汽車輕量化材料的應(yīng)用

【摘 要】輕量化材料的使用是減少整車自重最有效的措施之一。是目前汽車工業(yè)發(fā)展的需要，并隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，將會(huì)更加廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造行業(yè)。

【關(guān)鍵詞】輕量化材料；板材；鋁鎂合金；塑料

隨著汽車普及程度的提升，人們對(duì)汽車關(guān)注的重心也轉(zhuǎn)移到汽車的輔助設(shè)施上，如駕乘舒適便捷性、車輛發(fā)生碰撞時(shí)的安全性、車內(nèi)裝飾材料的環(huán)保性等。伴隨這些輔助設(shè)施應(yīng)用普及程度的提高，導(dǎo)致車輛因這些輔助設(shè)備的增加影響了整車的質(zhì)量、耗油量和耗材量，同時(shí)也直接關(guān)系到各類能源供給的數(shù)量、社會(huì)資源環(huán)境保護(hù)的要求以及社會(huì)公共交通安全管理等一系列問(wèn)題。就車輛消耗資源多少來(lái)說(shuō)，排除發(fā)動(dòng)機(jī)功率差異性的因素外，其80%的油耗量是用在驅(qū)動(dòng)車輛自重所消耗的，因此整車自重的高與低直接影響著社會(huì)資源的消耗及排放污染。

實(shí)現(xiàn)汽車自重輕量化通常采用兩種途徑:一是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二是應(yīng)用新型材料。但是通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式改進(jìn)已經(jīng)沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。而隨著社會(huì)發(fā)展科學(xué)技術(shù)的革新以及新材料的不斷誕生， 對(duì)于新型材料來(lái)說(shuō)，卻有著廣闊的發(fā)展及應(yīng)用空間。從汽車結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，新型輕量化材料分為兩類：一類是低密度的輕質(zhì)材料，如合金，塑料、復(fù)合材料；一類是高強(qiáng)度材料。

占汽車自重的材料大體為:鋼材50%～60%，鑄鐵10%～15%，塑料類10%～12%，鋁合金5%～10%，玻璃2%，各種復(fù)合材料4%以及其它類型的材料約占到車重的10%左右，包括各種液體、油漆、橡膠等。

由于轎車市場(chǎng)需求量高居車輛銷售的榜首，世界各大汽車廠在轎車上研究投入大量的精力，其發(fā)展革新的成效也是日新月異的，其中車身輕量化發(fā)展是較為顯著的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近三十幾年來(lái)美、日、德等國(guó)汽車龍頭企業(yè)來(lái)說(shuō)，其車輛使用材料的變化從六、七十年代平均每輛車鋁合金用量5kg到現(xiàn)在的280kg，鋼鐵材料由最初的900kg到現(xiàn)在的300kg，其他有機(jī)材料100kg到200kg，這樣的發(fā)展變革過(guò)程中，新材料的大量使用，在提升車輛安全性、舒適性的前提下，整車重量卻較之前降低35%左右。這些充分說(shuō)明了大量新型材料的使用是實(shí)現(xiàn)車身輕量化技術(shù)的重要途徑之一。

目前，汽車輕量化材料可分為四大類：

1、新型鋼材

板材作為制造車身的主材料，不僅要求其有良好的延展性，且還要滿足車輛不同部件的剛度、強(qiáng)度、防腐防蝕能力等要求，雖然目前汽車上使用最多的材料仍是鋼材，但現(xiàn)在所使用的鋼材大部分已經(jīng)是近些年來(lái)開(kāi)發(fā)的新型鋼材，其品質(zhì)和性能較早期的鋼材已有大幅提升。目前汽車中所使用到的新型鋼材已經(jīng)超過(guò)其材料總量的75%。以超輕超薄高強(qiáng)度鋼最具代表性。

車身用新型鋼材主要有

1.1冷軋鋼板：其特點(diǎn)尺寸精度高、表面質(zhì)量好、具有良好的延展性、成型性，作為汽車結(jié)構(gòu)部件，這種材料多使用于沖壓件。主要用于車身圍板、車頂蓋、車門板等車身覆蓋件。

1.2高強(qiáng)度鋼板：其特點(diǎn)在于其具有較高的拉伸強(qiáng)度和較高的屈服點(diǎn)。但其沖壓成型性比普通鋼材差。一般用于需要承受高強(qiáng)度碰撞的汽車結(jié)構(gòu)部件。主要用于車輛保險(xiǎn)杠、懸掛系統(tǒng)及車門、車頂橫向防撞桿等。

1.3表面處理鋼板：其特點(diǎn)是在普通鋼材表面覆蓋一層惰性金屬，根據(jù)需求部位的不同，可以提高鋼材的防腐蝕性、抗高溫及抗氧化等特殊能力（表面覆蓋金屬常見(jiàn)的為鋅、鋁、銅及復(fù)合性材料等）。這類鋼板主要用于底盤零件等。

