金属材料在汽车轻量化中的应用与发展研究

发表时间:2018/1/10   来源:《基层建设》2017年第27期   作者:徐洪浩
[导读] 摘要:在汽车保有量的不断增加的社会背景下,如何减少污染、降低能耗,为消费者提供低成本、低排放、高速、安全、舒适的驾车环境,是汽车制造业亟待研究的课题。
        佛山三水宝钢钢材部件有限公司  广东佛山  528000
        摘要:在汽车保有量的不断增加的社会背景下,如何减少污染、降低能耗,为消费者提供低成本、低排放、高速、安全、舒适的驾车环境,是汽车制造业亟待研究的课题。汽车轻量化成为汽车产业发展的主要方向。铝合金材料以其具有的一系列优良特性,如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等,在汽车工业中逐渐得到广泛运用,成为实现汽车轻量化发展的主要途径。
        关键词:轻量化技术;应用
        一、轻量化技术概述
        轻量化技术是采用现代设计方法和理论对汽车产品进行设计,通过使用轻质材料,尽可能降低汽车的自身重量,并达到减重、降耗、环保、安全的目标。轻量化技术并非将原有设计小型化,而是保持汽车原有性能不受影响,有目标的减轻汽车重量,又能保证汽车行驶的安全性、舒适性和耐碰撞性。
        汽车轻量化技术主要包括三个方面:合理的结构设计、轻量化材料和先进的制造工艺。在结构设计方面,常采用优化并排焊点、加强筋、减重孔等方式来达到轻量化目的,目前国内汽车结构设计已从最初仅依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法上来;在轻量化材料使用上,铝镁合金、塑料、复合材料等材料的运用进一步降低了汽车的质量;在制造工艺方面,成形方法和联接技术不断创新,如柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺技术、薄壁制造技术等,大大减轻了整车的重量。
        二、金属材料在汽车轻量化中的应用
        汽车轻量化虽然是设计、材料、工艺等多方面因素的优势集成,但主要是材料的轻量化。归纳起来,用于汽车轻量化的材料主要有两类:一是低密度的轻质材料,主要指铝、镁、钛合金材料,以及塑料和复合材料;二是高强度材料,如高强度钢。从环保的角度看,在轻质材料中,聚合物类的塑料制品回收处理过程中存在环境污染问题,因此,在使用上受到一定的限制。这些金属材料形成的多种合金材料,可以提高汽车主动安全性和被动安全性,满足苛刻的安全法规要求,使汽车的安全设计得到进一步的完善。同时,选用轻金属材料也是减轻自重、节能环保,提高汽车动力性、舒适性的重要保证。铝、镁、钛等轻金属代替钢材是汽车轻量化的首选材料,也是未来汽车发展的重要方向。
        1、铝及铝合金
        铝是世界上使用较早且生产和处理工艺都比较成熟的轻量化材料。铝及铝合金材料具有的一系列优良特性,如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、易加工成型性、回收再生率高等特点,受到越来越多的汽车制造企业的青睐。目前,汽车上用铝量最大的是车轮、动力系和悬架系零部件。
        汽车轻量化主要是通过提高铝化程度来实现。伴随着铝化程度的不断提高,使用铝的比例不断增加,所产生的最大问题就是生产成本的大幅度上升。因此,降低铝化成本,提高生产效率是汽车制造业努力的方向,未来汽车铝化程度的提升必须依靠对铝化的需求和生产成本的平衡来支配。我国的铝矿产资源丰富,原铝产量位居世界第一,并形成了完整的铝工业体系。目前,国内汽车工业用率呈现快速增长态势,生产技术基本上能满足汽车工业的需要。
        2、镁合金材料
