【汽车与环境】南方科技大学朱强：半固态压铸技术在汽车轻量化上的应用
2018年12月7日-8日，以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨，旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台，通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系，助力实现向汽车强国的转变。以下是南方科技大学讲座教授朱强的发言：
南方科技大学讲座教授 朱强
我的题目改了，我跟Steve Midson从2003年我在英国工作的时候，他就是我的供应商，所以我们在一起工作，我回来以后也在做半固态，但是后来我发现如果我再讲的话，我们稍微有点重复了，大家可能感觉比较无聊，我就改了一下题目。可能会议组织者来不及改，我前天临时改了，抱歉，如果大家原来希望我讲半固态的话，抱歉，但是我们可以讨论，半固态我们干了很久。
这是我大概的简历，我做这个半固态做了很久，我还是第15届半固态大会的主席，Steve原来是我请的外国高端专家，大家如果想进一步探讨汽车当中的半固态应用可以找他们，找我也可以。
我大概是讲半固态本身的材料，如何做到轻量化，而不是半固态了，如何在汽车当中实现轻量化从料的角度说。一个是背景和必要性，车重燃油消耗的排放关系，汽车轻量化技术路径，金属零部件制造技术。我们可以从这张图上看到汽车温室排放在排放当中占了很大的一块，整个排放大概占了15%，汽车在这15%里头占了75%，所以它是一个比较重要的方向。由于汽车的排放对整个大气污染等等造成很大的影响，世界各国，特别是美国、日本都有非常严格的排放标准，中国也有非常严格的排放标准，是跟欧美相对比较接近的，欧美是欧6，中国施行国6，整个排放标准要求越来越严，如果你从另外一张图，从宏观的看的话，现在的排放要求已经非常严了。所以要求这么严，就涉及到怎么实现低标准的排放。
关于节能减排国家有一系列的规章制度，一系列的政策指引等等，这里我就不细讲了，主要要求汽车一定要降低排放、降低能耗。比如说能耗，节能减排，中国有一个很典型的指导，《节能与新能源汽车指导》，到2020年的时候，乘用车平均消耗油耗百公里在5%以下，这是非常高的要求。如果能做到节能减排的话，有各种各样的技术，比如说有控制系统可以做，车辆重置控制系统等等，汽车轻量化是非常有效的，也是非常明显的一个技术手段。
汽车轻量化跟刚才比较类似了，有一个数据大家比较感兴趣，如果整车减重10%的话，油耗就可以降低6%-8%，汽车排放降低10%，但是也有其他的好处，比如说轮胎的寿命提高7%，加速时间可以减少，更快的加速，转向力可以减少，制动距离可以减少，轻量化不单单对节能减排有很好的好处，还对汽车驾驶的舒适性有一定的作用。
轻量化当中像铝合金目前为止是应用最广泛的，国家专门有一个节能减排路线图，在5年之内，用高强钢、铝合金，10年之内用铝合金、镁合金，未来用碳纤维等等一系列。目前，铝合金是最有效的方法之一。
从阻力的角度来说，阻力是降低能耗和降低排放一个很重要的因素，4个阻力当中，实际上有3个阻力跟汽车重量有关系的，从理论上来讲，只要能减重，就可以降低滚动阻力、坡度阻力、加速阻力等等，减重是一个很重要的方面。涉及到减重它有不同的技术路线、技术方向。比如说我可以做结构优化，原来的结构是比较重的，我可以进行结构优化设计，可以用新材料，比如说用轻合金。新工艺的实施，半固态工艺，通过工艺的实现可以降低构件的重量。还有集成化设计。
这个我们可以看到，横坐标是整车的质量装备，纵坐标是油耗，这个是排放，重量的增加排放是增加的，大量的数据在这。
轻量化到底有什么办法？可以改变材料达到轻量化结构设计，不同的材料我们可以达到不同的轻量化的效果，比如说如果用铝的话，可以达到40%左右，如果用高强钢的话，可以达到20%左右。其他的材料可以达到其他的目标。
这是轻量化目标，世界各个厂家，世界著名品牌的计划、要求都是一定要轻量化。这是整个的路线图不同的国家，总结起来大概路线图是这样的，一个用高强钢，一个用轻合金-铝合金、镁合金，在不同的阶段占比是多少，但是考虑到成本怎么样，大家整个有一个路线图。这个也是不同国家的目标，汽车不同的年代，需要减重减多少都有自己的目标，目标是很清晰的，无论如何轻量化是一个必须实现的，必须做的事情。
