汽车工业面临着日趋苛刻的能耗和排放标准与持续扩大的社会需求之间的矛盾，推动汽车技术和产品向低碳化发展成为全球趋势，世界各国纷纷大力发展节能和新能源汽车，其中轻量化是实现汽车工业高质量发展的关键共性技术之一。《沃兹汽车》（美国汽车行业3大刊物之一）的调查显示，轻量化是汽车行业为满足2025平均燃料经济性指标时考虑的首选策略。研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，减轻汽车质量，可以有效降低油耗和排放，汽车质量每降低10%，油耗下降6%～8%，排放降低4%。考虑到同平台的新能源车质量重于燃油车以及电池能量密度低的现状，轻量化也是提高新能源汽车续航能力、加速新能源汽车推广的有效措施之一。汽车轻量化可从汽车设计、改进制造工艺、提高现有材料强度和采用轻质材料4个方面来实现。用于汽车轻量化的材料主要有低密度的轻质材料和高强度材料，前者包括以铝、镁、钛合金为代表的金属材料和工程塑料、玻纤或碳纤维复合材料等化工新材料，后者主要是高强度钢。当前我国汽车轻量化材料发展呈现国外引领、国内加速追赶的态势，国内汽车轻量化材料市场广阔，发展空间很大。

  本文详细梳理我国轻量化金属材料与发达国家的差距，分析制约其推广应用的主要瓶颈，并提出了针对性建议。

一、高强度钢

  汽车用钢的分类方法主要有以下2种：一是根据屈服强度级别来划分，通常分为低强度钢、高强度钢和超高强度钢3类。屈服强度在210～550MPa之间的为高强度钢，屈服强度≧550MPa的为超高强度钢。二是根据组织和性能特征，通常分为低强度钢、普通高强度钢和先进高强度钢3类。低强度钢包括无间隙原子钢（IF钢）和软钢；普通高强度钢包括碳（C）-锰（Mn）钢、烘烤硬化钢（BH钢）、高强度IF钢和高强度低合金钢（HSLA），主要是通过向低碳钢中添加合金元素形成固溶强化体以及晶粒细化2种方式强化。先进高强度钢是在冶炼及热处理过程中通过相变的方式进行强化，主要分为3代：第1代先进高强度钢主要有双相钢（DP钢）、相变诱导塑性钢（TRIP钢）、复相钢（CP钢）；第2代先进高强度钢主要有孪晶诱导塑性钢（TWIP），其机械性能优异，但钢中合金含量高，成本大大增加，且加工难度大；第3代先进高强度钢主要包括马氏体钢（MS钢）和第3代汽车钢（中锰钢和Q&P钢）、热成型钢等。先进高强度钢的强度在500～1500MPa之间，具有很好的吸能性，主要应用于汽车结构件、安全件和加强件，如A/B/C柱、车门槛、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、纵梁、座椅滑轨等零件。

  我国汽车超高强度钢应用水平与国外差距较大。近年来，我国自主品牌汽车高强度钢用量显著提高，由2008年的50%提高到2015年的64%，总体应用比例已与国外相差不大。但国内用钢强度级别仍与国外企业差距较大。国内高强度钢的屈服强度主要集中在210～340MPa之间，超过550MPa的超高强度钢用量较少，主要以590MPa、780MPa系列为主，而980MPa、1180MPa、1470MPa级别则刚开始使用。而国外超高强度钢整车应用比例已经达到30%。进一步提高980MPa及以上超高强度钢应用比例、应用等级是我国汽车行业用钢的发展趋势。

  目前，制约高强度钢进一步应用的主要瓶颈在于：成本高、可制造性相对较弱；高强度下易引起塑性下降、不稳定、精度差；本身难以成型、模具开发成本高；材质本身过重、减重比相对较弱；由于刚性要求，在整车中轻量化比例有限，以及电化学腐蚀、与铝合金的连接等问题。涉及高强度钢的加工设备及成型工艺主要有冲压、热成型、滚压、冷成型、金属切削、液压成型等工艺。

  随着国内汽车对高强度钢需求的快速增长，我国各大钢厂均加大了对汽车用先进高强度钢的开发力度。宝武、鞍钢等实现了TWIP980钢的工业试制，具备了批量供应能力；中锰钢和Q&P钢实现了工业生产；鞍钢、马钢成功试制出高性价比的第3代高强度钢。2015年，我国第2代、第3代代汽车钢用量为5万t，预计2020年国内第2代、第3代汽车钢用量将达到1 200万t，2025年国内第2代、第3代汽车钢用量将达到1 830万t。

