随着科学技术的飞速发展。现代汽车制造材料的构成。发生了较大的变化。高密度材料的比例下降。低密度材料有较大幅度的增加。可以说。从90年代开始。汽车材料向轻量化。节省资源。高性能和高功能方向发展。本文将重点介绍汽车材料轻量化发展态势。
一。汽车轻量化成为汽车材料发展的方向
在汽车产业飞速发展的同时。汽车材料轻量化也成为汽车发展的必然趋势。轻量化不但可以减轻车身质量。节约能源。降低油耗。减轻污染。也可以降低成本。提高企业竞争力。增加企业利润。有关资料显示：汽车的一般部件质量每减轻1%。可节油1%；运动部件每减轻1%。可节油2%。近年来。各国汽车制造商都致力于探索。应用汽车新材料。在保证汽车综合性能的前提下减小汽车自身质量。所以。汽车轻量化已经成为汽车材料发展的主要方向。
无论从数量。质量还是从汽车零部件的技术要求看。金属材料在汽车中的使用都具有极其重要的地位。尽管使用非金属材料的数量在逐年增加。但金属材料在使用量上仍占有较高比例。传统汽车材料例如钢。铁等所占比例仍然比较高。
汽车轻量化的重要手段之一是在保证汽车综合性能的前提下。汽车材料向轻质材料方向发展。包括铝合金材料。高强度钢。镁合金材料。钛合金材料。塑料和复合材料等。
二。轻量化材料在汽车上的应用
1.铝合金
铝相对于钢。铁来讲。。质量轻许多。而且铝资源丰富。市场供应充足。铝加入合金元素后。具有密度小。质量轻。导热性能高。吸收冲击能力强。易于回收再生。耐腐性高等特点。铝合金的密度大约是钢铁的1／3。吸收冲击的能力大约是钢的2倍。导热性能大约比铁高3倍。所以铝合金是汽车轻量化的首选材料。在汽车上使用比较早。技术也相对成熟。20世纪80年代。美国在轿车上平均使用铝合金量为55kg。90年代达到130kg。日本在汽车上使用铝合金材料的进展很快。跑车用铝合金最多。每车使用铝合金达250kg。占整车质量的16.4%。铝合金在汽车上的应用主要为以下几种：
铸造铝合金。铸造铝合金具有优良的铸造性能。铸造方法很多。可根据使用目的。零件形状。数量。质量标准。机械性能等方面的要求和经济效益。选择最适宜的合金和铸造方法。生产效率比较高。铸造铝合金主要用于汽车发动机部件。离合器壳体。变速器壳体。后桥壳。转向器壳体。正时齿轮壳体等壳体类零件；也可用于制造保险杠。车轮。发动机框架。转向节液压泵总成。刹车钳等零部件。
形变铝合金。形变铝合金与铸造铝合金相比。强度。韧性都大为优越。形变铝合金在汽车上主要用于制造保险杠。发动机罩。制动器总成的保护罩。消声罩。防抱死制动系统。热交换器。车身构架。座位。车箱底板等零部件。美国汽车形变铝合金所占的比例较高。
锻造铝合金。由于价格昂贵。以前锻造铝合金只是在欧美高级轿车上有少量应用。由于锻造铝合金热锻时不氧化。表面光洁。机加工余量小。无加工缺陷。所以在汽车上的应用正在逐渐增加。主要用于汽车的托架和载货汽车的车轮等。
2.高强度钢
虽然汽车制造中铝等轻质材料不断增加。但钢铁仍是汽车制造的主要材料。铝等轻质材料由于受到自身性能。工艺要求以及价格等因素的限制。在汽车制造中仅能代替一部分钢铁。高强度钢相对于普通钢来说具有高强度。质量轻。成本降低等特点。而且能够提高安全性能。所以高强度钢已成为颇具竞争力的汽车材料轻量化的原材料。使用高强度钢板代替普通钢板制造汽车车身。汽车自身质量可减轻30%～40%；代替普通钢制成的传动轴质量可减轻约10%。北美开发的PNGV-Class轿车。车身全部采用高强度钢。其质量只有218kg。与全铝车身相当。所以高强度钢是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之一。目前。汽车制造商用高强度钢取代普通的钢材和铸铁制造汽车车身。底盘。悬架。转向等汽车零部件。不仅有利于实现汽车轻量化。降低能耗和保护环境。而且可以大幅度地提高汽车的耐侵蚀能力。增加汽车使用寿命。
