美洲: 北美汽车材料的应用现状与发展趋势探讨

近年来，北美地区汽车产业增长势头强盛，严苛的油耗法规推动了高强钢和铝合金等轻量化材料的明显增长，也使轻量化非钢材料对钢铁材料的冲击比全球其他地区都要强烈。钢铁企业正在深挖钢材的潜力，联手汽车制造商开发质量更轻、强度更高的钢材及其加工应用技术，致力于实现车身及零部件各方面的轻量化，努力维持钢在汽车材料市场的主导地位。

　　严苛法规推动轻量化材料发展

　　铝材等轻量化材料应用增加。2012年8月，奥巴马政府发布了2025年企业平均燃油经济性法规的最终版本。遵守新法规，美国各车企2017年～2025年款新车的燃油经济性平均值应达到54.5英里/加仑，约合4.3升/百公里，比现时水准改良了近一倍。严格的排放法规是推动汽车业以铝替代钢的首要推动因素，特别是在北美市场，美国汽车铝材的使用比例正在清楚增加。

　　北美汽车市场中，铝合金是仅次于钢铁的最常用材料，除了全铝车身之外，更多地应用在车门板、车顶板、后备箱门等部位。据报道，福特将在2017年生产超过100万辆采用铝制车身的汽车。福特已经公布其新款全铝车身F-150皮卡的年产能规划为65万辆。根据铝业制造巨头诺贝丽斯的评估，2016年北美汽车市场对于铝材料的需求将激增4倍。据神户制钢估计，北美地区汽车行业的铝板需求将从现时的10万吨/年增至2020年的100万吨/年。

　　同时，北美是世界上汽车镁合金用量最大地区，正在使用和研制的镁合金汽车零部件有100多种，包含转向盘、离合器、传动外壳、轮毂、发动机支架、行李箱盖板等。但由于耐腐蚀性差、生产工艺技术不成熟、材料成本高等因由，镁合金在汽车上的应用发展相对比较迟缓。美国汽车材料协会（USAMP）估计，到2020年北美生产的每辆汽车镁合金用量约达到160kg。

　　此外，高强度、轻质量的碳纤维材料成为汽车业的"新宠"。碳纤维强度可达到钢铁的10倍，但重量仅为钢铁的1/4。不过，由于材料成本高，量产工艺不成熟，碳纤维仅集中应用于高端跑车、运动赛车和一些高端越野车上。现时，德国宝马、奥迪和美国通用等汽车制造商都已推出使用碳纤维部件的新车型，并对进一步扩大这一新材料的应用范围兴趣浓厚。

　　高强钢需求快速增长。作为汽车生产的首要原材料，钢在不断改进以习惯各种设计变化的挑战，尤其是高强度钢的成功开发，更好地解决了轻量化与安全、成本之间的矛盾。与铝合金、镁合金和碳纤维等轻量化材料相较，高强钢具有优异的性价比，而且可以利用现有的汽车生产设备，节约投资。在各种轻量化材料中，高强度钢板除在轻量化方面效果略弱外，在使用性能、成本和节能减排等方面均具有明显优势。因而，从综合性能和成本来看，钢在汽车市场的主导地位不会动摇，通过改良钢材的强度等性能实现轻量化仍是许多汽车企业的重点选择。

　　近两年来，全球钢铁市场整体低迷，但美国钢铁市场表现较好，汽车、能源和建设业的复苏是钢铁需求增长的首要因由。从近两年来美国钢铁消费行业结构来看，汽车行业为美国钢材消费的第二大行业，用钢量占美国钢材发货量的25%左右。随着美国经济和美国汽车市场的复苏回升，汽车用钢将迎来持续增长，也因而成为各大钢铁企业竞相投资布局的热点区域。

　　以高强钢为主体的多材料轻量化组合成为发展方向。北美国际汽车展是全球五大车展之一，展示的新产品和新技术代表着全球汽车工业以后的发展趋势。2014年，北美国际汽车展的一个重大产业变革是各车企相继推出或研发更轻型的车身及零部件，传统钢铁材料仍然占据主流，高强钢得到大量应用；同时，铝合金、镁合金和碳纤维等轻量化材料的应用清楚增加。

　　"多材料组合的轻量化结构和合适的材料用于合适的部位"成为以后轻量化选材的发展方向。如车展上亮相的福特F-150新车型（连续32年蝉联美国最畅销车型），车架采用高强度钢，车身大面积采用铝材料，每辆可最多减轻700磅，从而使行驶性能和燃效得到提升。

　　钢企积极迎战替代材料冲击

　　严苛的油耗法规使得在以美国为代表的北美地区，铝合金等轻量化材料对钢材的冲击比其他区域都要强烈。近年来，北美各大钢铁企业如安米、新日铁住金、美国钢铁公司等，一方面纷纷增加产能应对快速增长的汽车板市场，另一方面积极同诸如国际钢协下属的国际汽车用钢组织和美国钢协下属的美国钢铁市场发展研究所这样的组织一起努力，与汽车制造商开展紧密合作，研制和发展轻质、高强度的汽车钢板及其轻量化应用技术，致力于实现车身及零部件各方面的轻量化，努力维持钢在汽车市场的主导地位。