二、铝合金

  铝合金密度小，仅是钢的1/3，是优良的轻量化材料。典型的铝合金零件一次减重效果可达30%～40%，二次减重可进一步提高到50%。汽车用铝合金主要分为铸造铝合金和变形铝合金。前者主要应用于汽车动力系统，如发动机缸体、缸盖、变速器壳体等；后者主要应用在车身、散热器、底盘等部位。在铝合金板材应用中，国外比较注重6000系铝合金板材，欧洲应用最广的是成形性比较好的6016铝合金，北美应用最广的是强度较高的6111铝合金和抗腐蚀性强的6022铝合金板材，日本汽车厂家应用较广的是6016和6022铝合金，并且在应用位置注重覆盖件，多应用在车顶、行李箱、车门、以及翼子板等部位，如福特的T系列、法拉利的360赛车、捷豹的NEW XJ、奥迪A2和A8等。

  我国车用铝合金用量和渗透率与国外差距较大。国内乘用车铝合金平均用量约120kg/辆（主要是铸造铝合金），约占整车质量的8.8%，明显低于国际上170kg/辆的水平，主要用于发动机罩盖、车门、行李箱盖、车顶盖、翼子板等覆盖件及前后保险杠横梁，其中在发动机罩盖和保险杠横梁的应用较多。国产商用车铝合金用量约40kg/辆，不到整车总质量的1%，远低于乘用车。其中，铸造铝合金应用水平与国外相当，先进变形铝合金应用差距显著。较发达国家而言，我国汽车铝化率提升空间巨大。截至2014年底，中国载重挂车保有量约350万辆，但铝化率不足6%，与国外的70%相距甚远。截至2015年，中国铝合金罐车在罐车市场保有量约为8%，而欧美国家已超过90%。2014年，中国8万辆运煤车中，铝合金运煤车不足3万辆、铝化率低于0.5%，发达国家已达25%，其中美国已生产十几万辆铝合金运煤车辆。

  尽管铝合金在高端车上的用量不断增加，但是仍没有像钢一样大规模普及应用，制约其大规模应用的主要障碍有：①应用成本高。一方面，铝合金材料贵。国外大批量生产的6011、6016铝合金汽车覆盖件板材的市场价格为38 000元/t，而汽车钢板的市场价格仅为8 000元/t，扣除密度的差异，铝合金覆盖件的材料成本仍然比钢覆盖件的材料成本高出许多。另一方面，使用铝材料代替原来材料，必须投入相当的费用开发新的成型工艺，必要时还需更换现有的生产设备、模具等。②铝合金板材性能尚需提高，加工难度比钢材大，焊接工艺性差，成形性还需继续改善，铝合金与钢之间、铝合金之间只能采用铆接，导致生产效率不高，应用经验积累不足。③节能和新能源汽车国家标准体系不完善，车型在示范推广时需用户与生产企业就产品技术标准进行协商。

  “十二五”期间，我国铝加工优势企业纷纷建设铝合金车身板专用生产线，基本形成国内铝合金车身板发展的装备基础，主要生产企业已完成铝合金汽车板轧制技术开发并试制了相应的板材，成功进行了汽车零件试制和试生产。半固态铝合金的工业应用有了一定的基础和进展，进入产业化阶段。“十三五”期间，通过国家重点研发计划专项的支持，“产学研用”全链条创新，我国汽车用铝将实现突破。随着铝合金材料技术和制造技术的进步，用户对汽车功能要求的增加，汽车轻量化的不断推广，铝合金铸件逐渐取代铸铁、钢拼焊结构在汽车上广为应用，发动机罩、后货箱盖、车门等覆盖件用铝也快速兴起，而车身用铝的呼声日益强烈，全铝汽车也陆续出现，汽车铝合金需求将呈现爆发增长。据汽车行业预测，汽车用铝量将在2020年提升到190kg/车左右，整车占比15%，按2020年我国汽车保守产量2 500万辆估计，按照2020年单车用铝量200kg为标准进行计算，则2020年预计车用铝材需求量在475万t左右。