3.镁合金
全世界已知含镁矿物有60余种。镁是目前工业应用材料中最轻的一种金属。也是地壳中含量丰富的元素之一。镁合金具有密度小。比强度和比刚度高。良好的尺寸稳定性。导热导电性能好。吸振性和易于加工成型等特点。所以镁合金是具有竞争力的汽车轻量化材料之一。在汽车上使用镁合金至少已有60年的历史。早在1930年。Louris Chevrolet就在一辆赛车上首次使用镁合金制作活塞。1990年日本等国家在汽车压铸件上也都使用了镁合金。从汽车上使用镁合金零部件的数量看。平均用量不高。远不如铝合金。但是。近年镁合金在汽车上的应用一直以较快的速度增长。在汽车上使用镁合金制造的零部件目前绝大部分是压铸件。镁合金压铸件在所有压铸合金中是最轻的而且使用期限要比铝合金长。镁合金压铸件主要制作汽车仪表板。座椅骨架。变速器壳体。方向盘操纵系统部件。发动机零部件。车门框架。轮毂。支架。离合器壳体。车身支架等。
4.钛合金
钛合金是一种新型材料。它具有优异的综合性能。密度小。比强度和比断裂韧性高。低温韧性良好。疲劳强度和抗裂纹扩展能力好。钛可以减轻汽车发动机的质量。提高汽车车速。降低噪声。降低平均油耗。在改善发动机工作性能上有很大的优势。另外。用钛合金制造发动机气门。要比钢制气门轻15%～20%。所以钛合金成为汽车轻量化考虑采用的材料。日本于1968年在赛车的发动机零件上使用了钛材料。目前。钛合金主要用于制造发动机零部件和车身零部件等。同时也考虑用钛合金制造汽车发动机气门。气门弹簧。气门座圈和连杆。排气管。车轮。高强度坚固件等。虽然钛的应用前景十分广阔。但是钛的缺点是成本高。加工性能差。切削。焊接和表面处理都较难。
5.塑料
塑料及其复合材料不仅可以减轻零部件约40%的质量。还可使成本降低40%左右。据有关资料统计。2000年世界平均每辆汽车上塑料的用量已达到105kg。约占汽车总质量的8%-12%。塑料零部件被用于汽车领域始于20世纪50年代。1959年福特公司首先将聚氯乙烯溶胶应用于汽车制造业。近些年。汽车上塑料用量的增长还在继续。且增长速度非常快。塑料在汽车上的应用主要为以下几种：
塑料内饰件。塑料仪表板是主要的内饰件。由于仪表板的表面温度很高。为了适应发动机室的高温以及阳光的照射。要求塑料仪表板在较高温度下不变形。并在低温下能承受比较大的撞击。常见的塑料内饰件还有杂物箱。门把手。座椅。顶棚。防冻板。车门把手。引流板。托架。转向柱护套。装饰板。空调系统配件等。
塑料外饰件。汽车车身部件是汽车上应用塑料比较多的外饰部件：例如用塑性制作保险杠。用热塑性塑料合金制作汽车挡泥板。用表面涂敷硬膜的PC制作汽车照明系统的前大灯。用注塑成型方法制作侧防撞条。用塑料基材板夹泡沫塑料层制作汽车车顶材料等。用塑料制作的外装饰件还包括散热器格栅。车轮护罩。车门槛板。侧面模塑件。后导流板。阻流板。后视镜框。门把手。后装饰挡板和塑料窗玻璃等。