        镁合金密度1.3-1.9g/cm3,比铝合金轻33%,比钢轻77%,是工业金属结构材料中最轻的材料,可在铝合金车辆的基础上在减轻15%-20%,并且具有加工性好、良好的抗凹性、良好的减振性等优点。通过对镁合金车身和普通车身刚度和模态进行对比发现,镁合金车身的刚度和模态基本保持普通车身的水平并满足车身力学性能的要求。

但镁合金的使用也受到一些限制,由于镁和镁合金属大多数呈密排六方结构,室温成形相对困难,需要高温下成形。此外,作为汽车面板,表面质量也是需要考虑的一个重要问题。
        镁合金的高温锻造抗蠕变性对镁合金最终强度有很大影响,国外学者在这方面的研究相对的走在前列。Pekguleryuz,M.O.等[10]通过在Mg-Al合金中添加稀土类元素和Sr、Ca、Sn等来提高其抗蠕变性。Easton,M.A等[11]以Mg-Zn合金为研究对象,通过升高Nd/La所占的比率来生成固溶体Mg-4RE-0.6Zn合金,结果表明α-Mg基中固溶体生成率对抗蠕变性有重要作用。
        3、钛合金材料
        钛合金是一种新型结构及功能材料,它具有优异的综合性能,密度小,比强度高,耐高温,抗氧化,耐腐蚀,而且在地球中资源存储量仅次于铝,铁,镁,居第四位。钛是继钢和铝之后崛起的“第三金属”。钛合金的应用已经从航空、海洋领域逐步扩大到建筑、汽车等领域。
        目前,钛合金用于减轻汽车质量方面主要应用于汽车连杆、发动机气门、钛合金弹簧类,比如意大利的新型法拉利3.5LV8与Acura的NSX发动机首次使用了钛合金,质量可减小15%~20%;用Ti-6Al-4V等制成的气门比钢制气门轻30%~40%。钛合金在车身上的应用发展较缓慢,主要是由于钛合金的加工条件复杂,材料成本较高,极大的限制了钛合金的发展。世界各国正在寻求新的途径,选用较廉价的合金元素,采用热加工和冷加工工艺,降低钛合金的生产成本,达到汽车行业可接受的水平。
        4、高强度钢
        高强度钢具有很好的吸能性、屈强比、应变分布能力和应变硬化特性。与铝、镁合金材料相比,高强度钢原料和制造价格较低,经济性较好。主要用于汽车结构件、安全件、加强件如A/B/C柱、车门槛、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、纵梁、座椅滑轨等零件;在实现汽车轻量化的同时,确保汽车的安全性。
        为了应对轻质材料的挑战,钢铁企业将研发的重点放在高强度材料上,尤其是高强度钢作为优先发展的重点方向。但自主开发能力不足,新产品的开发与生产主要依靠引进技术和装备的局面仍未改变。大部分企业产品质量与国外相比存在较大差距,如钢材表面质量差,尺寸误差大,力学性能、工艺性能不稳定且分散性大等。自主创新、产销研一体化、与用户互动研发是解决这些问题的根本出路。
        三、总结
        高强度钢由于其良好的安全性,低成本等因素,在今后的一段时间内还将是降低汽车质量的主要材料;铝、镁合金、钛合金材料,在未来的汽车领域将有很大的发展潜力。但在综合考虑到市场,研究各个方面,轻金属材料与钢铁材料会复合起来使用。塑料及其复合材料,碳纤维复合材料等新型车身材料,将会随着其成形技术等方面问题的解决,在轻量化材料方面会有很大的上升比例。
        参考文献
        [1]朱士凤,宋起峰.CA1092车身轻量化的研究[J].汽车工艺与材料[J],2002,(39):58-62.
        [2]邢蕊蕊,方 舟,史 杰.高强度钢板应用对汽车轻量化的影响研究[J].机械设计,2009,(26):139-142.
        [3]田 妮,赵 刚,刘春明,左 良.固溶处理Al-1.5Si-1.2Mg-0.6Cu-0.3Mn铝合金组织性能的影响[J].材料与冶金学报,2007,(31):50-54.
        [4]周清林,乔及森,陈剑虹等.铝合金CO2激光与TIG薄板焊接接头力学性能分析[J].焊接学报,2006,(28):63-66.
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