汽車輕量化材料的應(yīng)用論文

1、汽車輕量化材料的應(yīng)用摘要現(xiàn)代對汽車性能要求越來越高，輕量化、節(jié)能降耗和降低排放污染是現(xiàn)在汽車發(fā)展的趨勢，而輕量化必須從改進(jìn)汽車的材料出發(fā)，研制性能更好更輕的汽車材料從而帶來能源消耗的減少，進(jìn)而排放污染隨之降低，汽車材料的發(fā)展是汽車技術(shù)發(fā)展的重要方面，新材料對于汽車工業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的，關(guān)鍵詞：汽車輕量化 輕量化材料1.鋁合金、鎂合金、塑料、高強(qiáng)度鋼是當(dāng)前汽車輕量化的四種主要材料。 安全、節(jié)能、環(huán)保是汽車技術(shù)發(fā)展的永恒主題。安全和舒適的功能裝備增加汽車的重量，節(jié)能和環(huán)保要求減少CO2排放及良好的回收再利用。國外研究表明：一般情況下，車重每減輕10%，可節(jié)省燃油3%-7%。汽車排放與燃

2、油消耗正相關(guān)，實(shí)現(xiàn)輕量化將會減少CO2排放。2. 轎車材料構(gòu)成變化情況從表1可見，鋼鐵應(yīng)用比例雖有所下降，但仍是最主要的材料；塑料已與鑄鐵相當(dāng)，甚至略微領(lǐng)先；鋁合金排第4位，且增長勢頭明顯；鎂合金用量雖然還很小，但增長率很高。 表1 1995年和2000年歐洲每輛轎車材料構(gòu)成變化情況材料名稱1995年2000年增減質(zhì)量(kg)構(gòu)成比(%)質(zhì)量(kg)構(gòu)成比(%)鋼742.4654630.0451-15鑄鐵190.5014136.0911-29鋁72.57595.25831塑料115.668149.681229銅20.411.518.141.3-13鋅6.80.46.80.40鎂2.2

3、70.24.530.3100玻璃38.55334.023-13陶瓷0.9070.11.810.1100粉末11.340.813.61120橡膠56.70452.164-8其它117.939102.068-13合計(jì)1378.461001244.19100-10    奇瑞某一款車型材料大致構(gòu)成如圖1。 圖1 奇瑞某款車型材料大致構(gòu)成情況    輕量化材料在汽車上應(yīng)用現(xiàn)狀  汽車上鋁合金產(chǎn)品大致可分為兩大類：鋁鑄件和變形鋁合金（主要包括：板材、擠壓型材、鍛造鋁合金等）。汽車上所用鋁材3/4以上為鑄件。 表2

4、鋁鑄件在汽車上應(yīng)用情況部件系統(tǒng)零件名稱發(fā)動機(jī)系發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、活塞、進(jìn)氣岐管、水泵殼、電機(jī)殼、搖臂、搖臂蓋、濾清器底座、發(fā)動機(jī)支架、正時鏈條蓋、發(fā)電機(jī)支架、分電器麻、氣門室罩蓋、機(jī)油盤等傳動系變速器殼、離合器殼、換檔撥叉、傳動箱換檔端蓋等底盤行駛系橫梁、上/下臂、轉(zhuǎn)向機(jī)殼、制動總泵殼、制動分泵殼、制動鉗、車輪、操縱叉等。其它系統(tǒng)部件離合器踏板、制動踏板、轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動機(jī)框架、ABS系統(tǒng)部件3. 鋁合金在汽車上的應(yīng)用 鋁的密度比鐵低，最適于產(chǎn)生高應(yīng)力的轂狀結(jié)構(gòu)件的輕量化代用材料，如罩類、箱類、歧管等。鋁經(jīng)合金化可使抗拉強(qiáng)度提高到45#鋼水平，當(dāng)用于高應(yīng)力零件時，必須加大零件厚度

5、來彌補(bǔ)強(qiáng)度的不足，以鋁代鋼可望減輕重量50%。鋁的特點(diǎn)主要有：（1）鋁的密度低，是鋼的1/3。活塞使用鋁是輕量化效果最好的例子。（2）高的耐蝕性。鋁的表面自然形成氧化膜，故耐蝕性優(yōu)良，不易生銹；易保持漂亮的表面；鋁車輪普遍采用的原因就在于此。（3）柔性的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。鋁的合金化會使常溫下的強(qiáng)度不低于鑄鐵，可用鋁鑄造或壓鑄成型的活塞、氣缸蓋、氣缸體等零件。（4）高的導(dǎo)熱性能。與鑄鐵比，導(dǎo)熱性能約高三倍，因而最適于必須要散熱的熱交換器零件上。這也是鋁活塞所要求的特征。（5）高的導(dǎo)電性能。電導(dǎo)率約為銅的60%，密度是銅的1/3，用銅重量一半的鋁就可傳送與銅等量的電荷。（6）表面美觀。經(jīng)陽極氧化處理可在表

