金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展研究

鄭海彤

摘 要：汽車輕量化成為汽車制造業(yè)發(fā)展的主要方向。在闡述汽車輕量化概念及意義基礎(chǔ)上，探討鋁、鎂、鈦、高強度鋼等金屬材料的特點及其在汽車輕量化中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：金屬材料 汽車輕量化 應(yīng)用

中圖分類號：U465 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0056-02

在汽車保有量的不斷增加的社會背景下，如何減少污染、降低能耗，為消費者提供低成本、低排放、高速、安全、舒適的駕車環(huán)境，是汽車制造業(yè)亟待研究的課題。汽車輕量化成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。鋁合金材料以其具有的一系列優(yōu)良特性，如密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、易表面著色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，在汽車工業(yè)中逐漸得到廣泛運用，成為實現(xiàn)汽車輕量化發(fā)展的主要途徑。

1 汽車輕量化的概念與意義

汽車輕量化（Lightweight of Automobile）是指汽車在造價不被提高的前提下，即保持原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能，又有目標地減輕汽車自身的重量，降低汽車的整備質(zhì)量，提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車輕量化的主要指導(dǎo)思想就是在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化車型譜。汽車輕量化是設(shè)計、材料和先進的加工成形技術(shù)的優(yōu)勢集成，是汽車性能提高、重量降低、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、價格合理四方面密切結(jié)合的一個系統(tǒng)工程，對于推動汽車制造業(yè)進一步發(fā)展具有重要意義。

汽車輕量化能夠降低油耗、節(jié)約能源。20世紀70年代兩次石油危機促使人們深刻認識到要維系汽車工業(yè)的長遠發(fā)展，必須降低油耗，節(jié)約能源。否則日益減少的能源將成為汽車工業(yè)發(fā)展的瓶頸。

汽車輕量化能夠減少排放，降低對環(huán)境的污染。80年代中期以后，隨著人類環(huán)境生存壓力的增大，作為污染源之一的汽車尾氣排放問題也成為人們關(guān)注的焦點。如何減少排放，如何降低對環(huán)境的污染，確保人類擁有良好生存環(huán)境，這是汽車工業(yè)發(fā)展過程中必須堅守的社會責(zé)任。

2 金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

汽車輕量化雖然是設(shè)計、材料、工藝等多方面因素的優(yōu)勢集成，但主要是材料的輕量化。歸納起來，用于汽車輕量化的材料主要有兩類：一是低密度的輕質(zhì)材料，主要指鋁、鎂、鈦合金材料，以及塑料和復(fù)合材料；二是高強度材料，如高強度鋼。從環(huán)保的角度看，在輕質(zhì)材料中，聚合物類的塑料制品回收處理過程中存在環(huán)境污染問題，因此，在使用上受到一定的限制。而鋁、鎂、鈦合金材料是目前所有現(xiàn)用金屬材料中密度較低的輕金屬材料（鋁合金約2.7 g/cm3，鎂合金約1.74 g/cm3，鈦合金約4.51 g/cm3，鋼的密度約7.8 g/cm3），這些金屬材料形成的多種合金材料，可以提高汽車主動安全性和被動安全性，滿足苛刻的安全法規(guī)要求，使汽車的安全設(shè)計得到進一步的完善。同時，選用輕金屬材料也是減輕自重、節(jié)能環(huán)保，提高汽車動力性、舒適性的重要保證。鋁、鎂、鈦等輕金屬代替鋼材是汽車輕量化的首選材料，也是未來汽車發(fā)展的重要方向。

2.1 鋁及鋁合金

鋁是世界上使用較早且生產(chǎn)和處理工藝都比較成熟的輕量化材料。鋁及鋁合金材料具有的一系列優(yōu)良特性，如密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、易表面著色、易加工成型性、回收再生率高等特點，受到越來越多的汽車制造企業(yè)的青睞。

