国内外乘用车车身轻量化材料应用历史和发展预测

路洪洲 李军 王智文 陈一龙 郭爱民 路贵民

中国逐渐进入汽车社会，汽车用的能源消耗以及排放已经为国家和社会带来了巨大的能源问题和环保压力[1]，安全、节能、减少环境污染已经成为汽车行业发展的主要方向[2]，汽车行业的节能减排已经刻不容缓[3]。为了推动节能减排，新能源汽车的开发[4]、轻量化汽车的开发[5]等举措均已列入国家以及行業规划。汽车轻量化是汽车节能减排即资源化的主要手段之一[6]，能够在汽车使用过程节约燃油消耗并减低废气排放。在汽车车身应用轻量化材料，并通过结构优化以及先进制造工艺，可以实现乘用汽车车身以及整车的减重。为了进一步解析乘用车用钢的发展变化历程，笔者分析了国内外典型车企的用材历史，选取北美、日本以及我国自主品牌的3个典型车型进行分析，力争通过3代车型的用钢变化，来总结汽车乘用车车身用钢的演变历史，并推断未来乘用车的用钢发展趋势，进而指导我国汽车材料工程师进行正向选材。

一、美国福特汽车用材历史及发展预测

福特嘉年华（FIESTA）、福特蒙迪欧、F150是福特汽车典型的3款车型，分别代表A级、B级以及越野车型。一般一个车型投放市场5年前后会进行重新开发，新开发的车型车身会根据市场需要、以及上游原材料的开发情况等进行重新选材。分析3款车10年来的用材变化，可以更清晰福特汽车所代表的北美汽车工业车身选材的历史。

FIESTA是福特汽车旗下一款著名的小型家用车，在美国的大型车时代，这款显得另类的小车尤其特别。FIESTA的历史最早可追溯到20世纪70年代中期，至今已经有几十年的历史，历经8代演变（第6～8代FIESTA车身用材情况见图1）。从图1可以看出，第6代车型主要以软钢以及屈服强度小于380MPa的钢材构成，而时隔6年后的2008年，第7代车型应用了15%的超高强度钢，部分钢板的屈服强度达到了800MPa。而根据福特汽车提供的信息，第9代FIESTA应用了55%的高强度钢和超高强度钢，包括抗拉强度为1 500MPa的热成型钢。但公开资料尚没有第9代FIESTA详细的用材介绍，因而FIESTA车身用材历史演变图含有部分笔者推断的数据。

F-150一直是福特旗下的经典皮卡，连续多年获得美国最佳汽车称号。1965年，作为F-100的换代车型，F-150问世；1997年推出了全新改版的F-150皮卡；2004年推出了不同配置的新车型，2009年，福特继续进行改款。从1997年至2009年福特F-150车身用材情况（图2）可以看出，1997款福特F150车身主要应用软钢，达到95%；到2004年，全新改款后，软钢比例降低到36%，并大量应用一般高强度钢和先进高强度钢，并于2009年开始应用3%的热成形钢。根据最新行业信息，最新F-150于2015年上市，其整体车架由高强度钢冲压而成，这样不但提高了车身的耐用性，更对乘客在安全方面有了进一步的保证。2014款福特F-150的车身经过轻量化处理，将在发动机盖、保险杠以及车门等部件大量使用铝合金材料，以确保车身轻量化。相比老款的F-150，新车整备质量将减轻约320kg。通过轻量化，2014款福特F-150的车辆燃油经济性获得提升，轻量化车身以及全新动力总成将使新车的油耗减少15%～20%。

福特蒙迪欧是福特的中级轿车，从2002年开始至今，历经了3代。由福特蒙迪欧车身用材历史演变（图3）可见，2002款蒙迪欧应用了约70%的软钢，一般高强度钢达到了31%。横向比较来看，2002款蒙迪欧车相对于2002款的FIESTA，其身用材显然没有进行突出的表现。2007年，新款蒙迪欧车身用材水平大幅提升，软钢只占40%，大量的高强度双相钢（DP钢）被应用，同时热成形钢也被应用。对于2012款最新一代的蒙迪欧，整体高强的钢的应用比例再次提升至69.5%，尤其是先进高强度钢和超高强度钢的用量显著提高，达到了35%以上。整体高强度钢的比例、先进高强度钢和超高强度钢比例、热成形钢等的应用比例均大幅度提升，可见2012款的蒙迪欧代表一款典型的轻量化B级轿车用材情况。