1.4高強(qiáng)度拼焊鋼板：其特點(diǎn)拼焊部件能夠進(jìn)行組裝，在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)提高車身強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)各類特殊抗性的同時(shí)，降低材料、組裝、生產(chǎn)成本，改善零件穩(wěn)定性和抗疲勞性。主要用于車身側(cè)圍等沖壓成形件。

1.5夾層鋼板常見(jiàn)的分為鋼夾層板（外層是鋼、鋁、鎂及纖維復(fù)合材料，中間夾層是瓦楞型鋼板）和鋁夾層板（鋁夾層板的外層與鋼夾層板的外層材料相同，中間是發(fā)泡鋁）兩種：其共同的特點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度高、質(zhì)量小、吸音力強(qiáng)。主要用于汽車附件產(chǎn)品的延伸如車門。

2、鋁及鋁合金材料

鋁作為零件材料有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，在滿足相同機(jī)械性能的條件下質(zhì)量比鋼材降低60%左右，且在碰撞過(guò)程中比鋼多吸收50%的能量、同時(shí)無(wú)需進(jìn)行防銹處理。隨著現(xiàn)代材料技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，在鋁中添加各類合金元素就可以改變鋁的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而使其根據(jù)人們的需求，獲得高強(qiáng)度的鋁合金材料。目前鋁及鋁合金為汽車結(jié)構(gòu)的輕量化、高質(zhì)量化、低成本化提供了可靠依據(jù)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，六七十年代轎車的單車用鋁材量不足30kg，到現(xiàn)在增加到150kg，而且目前每輛轎車的鋁使用量仍在進(jìn)一步的提升。在鋁合金材料應(yīng)用方面，日本的汽車工業(yè)發(fā)展非常迅速，其汽車工業(yè)用鋁量從八十年代至今用量增加超過(guò)二倍，轎車每車平均用鋁量已經(jīng)突破15%。同時(shí)國(guó)外的一些高端車型鋁材料的使用也有著顯著的成效，以德國(guó)奧迪公司生產(chǎn)的A8轎車為例，其采用鋁合金沖壓車架，在車身質(zhì)量降低了35%的基礎(chǔ)上，車身強(qiáng)度增加了50%?？梢?jiàn)鋁及鋁合金制品對(duì)于車輛的輕量化作用重大，其前景非?？捎^。

3、鎂及鎂合金材料

鎂及鎂合金相對(duì)于鋼材、鋁材的強(qiáng)度、剛度都是最高的，其密度為1.8g/cm3，僅是鋼的1/5，鋁的2/3。其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。但由于鎂金屬化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，，存在易腐蝕、易變形、燃點(diǎn)低等問(wèn)題，導(dǎo)致鎂材料在汽車機(jī)構(gòu)部件中的應(yīng)用程度極低，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)鎂合金及其成形技術(shù)已取得重要進(jìn)展，研發(fā)各類耐熱、耐腐蝕、阻燃、超輕等新型鎂合金，大大提高了鎂及鎂合金材料的使用效率，從九十年代至今在世界等發(fā)達(dá)汽車制造企業(yè)中，鎂合金在汽車零部件中使用的數(shù)量逐步遞增。拒不完全統(tǒng)計(jì)，歐洲的鎂合金汽車零部件已超過(guò)60多種，北美的鎂合金汽車零部件已多達(dá)100多種。其中福特汽車公司單車采用30個(gè)鎂合金壓鑄件，通用公司采用45個(gè)鎂合金壓鑄件，克萊斯勒公司采用20個(gè)鎂合金壓鑄件，單車用鎂合金量為20～40kg。鎂成為銅鋁鉛鋅之后的第五大金屬。

4、塑料

塑料是當(dāng)前最重要的汽車輕質(zhì)材料。塑料具有質(zhì)量輕、防銹防腐蝕、易于加工等特點(diǎn)，它不僅可降低汽車零部件的質(zhì)量，而且還可以降低生產(chǎn)制造成本。同時(shí)塑料力學(xué)性能好、強(qiáng)度高，具有良好的表面著色、電鍍、植絨、鉚接等性能，為汽車飾件的舒適化起到了重要的作用。塑料材料主要使用在汽車的內(nèi)和外飾件上，常見(jiàn)的有保險(xiǎn)杠外包圍。車內(nèi)側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、儀表板、車窗等都幾乎都是塑料件。

結(jié)束語(yǔ)

車身新型材料的應(yīng)用充分體現(xiàn)了未來(lái)汽車輕量化、低成本、節(jié)能環(huán)保發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)也顯示出了新型材料在汽車輕量化應(yīng)用中所取得的重大進(jìn)步，而這些說(shuō)明了我國(guó)的汽車工業(yè)發(fā)展必須緊跟世界新材料發(fā)展的步伐，通過(guò)改革創(chuàng)新與技術(shù)引進(jìn)等方式，加快汽車工業(yè)的發(fā)展步伐，減小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)民族汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展進(jìn)程。