6、面生成無色透明的氧化膜，另外利用染色、電解等可獲得各種各樣的色調(diào)。（7）鑄造性。由于鋁的溶化溫度低，流動性好，故易制造復(fù)雜形狀的零件。（8）切削性。切削性是鑄鐵的4-5倍，工具磨損程度僅為鑄鐵的1/2。（9）耐磨性。根據(jù)表面處理及使用條件，可直接作為軸承面使用。也可用于氣缸體。 與鋼鐵相比，鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工等特點(diǎn)，是近20年來在國內(nèi)外汽車上使用最多的輕量化材料。鋁合金零部件除了有助于提高汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，它同時也是一個整車質(zhì)量平衡體。寶馬公司表示“鋁合金幫助我們成功解決了前、后軸質(zhì)量的平衡問題”。寶馬新7系采用了鋁合金發(fā)動機(jī)蓋、鋁合金保險(xiǎn)杠，發(fā)動機(jī)中的某

7、些部件也由鋁合金加工而成。鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車，可使整車質(zhì)量減輕30%-40%，制造發(fā)動機(jī)可減重30%，制造缸體和缸蓋可減重30%-40%，轎車全鋁車身比原鋼材制品輕40%以上，汽車鋁合金車輪減重可達(dá)50%左右。 鋁合金也有自己的“軟肋”，抗承載能力較弱是其中之一。由于鋁的抗承載力與鋼相比還是有差距，因此未來幾年面市的所謂全鋁合金轎車，可能仍將裝備鋼材底盤。 最關(guān)鍵的一條還是成本較高。因?yàn)樯a(chǎn)技術(shù)的局限，目前工藝流程復(fù)雜，且不易控制。對每一個工序，都必須按流程操作，嚴(yán)格監(jiān)控。 奧迪公司在A8和A2兩款轎車上大膽采用了鋁制零部件，目前A8與A2每年分別制造1

8、3000輛和50000輛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年全球每輛汽車用鋁已從1978年的50kg上升為140kg，增長1.8倍。未來5年，中型轎車的鋁合金含量將大幅增加，但目睹全鋁合金打造的轎車上市，尚需時日。 專家預(yù)測，汽車材料鋁化率達(dá)到60%以上在經(jīng)濟(jì)上是可取的。據(jù)此推測，未來汽車的鋁化極限可達(dá)30%-50%或以上。新的汽車鋁材開發(fā)與應(yīng)用集中在三個方面，其一，車身、車架全鋁化及大型鋁合金型材的開發(fā)應(yīng)用；其二，防沖擋及車門剛性結(jié)構(gòu)的全鋁化；其三，轉(zhuǎn)動部分零部件的全鋁化。 表3 變形鋁材在汽車上應(yīng)用情況部件系統(tǒng)零件名稱轎車車身系統(tǒng)發(fā)動機(jī)罩、車頂棚、車門、翼子板、行車箱蓋、地板、車身骨架

9、及覆蓋件熱交換器系統(tǒng)發(fā)動機(jī)散熱器、機(jī)油散熱器、中冷器、空調(diào)冷凝器和蒸發(fā)器等其它系統(tǒng)部件沖壓車板、座椅、保險(xiǎn)杠、車廂底版、裝飾件等箱式貨車箱頂板、箱側(cè)板、箱底板、側(cè)面支撐、包角條等 圖2 鋁合金在轎車上應(yīng)用圖示  其它合金材料在汽車上的應(yīng)用4. 鎂合金 鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬之一、質(zhì)量最輕的實(shí)際應(yīng)用金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度為1.75-1.90g/cm3，比重比鋁還輕1/3，比強(qiáng)度、比剛度卻比鋁和鋼都高，易于加工、壓鑄經(jīng)濟(jì)，其最大特點(diǎn)是阻尼減振性和抗凹性好，特別是易于再生利用。被譽(yù)為21世紀(jì)綠色工程材料，備受世界關(guān)注，被廣泛運(yùn)用于汽車、摩托車、飛