这个减重目标也一样，这个靠前一点，也是实现的，在不同的阶段采用不同的技术路线，或者技术路线叠加，可以达到轻量化的目标、目的。不同的减重目标，不同的轻量化的目标，各个企业做的都是什么事情，细节我不讲了，我不是这方面的专家，我只是总体来说汽车轻量化是必须实现的技术路线，也是必须要做的事情。中国战略也是一样，中国有一个汽车轻量化战略联盟，这个联盟做了很多技术路线图，该联盟包括材料的生产厂商、零部件制造厂商、整车厂等等，大的联盟在做，他们也取得了很多成效，国家立了一些项目，他们做的一些成果等等，这是中国在做的事情。
轻量化刚才已经总结了，在画结构图的话可以考虑三个方面，结构，材料、工艺，是我本人做的事情，用什么材料有两个概念，一个就是说现有材料的强硬化，比如说钢我用更强的钢，用铝我用更强的铝，一个是本身材料更强的优化。还有用轻合金代替原来重的合金。工艺，实际上对于汽车零部件应用当中，不单单材料的问题，还有工艺的问题，有一些材料很好，但是工艺实现不了也不行，怎么样改进工艺，达到增强减重的目的，也是一个很重要的技术路线。工艺有各种，比如说锻造、挤压、半固态、压铸等等。
为什么轻量化的比重大概有很大的关系，比如说铝的比重大概2.7左右，钢的比重7.8左右，如果一比较用铝替代钢的话，应该达到60%-70%左右。但是我们现在只能达到40%左右，为什么？因为铝相对钢来说它有它的弱点，比如说强度相对来说比较低，在结构上我要重新设计，在轻量化用这些材料当中，如果要是单纯的目前存在的一种现象，比如说整车厂到这来说我有一个钢的件，你给我做个铝的，结构不能变，这个情况下是很难做的，结构设计应该跟材料的供应商结合起来，当一种新的材料应用的时候，它的结构设计必须改变。如果用原来的结构的话，存在着很多的局限性，所以现在用铝取代钢真正达到的轻量化效果是40%左右。如果单从比重来说应该比较高。
这是整个的强度，大概铝板200多，铝型材高一点240-280%，它跟高强钢比的话差很多。跟热成型钢的话差的更多。现在车轮用铝用的非常广泛了，整个钢的车轮已经很少了，稍微好一点的车都是铝合金的。
铝合金的应用量也是逐渐增加的。到目前为止整个铝的量平均来说有10%左右，用铝、用镁等等这种轻合金的潜力还是很大的。
这个是铝在不同车上的应用，我们可以看到中重型卡车、商用车铝合金用量更多一些，轻型车商用车整个用的稍微少一点，乘用车用的多一点。商用车也是豪华车用的比较多，奥迪A8，捷豹等等用的比较多，轻型车用的比较少，主要是成本问题。现在降低成本，用轻合金材料取代原来的钢，如何降低成本，可能是一个很重要的方向。
这是一个例子，这是英国的车，Range Rover，这个车很多部位已经用铝合金了，还在关键的结构、强度上还是用高强钢，相对于高强钢来说，铝合金现在成本是一个约束，强度现在还是一个缺陷。
大巴车用铝合金用的比较多，外壳用的比较多，支架用的比较多，有一些厂商没用，有的厂商已经用了，比亚迪就用了。目前为止比亚迪主要是出口车在用，明年国内整个要推广，整个的产量要翻一倍，这个用量要翻一倍，达到200多万件。
还有一些铝合金现在已经做的或者已经应用上的已经很多了，我就不具体讲了，当然现在铝合金的应用前有狼后有虎，做高强钢的人可以用提高钢强度来进行轻量化，主要是铝合金应用。后面有虎是指，镁合金现在应用大量的研究，他们做的越来越好，镁合金在逐渐的希望取代铝合金，比如说前面的保险杠有一些东西已经做到了取代铝合金。
这是镁合金另外的用处，比如说方向盘，方向盘据说全世界只有一家不用镁合金的，就是泰国有一家还在用铝合金做，其他都用镁合金，上海周围有好多家做铝合金方向盘的。还有做其他表盘等等用镁合金做的也有很多。
高强钢实际上现在很多做高强钢的人把强度逐渐提高，这个也是一个很大的挑战，对于轻量化既是一个机遇也是一个挑战。机遇就是说实际上钢有不可取代的优点，比如说强度很高，现在更好的强钢不一定在应用。有很多新的技术在不断的做，所以钢的高强化现在也是一个轻量化的方向，很多人在做，比如说宝钢、北京科技大学也在做轻量化这方面，所以它也是一个挑战。
高强钢的应用更容易说起来，因为原来就是钢，现在有更好的钢可以做到更细，更薄，可以达到汽车轻量化。这个相对来说比较容易推广，它也有很多优点，关键部件，这都是关键地方，很多地方还是用钢的。