塑料功能件。主要指发动机部件及其罩下燃油进气系统和电器系统。虽然用塑料制作的发动机部件比金属部件成本低。质量轻。噪声小。但是要求塑料件必须能够耐 175℉的高温。刚性高。尺寸稳定性好。耐腐蚀。因此。发动机部件使用的塑料主要是尼龙66。PPS。聚酯等。目前。Rogcrs公司用玻纤增强酚醛塑料制成了发动机气缸和油盘；BMW公司的六缸和四缸新型发动机使用了全塑料进气装置；Mann&Hummel公司使用35%的玻纤增强尼龙制造进气装置。塑料功能件还包括燃油箱。方向盘。车窗玻璃。刮雨器。输油管。动力阀。汽车窗升降机装置和汽缸头盖等。
6.复合材料
复合材料是在现代科学技术发展中涌现出的具有强大生命力的材料。它是由基体材料(包括树脂。金属。陶瓷等)和增强剂(有纤维状。品须状和颗粒状等)复合而成的。它具有刚度大。强度高。耐热。耐磨。质量轻等特点。能满足各种特殊用途。所以也是汽车轻量化的选取材料之一。复合材料的力学性能和功能可以根据实际需要。通过适当选材和优化设计来获得。当前复合材料在汽车上的应用主要有金属基复合材料。陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料。
金属基复合材料。金属基复合材料主要以铝基复合材料最为典型。铝材料是传统的。较为典型的轻质材料。在汽车上得到了广泛的应用。用铝做基体。加入品须状的增强剂制作成的复合材料具有耐磨。耐高温等特点。主要用于汽车活塞。缸套。刹车轮。传动轴。轮胎螺栓。
陶瓷基复合材料。用陶瓷做基体。加人增强剂制作的陶瓷复合材料。具有优良的机械性能和低密度等特点。所以也被应用于汽车材料。但是价格远比金属零件价格高。目前。世界各国都在大力发展陶瓷基复合材料。其主要用于制造汽车发动机气门。挺柱。增压器涡轮。也可用于气缸盖。活塞销以及排气管。
聚合物基复合材料。聚合物基复合材料主要是玻璃纤维增强塑料。也称玻璃钢。可代替钢板用在车身上。达到车身的轻量化。
三。发展汽车材料轻量化要注意的问题
1.汽车材料的轻量化要科学。严谨。提高安全意识
对汽车材料的轻量化不能盲目进行。只有在保证汽车整体性能不受影响的前提下才能考虑最大限度地减轻零部件的质量。同时。使用轻量化材料首先要考虑材料的应用是否能够保证车辆的安全性。这是汽车材料轻量化的先决条件。
2.处理好汽车材料轻量化与汽车配置增加的关系
由于汽车趋向于快速。高级。豪华。舒适。安全。形形色色的附配装置大量使用。使汽车的总质量有了较大的增加。一方面要增加汽车配置。一方面又在进行汽车材料轻量化。这是一个十分不好解决的问题。所以进行汽车轻量化。要在保证行车稳定性的前提下。减掉使用率不高的相关汽车配置。这样才能达到汽车轻量化的目的。
3.处理好汽车材料轻量化与原材料资源和成本之间的关系
如果选用资源少。成本高的轻量化原材料。必然提高整车成本。所以在原料选用上一定要注意选用成本低。资源多的材料。从而达到在提高汽车材料轻量化的同时降低汽车整车制造成本的目的。
4.制定汽车材料轻量化规范标准
目前对汽车轻量化没有统一的标准。有碍于汽车轻量化的发展。所以。希望汽车管理部门能够制定汽车材料轻量化技术标准和检测方法。
5.建立汽车材料轻量化技术人才培养基地和技术咨询服务机构
人才是企业之本。只有建立必要的培养基地。培养这方面的人才。汽车材料轻量化才能科学进行。增设这方面的技术咨询服务机构也是十分必要的。
综上所述。汽车材料轻量化是大势所趋。世界各国都在致力研究和发展汽车材料轻量化。但是汽车制造商在汽车材料轻量化上不能盲目的跟风。一定要科学。合理地进行。我国汽车材料轻量化的发展还落后于欧美等国家。目前正处在发展阶段。所以发展前景广阔。中国汽车企业要抓住机遇。大力发展汽车轻量化。为中国汽车产业的跳跃式发展作出贡献。
——内容转载自《汽车工业研究》