目前，汽車上用鋁量最大的是車輪、動力系和懸架系零部件。據(jù)此推測，未來汽車的鋁化界限可達30%～50%。為了能增加鋁及合金材料在汽車制造業(yè)中的使用數(shù)量，各國都在努力探索新的鋁合金材料的同時，也不斷改進加工技術(shù)，如“鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)”就是目前國際廣泛關(guān)注和應(yīng)用的領(lǐng)先的加工技術(shù)，該技術(shù)生產(chǎn)出來的鋁合金汽車零件組織致密、性能優(yōu)良，且屬于近終態(tài)成形。鋁及鋁合金材料也有不足之處，主要表現(xiàn)在鋁的承載力、力學(xué)性能與鋼相比仍有差距。再加上生產(chǎn)技術(shù)的局限，工藝流程的復(fù)雜性，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。這些都是制約汽車材料鋁化的重要障礙。

汽車輕量化主要是通過提高鋁化程度來實現(xiàn)。伴隨著鋁化程度的不斷提高，使用鋁的比例不斷增加，所產(chǎn)生的最大問題就是生產(chǎn)成本的大幅度上升。因此，降低鋁化成本，提高生產(chǎn)效率是汽車制造業(yè)努力的方向，未來汽車鋁化程度的提升必須依靠對鋁化的需求和生產(chǎn)成本的平衡來支配。我國的鋁礦產(chǎn)資源豐富，原鋁產(chǎn)量位居世界第一，并形成了完整的鋁工業(yè)體系。目前，國內(nèi)汽車工業(yè)用率呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，生產(chǎn)技術(shù)基本上能滿足汽車工業(yè)的需要。

2.2 鎂及鎂合金

鎂及鎂合金是21世紀最具開發(fā)前景的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鎂及鎂合金的主要特點是：一是密度低、質(zhì)量輕，使用鎂合金能夠比鋁合金再減輕15%～20%，是最輕的金屬材料；二是比強度（強度與質(zhì)量之比）高于鋁合金和鋼，比剛度（剛度與質(zhì)量之比）接近于鋁合金和鋼；三是消震性和阻尼系數(shù)好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，用于殼體可以降低噪音，用于輪圈可以減少震動，提高汽車的安全性和舒適性；四是導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好，相同溫度條件，鎂合金的散熱時間是鋁合金的一半。五是工藝性能良好，具有良好的鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性，容易加工，廢品率低，從而降低生產(chǎn)成本。限制鎂合金應(yīng)用的主要原因是鎂合金的高性能—抗蠕變能力和高溫疲勞性能較差。今后新材料的研發(fā)主要解決這一問題，一是現(xiàn)有鎂合金的優(yōu)化，特別是對AZ、ZK系合金進行改性，通過添加合金元素，改善合金的高溫性能；二是新合金系的開發(fā)，主要是指新型Mg-RE系的研發(fā)。

鎂及鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要是以壓鑄件為主，取代鑄鐵、鋁合金、塑料和鋼制沖壓焊裝組合件。鎂合金在汽車上的應(yīng)用零部件分為兩類：一類是殼體類。如離合器殼體、閥蓋、儀表板、變速箱體、曲軸箱、發(fā)動機前蓋、氣缸蓋、空調(diào)機外殼等；另一類是支架類。如方向盤、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架、座椅框架、車鏡支架、分配支架等。

我國汽車用鎂及鎂合金存在的主要問題是：自主研發(fā)產(chǎn)品少，主要的合金牌號基本上是仿制品；鎂合金品種及牌號少，尤其是板材與型材缺乏；鎂合金產(chǎn)品中的雜質(zhì)和有害元素含量高，缺少統(tǒng)一的檢測標準；鎂合金基礎(chǔ)研究還比較薄弱。

為了把我國的鎂資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，國家投入大量經(jīng)費，研究鎂及鎂合金生產(chǎn)和處理技術(shù)，取得了一定的階段性成果，突破了一批新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，形成了從鎂合金生產(chǎn)、工藝與裝備、零件開發(fā)生產(chǎn)到產(chǎn)業(yè)化環(huán)境與示范基地建設(shè)等一系列產(chǎn)業(yè)鏈。組建以汽車集團為首的鎂及鎂合金材料的應(yīng)用實體，推動產(chǎn)業(yè)的標準化發(fā)展。