三、镁合金

  镁合金密度更低，比强度和比刚度较高，在减重、散热、减震方面具有良好效果，是发展潜力较大的汽车轻量化材料。镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金，其中铸造镁合金制造成本更低，应用较多，目前主要应用在发动机罩盖、方向盘、车内门板、座椅支架、变速器外壳等部位。

  汽车中镁合金用量较多的主要是北美、欧洲。目前，欧洲使用和研制的镁合金汽车零部件已超过60种，单车镁合金用量为9.3～20.3kg；北美使用和研制的镁合金汽车零部件已超过100种，单车镁合金用量为5.8～26.3kg。受成本和技术的限制，目前我国镁合金用量十分有限，国内平均单车镁合金用量不足1.5kg，应用最成熟的是压铸镁合金转向盘骨架，个别车型已应用镁合金座椅骨架、合金仪表板骨架等。

  限制镁合金在汽车领域应用的主要技术瓶颈包括：①基础研究亟待加强。我国在镁合金材料的体系化、加工工艺的稳定化、基础数据库的建立、加工过程的数值模拟、加工设备中关键技术的突破等方面难以满足镁加工工业发展的技术需求。②高质量镁合金铸锭技术缺乏，熔炼与铸造过程中的纯净化、细晶化技术尚未攻克，铸锭存在组织缺陷、卷气夹杂等，严重影响后续加工产品的性能、质量与成品率。③大型高精度镁合金加工专用装备和模具技术不成熟，温度控制技术、矫直技术、短流程轧制工艺技术、热处理技术等需要解决。④镁合金耐腐蚀性较差，加工过程中易燃烧和爆炸，安全生产隐患较大。

  随着镁合金加工工艺、压铸工艺日渐成熟，应用范围不断扩大，大型镁合金汽车零部件将进一步推动汽车轻量化的进程。据《节能与新能源汽车技术路线图》显示，到2020年，国内单车用镁量达到15kg；到2025年，单车用镁量达到25kg。据《中国镁合金汽车压铸件行业分析报告》数据显示，2015年，中国镁合金汽车压铸件行业需求量达到14.9万t，到2022年将达66万t。

四、发展建议

1.加强技术创新，制定相关标准

  强化企业在技术创新中的主体地位，支持企业加大研发投入，提升创新能力。根据《节能与新能源汽车技术路线图》，逐步推动高强度钢、铝合金、镁合金的研发和应用。充分利用现有科技资源，联合企业、高校、科研机构、政府等力量，推动国家轻量化材料制造业创新中心建设，开展轻量化关键共性技术研发和产业化应用示范。协同推进轻量化技术研发与标准制定，鼓励制定轻量化材料、零部件及产品的团体标准，支持轻量化材料企业、科研院所、行业组织等积极参与国际标准制定。尽快建立适用于我国的轻量化材料认证体系，推动轻量化材料的性能检测、应用验证、可靠性评价等。

2.推动生产应用合作，推动产业链协同发展

  推动轻量化材料生产企业和下游汽车制造企业联合开展技术攻关，推动上下游企业共同开展国家级轻量化材料生产应用示范平台建设，形成有效的上下游协同发展模式，弥补生产应用衔接空缺，缩短轻量化材料开发应用周期，实现轻量化材料与终端产品同步设计、系统验证，打通轻量化材料研发到生产应用的“死亡之谷”。加强轻量化产业链各环节的协调，充分利用汽车轻量化技术创新战略联盟，推动性能稳定的国产轻量化材料优先进入汽车供应链。鼓励建设促进轻量化材料协同发展的公共服务平台，提供金融、技术交易、质量认证等专业化服务。

3.加强政府引导，发挥行业组织作用

  借鉴发达国家推广应用轻量化材料的经验，强化政府引导，进一步严格汽车燃油经济性、温室气体排放等技术和标准限定，通过征收高额燃油税、重量税、经济处罚等手段倒逼汽车轻量化发展。同时，政府采取正向激励措施，创新支持政策，进一步推动节能和新能源汽车应用，鼓励材料企业加大对轻量化材料的研发力度，鼓励汽车制造企业应用轻量化材料，从国家层面加大对轻量化技术领域重点研发计划的支持力度。发挥行业协会、联盟等组织的桥梁作用，一方面积极宣传政府轻量化推广应用政策，另一方面组织轻量化材料和应用领域内的企业、科研机构和高校等加强技术研发合作和推广应用，为企业提供轻量化技术领域的政策、法律、技术、管理、市场等服务。