结合福特汽车3个典型车型的10多年来的用材演变，可以推导出福特汽车车身用材历史演变情况（如图4）。2000年前，车身主要以软钢为主；2000年后开发的车型，高强度钢的应用越来越多，从30%～40%的比例提高到如今的60%～70%，同时先进高强度钢和超高强度钢的比例从2000年的5%左右，提高到如今的30%。2006年以前，由于热成形技术尚未成熟，没有在福特得到大范围应用，但在2006年以后，热成形钢用量从0增至7%左右。

福特汽车车身用材历史演变情况也在一定程度上反应北美汽车行业的情况。从未来的发展趋势来看，高强度钢的应用预计会维持在60%～70%的水平，先进高强度钢和超高强度钢的比例以及热成形的比例会进一步提高，有望达到30%以上，铝合金板材短期内不会在北美大众消费的车型上大量应用，但会在如F150猛禽这种中高级汽车上应用，尤其是铝合金覆盖件的应用。

二、日本本田汽车用材历史及发展预测

本田汽车用材情况在一定程度上可以代表日本汽车工业汽车轻量化以及用钢的趋势，因此笔者从本田汽车的思域（CIVIC）、CR-V、雅阁（Accord）以及飞度（FIT）等4个车型出发，分析4个车型最近3代用材情况，梳理日本汽车的车身用材变化和趋势。

1972年第1代CIVIC诞生，先后历经9代车型的进化。图5为第7～9代车型的车身示意图。2000年的第7代CIVIC车身应用了69%的软钢，并应用了11%的DP590以及1%的超高强度钢，这在2000年算是比较先进的材料，高强度钢的应用比例达到了31%。2006年第8代CIVIC车身的高强度钢的应用比例达到了42%，DP590的用量达到了35%，超高强度钢达到了3%，但第8代CIVIC车身没有应用热成形钢。最新款的CIVIC车身，即2012年第9代CIVIC车身，开始应用热成形钢，比例达到了6.3%，同时开始应用铝合金，比例达到了4.7%，高强度钢整体用量达到了53.6%，其中先进高强度钢和超高强度钢（含热成形钢）达到了10.9%。

CR-V是本田典型的城市越野车型于1998年登陆中国，从1995年第1代车型上市至2012年共推出了4代车型。图6列出了最近3代车型车身示意图以及用材情况，由图可见2000年第2代CR-V车身应用了34%的高强度钢，主要是590MPa以下级别，2006年第3代CR-V车型上应用780DP，其用量达到了9%，高强度钢整体用量达到了56%，但没有应用热成形钢。2012年第4代车型开始应用热成形钢，由于没有官方公布2012款CR-V的用材情况，图6推断了本田CR-V车身用材历史演变情况。总而言之，随着车身进化，高强度钢整体用量从第2代车型的35%左右提高到了当前的60%左右，先进高强度钢和超高强度钢于2006年开始应用，热成形钢于2012年开始应用，估计应用比例在8%左右。

为了进一步研究本田汽车家族的用材情况，笔者分析了Accord的用材情况，第7～9代Accord的车身以及部分车身用材情况如图7。Accord是本田典型的B级车，2002年第7代和2007年第8代的高强度钢整体应用比例变化不大，只提高了7%，达到了48%，而且最高强度只用到了DP590，但2007年款的DP590应用比例大幅度提高，达到了42%，这是非常高的比例。第9代本田Accord车身应用了55.8%的高强度钢，其中17.2%为780MPa，980 MPa以及1 500MPa热成形高强度钢。