它们制造工艺有各种各样，我不细说了，有冷冲形、内高压成形、激光拼焊等等。今天下午傍晚的时候我们有一个圆桌会议，大家有什么问题可以相互之间谈。刚才已经说了，以钢为主的复合材料和以铝镁合金为主的复合材料，这是未来的方向，现在用铝取代钢不现实，怎么结合是一个方向。结构怎么优化？结构优化涉及到一些问题，比如说怎么样做完结构以后，钢跟铝或者镁合金之间的结合都是需要研究的问题，比如说钢跟铝之间它的电位差很高，采取各种各样的办法怎么连接，需要做大量的工作解决很多问题，无论如何这些问题都需要考核，结构的配合，工艺也一样，用什么工艺能够达到轻量化效果。比如说现在找一个非常高强的钢和铝，如果连接没解决的话，它的强度一下会降低50%-60%，所以轻量化的效果也不能达到。采取什么样的工艺也是一个非常重要的方向。
这一个大概就是说主要关注点就是不同的轿车在用什么材料，关注点是什么，A级车更多关注于成本，以钢为主+工程塑料。豪华车主要看品牌和舒适性，高强钢+铝合金等等。这跟车本身的定位有关系。欧系车、自主等等对轻量化系数要求高，美国对轻量化要求没那么迫切，欧洲很多的小车比咱们的车还小，欧洲都是手动挡，很少有自动挡的，其中一个原因是欧洲的油非常贵，节油是一个主要的方向。欧洲整车轻量化系数，系数越高轻量化做的越高。美系相对来讲没有这么迫切的要求。
铝合金在交通当中用量是最大的，65%左右，还有其他的比如建筑等等，建筑原来在中国用的是最多的，铝门窗等等，现在相对来说汽车里面用的越来越多。不同的国家铝合金的应用，中国相对来说比较低，但是我觉得现在比较高了，这个数据如果往后查的话可能会高的，因为整个中国的铝合金用量，我没有严格的数据，但是跟别人谈的，我感觉中国已经跟欧洲差不多了。
整个铝合金当中构件压铸现在占80%左右，大部分都是压铸，压铸这个件怎么能够做好，是用铝做轻量化比较关键的地方，压铸这一块研究的很多。用铝合金压铸这一块有不同的件可以做，车轮不一定压铸了，但是用铝合金可以取得的市场份额占比那边有一个大概的比率大家可以看到。
半固态我就不再讲了，刚才Steve Midson已经讲了。这是液态的，液态流动速度非常快，所以有很多卷器。这个是低固相的，整个半固态可以达到很好的克服压铸缺陷的目的。
这是大概的比较，我在国外的时候跟Steve Midson一起做的工作，半固态319S和C355，跟2618的强度已经差不多了。台架实验越往右边越高，SSM跟MFS相比已经非常接近了，它的性能很好，但是成本可以比较接近铸造。
中国的技术，刚才讨论这个技术，现在在中国已经有一些生产线了，Steve Midson代表银宝山新讲的，他们已经有一定的生产线了，株洲、徐州、邯郸、青岛等等都在做了。现在整个工作大概有九条生产线，如果大家担心供应链的问题的话，这一块应该稍微给一点安慰，不单单一家，几家都可以做这个事情。
这个大概是厂房布置，这下面的视频我放不了，这个照片就是银宝山新的工厂，他们整个的布局，现在都是全自动化生产。全自动化生产一个很大的好处，对于汽车供应商来说，不单单是说成本等等，还有一个很重要的，汽车的零部件稳定性一定要好，全自动化生产出来的零部件稳定性更好一些。
这个我不细讲了，下一步我们要做的智能制造系统，我最近刚刚从政府那拿了2000万的科研经费，加上我们配套大概现在整个是3800多万，专门要做智能控制半固态，现在自动化控制，智能控制的原因在于汽车厂家需求的产品质量稳定性一定要好，自动化好是在某一个阶段好，它比较稳定，智能始终能满足汽车厂家需求的。所以我们现在在做智能制造，这个项目是5年，已经运行了半年，还有四年半，希望四年半以后我们能给出一个更好的生产线。
这是大概的总结，压铸企业全国有9000多家，7000多亿，深圳市有150家，为什么现在整个3800万研发在深圳就跟这个有关系，深圳有很大的市场。我这个项目拿了3700万，还有企业配合，已经高于3800万了，这个主要的实际上是一种，我们要做的主要是轻量化新材料与技术创新平台，我们不是做生态的，主要是做平台，平台跟国外的比，类似于德国的Frankhof和台湾工研院，只有进行小批量生产，大批量生产的话要转让给别人。我这一块主要进行研发平台建设。
基本上就是这样了，由于没有PPT，所以讲的整个比较乱一点，看看大家有什么问题？
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