2500-3000MPa，密度下降 10%，模量增加 20%；铝合金机械性能提升 200%，成本降低 40%，高性能铝循环利用 100%；镁合金成本与钢相当，可用性提升 4倍，采取通用的一步式预处理；钛合金、镍合金成本降低至铝合金水平，成本是不锈钢 1.5 倍；碳纤维占车重 15-25%，单价 2.5 美元/磅，刚度与铝材相当，50%可再生，碳足迹降 75%。美国的轻量化路线以材料降本与性能优化贯穿其中，美国汽车零部件制造的特点是综合考虑不同材料的性价比在汽车的不同部位得到应用。

表1 美国汽车轻量化路线

欧洲汽车轻量化路线，瞄准多材料应用技术

欧洲汽车轻量化路线，以先进的钢铁材料、轻金属镁铝、碳纤维强化复合材料三类先进轻量化材料应用为出发点，目标瞄准多材料应用技术。欧洲汽车轻量化的发展路径以创新为驱动，围绕先进的材料技术，新的模块化构造，先进的功能集成，可负担性和成本效应性，多材料连接，多材料模拟，多材料再循环。材料的开发与应用过程包括：设计概念，应用材料技术，建模与模拟，材料加工技术，零件生产，可制造性和成本分析，试验和验证，LC 分析与 EL 评价。欧洲的汽车轻量化路线充分结合材料特性与成本、制造工艺和结构设计，多层次多角度协调实现轻量化的目标。

表2 欧洲汽车轻量化路线

日本汽车轻量化路线，材料和工艺实用化

日本汽车轻量化路线，以材料和工艺的基础研究突破为实用化出发点，材料进步驱动轻量化。钢铁以高刚度钢铁材料、纳米纤维材料为基础性研究，以蜂窝结构材料为根源研究，以高延展性高强度钢、各向异性控制、高冲压成形性钢板进行突破性研究，开发出高强度高韧性非调质钢。铝以高强度高延展性铝合金为基础性研究，以铝合金的刚强性化为根源研究，以多孔铝复合结构材料、线束的铝制化进行突破性研究，实现冲压成形技术改良、挤出异型材利用。镁以高强度冷轧成型板材合金设计技术、高性能型材的高速挤出技术为基础性研究，以铸造材料组织微细化技术为根源研究，以大型材高性能表面处理进行突破性研究，实现铸造材料的生产性创新技术。

复合材料以透明 DLC 技术、SP 处理纳米粒子和成绩书为基础性研究，实现 SP处理纳米粒子表面改进技术。加工技术以伺服冲压机利用技术、板锻件为基础性研究，以净成形技术、智能热冲压为根源研究，以 CFRP 成形、镁冷冲压成型技术进行突破性研究，开发出中空材料的成形技术、高强度钢的成形技术。连接不同材料技术经过基础性和根源突破性研究，确立了金属/高分子/C-FRP 三维形状连接体创新技术。

2010 年以来，日系整车厂商也相继提出轻量化目标，本田对主要车型设定减重目标，三菱各车型平均减重 10%，马自达连续两个 5 年实现投放车型减重 100kg，尼桑 2015 年后车型减重 15%，丰田 2015年全部车型平均减重 5-10%。预计自 2010 开始， 2015 年、2020 年、2030 年分别实现轻量化比率 1/4、1/3、1/2。

表3 日本汽车轻量化路线

中国汽车轻量化路线，材料-设计-工艺协同发展

国内汽车轻量化的出发点始于高强度钢、铝、复合材料等新材料的应用与开发，通过材料、设计、工艺三个方面共同作用实现减重三步走的目标。根据中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，中国汽车轻量化自 2015 年到 2020 年实现减重 18%，适量应用铝、镁合金及碳纤维增强复合材料，根据材料特性和性能要求进行优化设计，工艺以冷成形为主，热成形、辊压成形、激光拼焊为辅。

表4 中国汽车轻量化路线

到 2025 年实现减重 30%，扩大铝、镁合金与碳纤维增强复合材料在车身上的应用，采用结构-材料-性能一体化轻量化多目标协同优化设计，工艺以热成形、温成形、内高压成形为主，挤压成形、弯曲成形及热固性纤维材料成形为辅。

到 2030 年以纤维复合材料为主、轻合金和高强度钢为辅，结合制造工艺和成本控制要求进行集成化设计，以热塑性纤维材料成形及挤压成形、弯曲成形为主，温成形、热成形为辅。在政策的驱动，对轻量化的迫切需求下，铝合金压铸市场容量有望扩大，有较强材料制备、设计能力并且掌握先进工艺的铝合金压铸企业发展潜力大。