輕質合金應用於汽車零組件實例

摘要：汽車輕量化可透過生產小型車輛、改善汽車結構及使用輕質合金、高強度(張力)鋼板等方式達成，在歐、美、日領導車廠應用實例增加，輕質合金逐漸受到重視，競相提升輕質合金在汽車零組件上的使用比例，本文簡要敘述輕質合金特性、成型製造(或接合技術)與其在汽車零組件應用實例。

Abstract：The concept of lightweight cars can be achieved through the production of small vehicles, improvement of the structures and the use of light alloy, high strength (tension) steel plate, etc. Light alloy applications has gained much attention recently and the industrial demands for this lightweight materials are increasing in Europe, the United States and Japan. This paper briefly describes the characteristics of light alloy and its applications in automotive components.

關鍵詞：熱壓、輕質合金、碳纖維複合材料

Keywords：Hot Stamping, Light Alloy, Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)

前言

全球汽車總數已超過10億輛，仍消耗大量石化能源，雖然電動車輛與新能源車輛的研發不遺餘力，但仍有使用的殘存課題，如充電站設施、電池信賴性與耐久性等問題待解決，短期內尚無法大量普及。降低汽車燃料消耗的做法有：提高引擎運轉效率、減少行駛阻力、改善傳動與變速機構效率及減輕汽車重量等，其中減輕汽車重量最容易實施。

現代汽車除具備相當強度與使用壽命外，還需滿足性能、外觀、安全、價格、環保、節能等方面的需求，傳統汽車中鋼鐵材料占80%，鋁合金占3%，樹脂材料4%，爆發石油危機以來，作為輕量化材料的高強度鋼板、表面處理鋼板使用量逐年上升，輕質合金逐漸受重視與導入使用。

與20年前比較，汽車重量減輕20~26%，平均每部汽車所使用的鋼材、鑄鐵、銅材、玻璃分別減少15%、29%、13%、13%，鋁合金、鎂合金、粉末冶金、橡膠與塑膠分別增加31%、100%、20%、29%。汽車環保與省能源化是近年來很受重視的議題，汽車零組件的3R (reuse、reduce、recycle)，強化汽車零組件的可回收再利用性、材料使用減量與禁用有害物質鉛、汞、六價鉻、鎘等，輕質合金具有更大的回收特性與優勢，隨著輕質合金使用比例提升的結果，預期將掀起新一代的汽車零組件興革。

汽車零組件輕量化具體做法

汽車輕量材料選用是影響汽車重量的重要因素，對節省能源與降低污染具有正面效益，汽車輕量化亦可改善操控性、提升碰撞安全性、改善耐蝕性與提高剛性結構特性，汽車輕量化結構提供減輕重量的有效方法，除了多系統整合外，生產製造技術、新材料應用等，都是汽車輕量化的具體做法。主要車廠輕量化的具體做法大致可分為2種：

1. 利用形狀優化法改變零組件的設計方式

藉助形狀的變異特性降低應力承受峰值或應力分布均勻化，設計精簡化(零組件精巧化/簡單化，零組件薄壁化、中空化、小型化)、設計最佳化(不等厚度、最佳化形狀、適當材料與強度需求)、設計模組化(材料複合化，以模組取代分散，利於維修與回收)，用於汽車內裝、內飾板、引擎支架與底盤等[1]。

2. 選用輕質合金

汽車零組件應用鋁合金、鎂合金、高強度鋼板、粉末冶金或金屬基複合材料(metal matrix composite, MMC)或非金屬材料，如橡膠、塑膠、碳纖維複合材料 (carbon fiber reinforced plastic, CFRP)高強度複合材料等，輕質化汽車零組件的量產實績有車門、引擎本體、汽缸蓋、保險桿支架、車架、方向
盤支架、座椅支架等；圖1，是汽車零組件輕量化材料發展趨勢，顯示傳統鋼鐵材料使用比例逐漸減少，逐漸由輕質合金所取代[2]。

輕質合金特性與應用實例

汽車輕量化又可透過生產小型車輛、改善汽車結構及使用輕質合金、高強度鋼板等方式達成，車輛可以小型化係因汽車採用了前置引擎、前輪傳動，取消了傳動軸、差速器齒輪等零件，使結構更精簡，其它結構上的改善如使用高強度鋼板、中空結構及小型化等，在歐、美、日領導車廠應用實例增加，輕質合金逐漸受到重視，競相提升輕質材料的使用比例，尤其輕質合金應用最受矚目。

輕質合金都具備高強度、耐腐蝕、熱穩定性、節省材料使用量、易成型、回收再利用性佳與可模組化結構設計等優點，特別是鋁合金回收性優異，且回收生產過程所需的能量消耗低，在汽車零組件應用具有很好的前景，應用比重逐年增加。

圖1  汽車零組件輕量化材料發展趨勢[2]

1. 輕質金屬材料─高強度鋼板

(1) 應用趨勢

汽車材料是影響汽車重量的主要因素，汽車總重的75~85%是金屬與非鐵金屬材料，其中鋼鐵材料即占70%比例，表1是汽車使用鋼材比例；表2是汽車用鋼板材料的需求，汽車輕量化是目前汽車技術發展趨勢，欲達到汽車輕量化的手段有零組件一體化、薄肉化、設計中空化、設計精簡化(減少過度設計)等方式。以汽車零組件素材的輕量化觀點來看，可以使用強度高的鋼板、減少鋼板厚度或替換比重較輕的素材(如輕質鋁合金)等。

汽車採用高強度鋼板的實質效益是輕量化考量、改善汽車安全與碰撞性能，先進的高強度鋼板必須具備較低的屈伏強度比、較佳的應變分布、較高的應變特性與較高的疲勞應變性能，車身內飾板金規格為0.5~1.2 mm，屈伏強度120 ~300 MPa，所使用的鋼材為深抽拉鋼(interstitial steel, IF)；車體的鋼結構材料規格為0.8~2.5 mm，高強度低合金鋼(high-strength low-alloy steel, HSLA)、雙向鋼(dual phase steel, DPS)、相變誘發塑性鋼 (transformation induced plasticity, TRIP)，屈伏強度180 ~340 MPa與340 ~550 MPa，汽車鋼板發展的趨勢是外觀板金使用高強度烘烤硬化鋼與烘烤雙相硬化鋼，汽車內飾板則多使用烘烤硬化鋼。