10、機(jī)、電子攝影器材等方面，需求量每年均增長21%。鎂合金具有優(yōu)良的切削加工性和拋光性能，在熱態(tài)下易于加工成型。鎂合金熔點(diǎn)比鋁合金熔點(diǎn)低，壓鑄成型性能好。鎂合金鑄件抗拉強(qiáng)度與鋁合金鑄件相當(dāng)，一般可達(dá)250MPa，最高可達(dá)600多MPa。屈服強(qiáng)度、延伸率與鋁合金也相差不大。鎂合金還具有良好的耐腐蝕性能、電磁屏蔽性能、防輻射性能、導(dǎo)熱導(dǎo)電性，可進(jìn)行高精度機(jī)械加工。鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件比厚最小可達(dá)0.5mm，適應(yīng)制造汽車各類壓鑄件。鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用，鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%-50%。  美國三大汽車公司通用、福特、原戴姆勒-克萊斯勒在1997年的用鎂

11、量分別為9500t、17500t、7000t，到2003年分別增價(jià)到30800t、17900t、10000t。目前全球每輛轎車用鎂量在5kg左右，歐洲和北美洲汽車用鎂量年平均增長率在15%左右。 全球看好鎂及鎂合金在汽車工業(yè)應(yīng)用，根據(jù)資料顯示：今后5年內(nèi)在汽車工業(yè)材料應(yīng)用增長最快的是鎂合金壓鑄件，到2015年由全球鎂生產(chǎn)廠支持的鎂未來發(fā)展計(jì)劃將達(dá)到每輛車平均用鎂量達(dá)到68kg。美國汽車用鎂集團(tuán)總裁厄利·卡納萬先生表示，輕金屬鎂不再是汽車工業(yè)可供選擇的金屬材料，而是成為必須采用的金屬材料。當(dāng)前應(yīng)用研究的重點(diǎn)是汽車結(jié)構(gòu)件和動力等部件，開發(fā)研究新型耐高溫、抗蠕變、抗腐蝕鎂合金。&

12、#160;表4鎂合金在汽車上應(yīng)用情況部件系統(tǒng)零件名稱動力系統(tǒng)曲軸箱、變速器殼、自動變速器、氣門室罩蓋、進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)件儀表板骨架、發(fā)動機(jī)托架、散熱器支架、座椅骨架、車頂、門內(nèi)板內(nèi)部件轉(zhuǎn)向盤、腳踏板支架、外后視鏡架、車大燈反光鏡架、車門把手5.鈦合金 鈦的密度為4.5g/cm3，是鐵的1/2；鈦的熔點(diǎn)為1668，比鐵還要高；熱脹系數(shù)小，作為耐熱材料很有潛力；其制成的鈦合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，可與超高強(qiáng)度鋼媲美，其比強(qiáng)度是常用工程材料中最高的；鈦合金可在550以下工作，優(yōu)于鋁合金及一般鋼；具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕性能好（優(yōu)手不銹鋼）、低溫韌性很好（在-253時仍有良好韌性）、

13、比斷裂韌性高以及良好的加工適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。 鈦合金適于制造汽車懸架彈簧和氣門彈簧、氣門，用鈦合金制造板簧與用抗拉強(qiáng)度達(dá)2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，可降低自重20%。用鈦合金還可以制造車輪、氣門座圈、排氣系統(tǒng)零件，還有些公司嘗試用純鈦板作車身外板。鈦合金發(fā)動機(jī)氣門用Ti-6A1-4V等制成的氣門比鋼制氣門輕30%-40%，可提高極限轉(zhuǎn)速20%。日本豐田開發(fā)了低成本鈦基復(fù)合材料，該復(fù)合材料以Ti-6A1-4V合金為基體，以TiB為增強(qiáng)體，用粉末；臺金法生產(chǎn)，已在發(fā)動機(jī)連桿上得到實(shí)用。 鈦的缺點(diǎn)是成本高、加工性能差，切削、焊接、表面處理都較難。由于鈦的價(jià)格昂貴（45萬元以上/t）

14、，至今只見在賽車和個別豪華車上少量應(yīng)用。 鈦?zhàn)畲蟮娜秉c(diǎn)就是提煉比較困難。這主要是因?yàn)殁佋诟邷叵聵O易與氧、碳、氮等元素化合。  鈦以其誘人的特性在汽車行業(yè)中有很大的應(yīng)用潛能。其高強(qiáng)度、低密度和優(yōu)良的耐腐蝕性，不僅可用于汽車驅(qū)動裝置，也可應(yīng)用到汽車底盤上。2002年在汽車工業(yè)中用鈦近800t，而日本就占600t，2006年世界汽車、摩托車鈦總量達(dá)到5000t。由于鈦金屬價(jià)格高昂和制造工藝的原因，未來十年應(yīng)用到汽車上的量還將保持在低水平狀態(tài)，年增長速度將近5%。鈦的冶煉技術(shù)一旦有突破，價(jià)格一定也會直線下降，定會成為繼鐵、鋁之后的“第三金屬”而被廣泛應(yīng)用。6. 塑料及其復(fù)

