汽车轻量化材料的应用

【摘 要】轻量化材料的使用是减少整车自重最有效的措施之一.是目前汽车工业发展的需要,并随着科学技术的进步,将会更加广泛应用于汽车零部件制造行业.

【关 键 词】轻量化材料；板材；铝镁合金；塑料

随着汽车普及程度的提升,人们对汽车关注的重心也转移到汽车的辅助设施上,如驾乘舒适便捷性、车辆发生碰撞时的安全性、车内装饰材料的环保性等.伴随这些辅助设施应用普及程度的提高,导致车辆因这些辅助设备的增加影响了整车的质量、耗油量和耗材量,同时也直接关系到各类能源供给的数量、社会资源环境保护的要求以及社会公共交通安全管理等一系列问题.就车辆消耗资源多少来说,排除发动机功率差异性的因素外,其80%的油耗量是用在驱动车辆自重所消耗的,因此整车自重的高与低直接影响着社会资源的消耗及排放污染.

实现汽车自重轻量化通常采用两种途径:一是优化结构设计,二是应用新型材料.但是通过优化结构设计的方式改进已经没有明显的优势.而随着社会发展科学技术的革新以及新材料的不断诞生,对于新型材料来说,却有着广阔的发展及应用空间.从汽车结构来说,新型轻量化材料分为两类：一类是低密度的轻质材料,如合金,塑料、复合材料；一类是高强度材料.

占汽车自重的材料大体为:钢材50%～60%,铸铁10%～15%,塑料类10%～12%,铝合金5%～10%,玻璃2%,各种复合材料4%以及其它类型的材料约占到车重的10%左右,包括各种液体、油漆、橡胶等.

由于轿车市场需求量高居车辆销售的榜首,世界各大汽车厂在轿车上研究投入大量的精力,其发展革新的成效也是日新月异的,其中车身轻量化发展是较为显著的.据统计,近三十几年来美、日、德等国汽车龙头企业来说,其车辆使用材料的变化从六、七十年代平均每辆车铝合金用量5kg到现在的280kg,钢铁材料由最初的900kg到现在的300kg,其他有机材料100kg到200kg,这样的发展变革过程中,新材料的大量使用,在提升车辆安全性、舒适性的前提下,整车重量却较之前降低35%左右.这些充分说明了大量新型材料的使用是实现车身轻量化技术的重要途径之一.

目前,汽车轻量化材料可分为四大类：

1.新型钢材

板材作为制造车身的主材料,不仅要求其有良好的延展性,且还要满足车辆不同部件的刚度、强度、防腐防蚀能力等要求,虽然目前汽车上使用最多的材料仍是钢材,但现在所使用的钢材大部分已经是近些年来开发的新型钢材,其品质和性能较早期的钢材已有大幅提升.目前汽车中所使用到的新型钢材已经超过其材料总量的75%.以超轻超薄高强度钢最具代表性.

车身用新型钢材主要有

1.1冷轧钢板：其特点尺寸精度高、表面质量好、具有良好的延展性、成型性,作为汽车结构部件,这种材料多使用于冲压件.主要用于车身围板、车顶盖、车门板等车身覆盖件.

1.2高强度钢板：其特点在于其具有较高的拉伸强度和较高的屈服点.但其冲压成型性比普通钢材差.一般用于需要承受高强度碰撞的汽车结构部件.主要用于车辆保险杠、悬挂系统及车门、车顶横向防撞杆等.

1.3表面处理钢板：其特点是在普通钢材表面覆盖一层惰性金属,根据需求部位的不同,可以提高钢材的防腐蚀性、抗高温及抗氧化等特殊能力（表面覆盖金属常见的为锌、铝、铜及复合性材料等）.这类钢板主要用于底盘零件等.

1.4高强度拼焊钢板：其特点拼焊部件能够进行组装,在减轻车身质量的同时提高车身强度,实现各类特殊抗性的同时,降低材料、组装、生产成本,改善零件稳定性和抗疲劳性.主要用于车身侧围等冲压成形件.

1.5夹层钢板常见的分为钢夹层板（外层是钢、铝、镁及纤维复合材料,中间夹层是瓦楞型钢板）和铝夹层板（铝夹层板的外层与钢夹层板的外层材料相同,中间是发泡铝）两种：其共同的特点是强度和刚度高、质量小、吸音力强.主要用于汽车附件产品的延伸如车门.

2.铝及铝合金材料

铝作为零件材料有许多显著的优点,在满足相同机械性能的条件下质量比钢材降低60%左右,且在碰撞过程中比钢多吸收50%的能量、同时无需进行防锈处理.随着现代材料技术的进步与发展,在铝中添加各类合金元素就可以改变铝的化学结构,从而使其根据人们的需求,获得高强度的铝合金材料.目前铝及铝合金为汽车结构的轻量化、高质量化、低成本化提供了可靠依据.

据统计,六七十年代轿车的单车用铝材量不足30kg,到现在增加到150kg,而且目前每辆轿车的铝使用量仍在进一步的提升.在铝合金材料应用方面,日本的汽车工业发展非常迅速,其汽车工业用铝量从八十年代至今用量增加超过二倍,轿车每车平均用铝量已经突破15%.同时国外的一些高端车型铝材料的使用也有着显著的成效,以德国奥迪公司生产的A8轿车为例,其采用铝合金冲压车架,在车身质量降低了35%的基础上,车身强度增加了50%.可见铝及铝合金制品对于车辆的轻量化作用重大,其前景非常可观.

3.镁及镁合金材料

镁及镁合金相对于钢材、铝材的强度、刚度都是最高的,其密度为1.8g/cm3,仅是钢的1/5,铝的2/3.其优势显而易见.但由于镁金属化学结构不稳定,,存在易腐蚀、易变形、燃点低等问题,导致镁材料在汽车机构部件中的应用程度极低,但随着科学技术的发展,近年来镁合金及其成形技术已取得重要进展,研发各类耐热、耐腐蚀、阻燃、超轻等新型镁合金,大大提高了镁及镁合金材料的使用效率,从九十年代至今在世界等发达汽车制造企业中,镁合金在汽车零部件中使用的数量逐步递增.拒不完全统计,欧洲的镁合金汽车零部件已超过60多种,北美的镁合金汽车零部件已多达100多种.其中福特汽车公司单车采用30个镁合金压铸件,通用公司采用45个镁合金压铸件,克莱斯勒公司采用20个镁合金压铸件,单车用镁合金量为20～40kg.镁成为铜铝铅锌之后的第五大金属.

4.塑料

塑料是当前最重要的汽车轻质材料.塑料具有质量轻、防锈防腐蚀、易于加工等特点,它不仅可降低汽车零部件的质量,而且还可以降低生产制造成本.同时塑料力学性能好、强度高,具有良好的表面着色、电镀、植绒、铆接等性能,为汽车饰件的舒适化起到了重要的作用.塑料材料主要使用在汽车的内和外饰件上,常见的有保险杠外包围.车内侧围内衬板、车门防撞条、仪表板、车窗等都几乎都是塑料件.

结束语

车身新型材料的应用充分体现了未来汽车轻量化、低成本、节能环保发展的趋势,同时也显示出了新型材料在汽车轻量化应用中所取得的重大进步,而这些说明了我国的汽车工业发展必须紧跟世界新材料发展的步伐,通过改革创新与技术引进等方式,加快汽车工业的发展步伐,减小与发达国家的差距,进而实现民族汽车工业的跨越式发展进程.