FIT是本田典型的A00级小车，2001年的第1代车型在日本上市，并于2003年前后在中国生产，至今已是第3代车型。FIT脱胎于本田的全球通用小型车平台（Global Small Car Platform，GSC），历代车型车身示意图以及用材情况见图8。第1代本田FIT车身就应用了大量的高强度钢，如590MPa级别的高强度钢达到了23.3%，780MPa级别的高强度钢达到了3.1%，并应用了0.6%的980MPa级别的高强度钢和0.4%的1 180MPa级别的高强度钢。但第2代车型全新开发之后，用材级别有所降低，主要应用了590MPa级别的高强度钢，达到了42.6%，尽管高强度钢整体用量比例提高，但不再应用780MPa级别以上的高强度钢。2013年第3代车型又重新恢复了780MPa级别高强度钢和980MPa级别高强度钢的应用，应用比例分别达到了11.5%和8.5%，并开始应用热成形钢，高强度钢整体用量比例变化不大。

图9展示了本田汽车车身用材历史演变，结合本田汽车的4个典型车型的十多年来的用材演变，可以推导出本田汽车车身用材历史演变情况。从2000年前后开始，高强度钢的应用越来越多，从30%～40%的比例提高到如今的60%左右，同时先进高强度钢和超高强度钢的比例从5%左右提高到15%。2012年以前，热成形技术没有在本田得到大范围应用。从2012年开始，热成形钢用量从0增至7%左右，个别车型开始使用铝合金。

本田汽车车身用材历史演变情况也可以在一定程度上反应日本汽车行业的情况，即重视DP590以及DP780和DP980的应用，2010年前对热成形钢的应用不是特别积极，直到最近两年才开始应用热成形钢。从未来的发展趋势来看，高强度钢的应用预计会维持在60%～70%的水平，先进高强度钢和超高强度钢的比例以及热成形的比例会进一步提高，尤其是日本车型应用热成形钢较晚，因而热成形构件在日本汽车上应用的潜力较大。铝合金板材短期内不会在日本大众消费的车型上大量应用，但不排除在日本大众消费的车型的发动机罩盖上应用，但实际上，铝合金汽车板材已经在日系中高级车上应用，如雷克萨斯、英菲尼迪和讴歌等高端品牌上。

三、自主品牌的用材历史及发展预测

奇瑞汽车是中国汽车工业自主开发的一面旗帜，也反映了中国汽车用材技术的现状。经济性轿车一直是奇瑞的主打产品，第1辆下线的风云轿车也是经济性轿车，而经济性轿车也是自主品牌占領市场的主力产品。奇瑞在经济性轿车开发不同阶段的代表车型分别为1999年的风云、2006年的奇瑞A5、2008年的奇瑞A3，以及2013年上市的艾瑞泽7。

风云轿车对标车的车身用高强度钢板仅占2.07%。2000年，奇瑞汽车股份有限公司公司（以下简称“奇瑞”）与宝钢集团有限公司合作，联合开发冷轧高强度钢板应用于车身，每辆车高强度钢板占车身用钢板总量的17%。这标志着奇瑞成为国内首家大量采用高强度冷轧钢板的轿车制造企业。奇瑞A5是奇瑞公司第1款全正向开发的车型，2006年的奇瑞A5的车身用材的主要构成也就是传统低碳软钢、IF钢、加磷钢和高强度低合金钢，以及热轧酸洗钢，所有高强度钢用量达到26%。加磷钢的屈服强度级别也由170MPa提高到250MPa，并在车身覆盖件上首次应用了烘烤硬化钢，提升该车型覆盖件的抗凹性。2008年，奇瑞A3在碰撞测试中获得了五星安全的最高成绩，成为中国自主研发第1款摘得五星安全的车型，更是10万元内第1款获五星安全的车型。A3的车身设计和选材来自于欧洲设计公司，因而选材上基本与同期的欧洲车型同步。600MPa级别双相钢为主，用量超过30%，所有高强度钢用量达到54%。起初的设计选材还包括热成型钢，但是由于当时国内热成型钢材和零部件的资源不足，部分零件改为冷成型先进高强度钢。艾瑞泽7的设计始于2010年，高强度钢板和热成型钢得到了大量的应用。车身一般结构件采用加磷钢或低合金钢，安全件和吸能件采用双相钢或低合金钢，覆盖件采用烘烤硬化钢（除侧围外板）；于A柱、B柱、门防撞板、前挡板加强横梁等零件采用热成型钢板。热成型钢板在艾瑞泽7中的用量占白车身骨架近7%，所有高强度钢用量达到53%，先进高强度钢、超高强度钢以及热成形合计达到20%，树立了自主品牌车型车身用材的新标杆（见图10）。