15、合材料在汽車上的應(yīng)用 塑料及其復(fù)合材料特點(diǎn)：（1）汽車材料應(yīng)用塑料的最大優(yōu)勢是減輕車體的重量。一般塑料的比重在0.9-1.5，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重A3鋼為7.6、黃銅為8.4、鋁為2.7。這使得塑料材料成為汽車輕量化的首選用材。（2）塑料成型容易，使得形狀復(fù)雜的部件加工十分便利。例如儀表臺用塑料可以一次加工成型，加工時間短，精度有保證。（3）塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對強(qiáng)烈撞擊有較大的緩；中作用，對車輛和乘員起到保護(hù)作用。另外，塑料還具有吸收和衰減振動和噪聲的作用，可以提高乘坐的舒適性。（4）塑料耐腐蝕性強(qiáng)，局部受損不會腐蝕。塑料對酸、堿、鹽

16、等抗腐蝕能力大于鋼板，如果用塑料做車身覆蓋件，十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用。（5）塑料材料的第五大優(yōu)勢是根據(jù)塑料的組織成分，通過添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來制出所需性能的塑料，改變材料的機(jī)械強(qiáng)度及加工成型性能，以適應(yīng)車上不同部件的用途要求。  玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP）等新品種已隨著技術(shù)的成熟而正在擴(kuò)大應(yīng)用，主要用于車身的外裝件和功能件。具有高比強(qiáng)度和高比彈性模量的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）及有機(jī)合成纖維復(fù)合材料（Kevlar）有歐美等國已著手研究的新材料，并已開始使用，但成本較高。碳素纖維復(fù)合增強(qiáng)材料重量比鋼輕50%，比鋁輕30%，故很多汽車制造廠將碳素纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造概

17、念車和賽車車身。 在發(fā)達(dá)國家，汽車塑料的用量占塑料總消費(fèi)量的5%-8%，在美國和日本，這個比例達(dá)到了12%，而且還在繼續(xù)增加。隨著國際汽車巨頭紛紛帶新產(chǎn)品、新技術(shù)登陸中國，中國的汽車塑料用量逐年增加：從1995年6.4萬t增加到2005年15萬t左右。預(yù)計(jì)中國汽車塑料用量2010年將達(dá)到23萬t左右，年增長率約10%。 表5塑料在汽車上應(yīng)用情況部件系統(tǒng)零件名稱內(nèi)飾件儀表板、車門內(nèi)板、座椅、方向盤、雜物箱蓋、頂棚、后圍、遮陽板、門手柄、后護(hù)板等外飾件保險(xiǎn)杠、擋泥板、車輛罩、導(dǎo)游板、腳踏板、照明部件等功能結(jié)構(gòu)件塑料油箱、進(jìn)氣歧管、氣門室罩、油底殼、傳動軸車身發(fā)動機(jī)罩、頂蓋和行李

18、箱蓋7.高強(qiáng)度鋼在汽車上的應(yīng)用 在輕量化材料中，與鋁合金、塑料相比，高強(qiáng)度鋼具有以下特點(diǎn)：（1）價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)性好；（2）基本上可利用原有生產(chǎn)線；（3）其彈性模量高、剛性好、耐沖擊性好及較高的疲勞強(qiáng)度，有些高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度為普通鋼的2-3倍；（4）可以利用現(xiàn)有的汽車生產(chǎn)線，節(jié)約設(shè)備投資；（5）耐腐蝕性差。日本提出“以g為單位減輕車質(zhì)量”的設(shè)計(jì)理念推動了汽車高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用。據(jù)專家介紹，北美1994年曾開發(fā)超輕鋼汽車車身（ULSAB），可以使板材的強(qiáng)度平均提高1倍以上。先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼的研發(fā)是和鋁鎂等合金材料并駕齊驅(qū)進(jìn)行的，有些甚至可以取代鋁合金、鎂合金，如車輪、車門、橫梁、拖鉤等。 高強(qiáng)度鋼占汽車全部鋼板總量的比例從1979年的8.2%發(fā)展到2000年的30%以上，且有進(jìn)一步上升的趨勢。ULSAB已做出車體90%采用高強(qiáng)度鋼板的樣車，減重達(dá)30%。1994年美國每輛汽車的高強(qiáng)度鋼用量在110kg左右，到2010年預(yù)計(jì)增加到227kg左右。 表6 高強(qiáng)度鋼在汽車上應(yīng)用情況 部件系統(tǒng)零件名稱高強(qiáng)度鋼板