　　安米与新日铁住金。安米和新日铁住金在北美市场深耕多年，近年来更结成联盟积极扩建北美产能，加强区域汽车板市场控制。在美国，新日铁住金与安米在印第安纳州建立了2家合资企业，I/NTek和I/NKote公司。I/NKote拥有一条年产能50万吨连续镀锌生产线和年产能45万吨电镀锌生产线，I/NTek拥有年产能170万吨连续冷轧机和一条年产能120万吨连续退火生产线。2013年11月底，新日铁住金和安米共同收购了2010年投产的蒂森美国阿拉巴马州卡尔弗特厂，于2014年2月开始合资业务。此次收购确保了正在美国加速扩张的日系车企对高端钢材渐渐增加的需求。该厂年产能为热轧钢板约530万吨、酸洗冷轧钢板约250万吨、热浸镀锌钢板约140万吨。其汽车车身和其他用途的耐用锌涂层钢板年产能可满足美国市场需求的近30%。

　　安米和新日铁住金都拥有先进的汽车高强钢产品，近年来，双方更强化先进高强钢材料、工艺、装备、技术等综合解决方案的设计和应用。安米在北美地区发起汽车钢材解决方案"S-inmotion"项目，其整合多样化解决方案超过60项，包含压力硬化钢（PHS）和先进高强度钢（AHSS），还包含在最先进激光拼焊和热成型技术基础上改良的汽车白车身、门盖、底盘轻量化解决方案，能够极大地减轻车身的重量并节约车辆能耗，在保证强度和安全的前提下，能使5门中型车的43个汽车关键部件减重22%，轻量化潜力可达到25%，二氧化碳减排达到14%。

　　美国钢铁公司。美国钢铁公司是北美重要的汽车用钢生产企业，其目标客户首要为福特、通用、克莱斯勒，产品销售额占美国汽车用钢市场的10%左右。针对北美的汽车用钢市场，该公司分别与浦项、神户制钢等国外先进钢铁企业建立合资公司，范围包含冷轧、镀锌和钢材深加工等，加强技术协作和产品升级。其中，与日本神户制钢合资的PRO-TEC镀层公司，拥有2条汽车用热浸镀锌钢板生产线，是美国先进高强钢生产的领先者，首要生产汽车用先进高强钢和家电用钢。该公司已经成功研发980MPa级的热镀锌双相钢，并在一款日产汽车的B柱上试用。

　　同时，美国钢铁公司设立了专门的汽车用钢中心---密歇根州特洛伊的汽车研究中心，首要从事汽车用新钢种和新工艺的开发，并参与政府发起的长期汽车钢研究项目，现时，研发重点和方向是汽车轻量化用先进高强钢的开发。

　　面对其他材料积极抢占汽车用材市场的挑战，美国钢铁公司一方面加强同汽车制造厂合作研究采用钢材的解决方案，另一方面加强了高强度钢生产体系的投资。该公司已经设计了一辆完全能够满足燃油经济性要求的中型轿车的钢质车身，钢材选用公司的第三代先进高强度钢。2013年，美国钢铁公司和神户制钢公司正式启动了合资厂PRO-TEC涂层公司年产50万吨的新连退线，将生产强度级别高于590MPa的新一代先进高强钢（AHSS）和超高强钢（UHSS），帮助汽车生产商达到乘用汽车燃料54.5英里/加仑标准，并严格保持客户所需的安全标准。

　　美国政府也意识到了高强度钢的重要性。2012年，美国能源部投入600万美元，资助发展轻量化的第三代先进高强度钢（AHSS）的研究项目。项目所设定的先进高强钢性能指标共包含两个级别，其指标分别设为1200MPa/30%（抗拉强度/延伸率）和1500MPa/25%，并且还须具有成本优势。这些非正式的性能指标均极具挑战，可能随着第三代AHSS的发展而调整，并对钢铁的发展起到指导作用。

　　在钢材产品强度和性能提升的同时，激光拼焊、液压成型、热成型和滚压成型等汽车板深加工技术也竞相发展升级，形成轻量化技术组合，使得基于高强度汽车板的结构优化的轻量化车身更具竞争力。

　　综上所述，在以后相当长的一段时期内，钢板仍是汽车车身的首选材料。但面对铝合金等轻型新材料更大规模的来袭，钢铁企业需要加快自我突破式的研究和技术进步，从而使钢铁材料在综合性能上不断跃上新的台阶，为汽车轻量化起到越来越主导的作用。钢铁企业与下游汽车企业要进一步加强技术领域的交流与合作，研发习惯新车型开发设计要求的新材料，开发新材料应用的关键技术和突破性技术，共同推动汽车轻量化和高强度钢板应用技术的进步。