奇瑞汽车一定程度上可以代表中国自主品牌乘用车的用材情况，在自主品牌乘用车发展初期，车身材料主要以软钢为主，高强度钢约20%左右。随着车身技术以及钢材技术的发展，自主品牌乘用车车身开始应用先进高强度钢。2008年，奇瑞汽车新开发车型应用DP600已达到30%，远高于行业平均水平，2010年以后，热成形构件开始应用。目前奇瑞乘用车车身用高强钢比例约占50%左右，先进高强度钢和超高强度钢约占20%，热成形约占7%左右。但在DP800级别以及以上的钢材应用方面与国外仍有差距。中国自主品牌乘用车已经开始尝试铝合金覆盖件的试制，但目前鲜有量产，未来有望在20万以上的中高端车型上应用。

四、未来预测

本文主要探讨国内外一般大众消费的乘用车车身用材的发展，不涉及C级别及以上的豪华乘用车，如奔驰、奥迪、凯迪拉克、英菲尼迪等品牌的用材。从分析可见，2000年前后国内外一般大众消费的乘用车车身用材的差距较大，北美和日本的高强度钢用量已经达到40%左右，而自主品牌还处于起步阶段，普通高强度钢用量只有20%左右，更高强度的钢材还未能应用。随后的2006年前后，北美和日本的高强度钢用量已达到45%～50%左右，先进高强度钢和超高强度钢用量约10%～15%，并已开始应用热成形钢，此时自主品牌开始应用先进高强度钢和超高强度钢，但比例不大。2010年后，北美和日本大众消费的乘用车车身用高强度钢用量均已经达到了50%～60%，先进高强度钢和超高强度钢达到了15%～20%，自主品牌和日本汽车开始应用热成形，北美和日本开始应用铝合金，此时自主品牌所有高强度钢用量已经达到了50%左右，与国外的差距缩小。

可以预计未来5～10年，大众消费的乘用车车身用材仍主要以钢材为主，先进高强度钢和超高强度钢用量会增加，热成形钢的应用比例将大幅提高（见表1）。少量应用铝合金板材，比例不会太大，预计会有少部分塑料复合材料应用，但比例仍不会太大，短期内碳纤维不会应用到大众消费的乘用车车身中。

五、结语

随着车身技术以及材料科技的进步，近10多年来国内外大众消费的乘用车车身用材发生了巨大的变化，先进高强度钢及超高强度钢（AHSS&UHSS）大幅度增加，热冲压成形钢在2006年前后开创性应用，推动了汽车的安全等性能。

2010年以前，我国自主品牌乘用车车身用材与国外差距较大；2010年以后，780Mpa以上的先进高强度钢及超高强度钢的应用与国外有较大的差距，其他方面差距逐渐缩小并逐渐接近国外水平。未来大众消费的乘用车车身仍主要以钢材为主，先进高强度钢和超高强度钢用量会增加，热成形钢的应用比例将大幅提高，少量应用铝合金以及其他轻质材料被应用，但主要应用于中高级轿车，在一般大众消费的车型（如A级等）的应用比例仍会很少。

参考文献

[1] 许士春，习蓉，何正霞.中国能源消耗碳排放的影响因素分析及政策启示[J].資源科学，2012（1）：1-12.

[2] Lu Hongzhou，Wang Zhiwen，Ma Mingtu，et al.Multi-Objective Evaluation Regulation Study of Automotive Lightweight[C]//Proceeding of the FISITA 2012 world automotive congress. Beijing：Beijing Institute of Technology Pressd，2012：1047-1056 .

[3] 褚义景，戴胜利.汽车节能减排的若干对策研究[J].武汉理工大学学报，2010（4）：6-79.

[4] 国务院.节能与新能源汽车产业发展规划[Z].国发〔2012〕22号，2012

[5] 张蒨.汽车轻量化[J].现代零部件，2011（12）：34-45.

[6] Daisho Y.Developing Advanced Low-Emission and Fuel-Efficient Vehicle Technologies Eyeing 2020 and Beyond[J]. Journal of Automotive Safety and Energy，2010，1（1）：6-13.