2.3 鈦及鈦合金

鈦及合金是21世紀最重要的、具有優(yōu)異的綜合性能的新型結(jié)構(gòu)及功能材料。它密度小，鈦的密度是4.51 g/cm3，介于鋁（2.7 g/cm3）和鐵（7.6 g/cm3）之間；比強度高于鋁合金和鋼，韌性與鋼鐵相當；抗蝕性能優(yōu)于不銹鋼，在氯離子侵蝕的海洋大氣環(huán)境和微氧化氣氛中，也具有很好的抗蝕性；工作溫度區(qū)間較寬，低溫鈦合金在-253℃依然能保持良好的塑性，耐熱鈦合金的工作溫度可550℃左右，耐熱性高于鋁合金和鎂；具有良好的加工性和焊接性能。

鈦在汽車上的應(yīng)用主要分為兩大類：一大類是用來減少內(nèi)燃機往復(fù)運動件的質(zhì)量；另一大類是用來減少汽車總質(zhì)量。在新一代汽車上主要應(yīng)用在發(fā)動機元件和底盤部件上，可制作發(fā)動機系統(tǒng)閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等，以及底盤部件中的彈簧、排氣系統(tǒng)、半軸和緊固件等。

鈦及鈦合金在20世紀50年代就進入到汽車制造領(lǐng)域，但發(fā)展比較緩慢，主要原因是價格因素。鈦金屬熔點高，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，與O，H，N和C等元素有極強的化學(xué)親和力，使純鈦的提取非常困難；另一個原因是合金化元素價格較高，鈦合金多以高價的V作為合金元素以提高強度，又以Al-X作為中間合金添加。以廉價的Fe，Cr等合金元素取代V元素，是未來降低鈦合金成本的有效方法。

隨著汽車材料向輕量化、高性能和高功能的方向發(fā)展，鈦及鈦合金作為結(jié)構(gòu)功能性材料將會越來越受到重視。盡管目前鈦材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用不大，但隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，鈦加工成本的降低，鈦材料必將在汽車領(lǐng)域占據(jù)重要地位，具有無限廣闊的發(fā)展前景。

2.4 高強度鋼

高強度鋼，英文縮寫為AHSS（Advanced HighStrengthSteel）是未來汽車鋼鐵材料的主要發(fā)展方向之一。高強度鋼是指在強度和韌性方面結(jié)合很好的鋼種。低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有很好的綜合力學(xué)性能，其抗拉強度σb>1200 MPa時，稱作高強度鋼；當抗拉強度σb>1500 MPa時，稱為超高強度剛。

高強度鋼具有很好的吸能性、屈強比、應(yīng)變分布能力和應(yīng)變硬化特性。與鋁、鎂合金材料相比，高強度鋼原料和制造價格較低，經(jīng)濟性較好。主要用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件、加強件如A/B/C柱、車門檻、前后保險杠、車門防撞梁、橫梁、縱梁、座椅滑軌等零件；在實現(xiàn)汽車輕量化的同時，確保汽車的安全性。

為了應(yīng)對輕質(zhì)材料的挑戰(zhàn)，鋼鐵企業(yè)將研發(fā)的重點放在高強度材料上，尤其是高強度鋼作為優(yōu)先發(fā)展的重點方向。但自主開發(fā)能力不足，新產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)主要依靠引進技術(shù)和裝備的局面仍未改變。大部分企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量與國外相比存在較大差距，如鋼材表面質(zhì)量差，尺寸誤差大，力學(xué)性能、工藝性能不穩(wěn)定且分散性大等。自主創(chuàng)新、產(chǎn)銷研一體化、與用戶互動研發(fā)是解決這些問題的根本出路。

3 結(jié)語

汽車工業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，面臨的主要問題是能源、公害和安全三大問題。世界各國政府先后頒布能源保護、廢棄排放、降低噪音和安全保障等方面的法律法規(guī)。汽車工業(yè)順應(yīng)形勢的發(fā)展，必須走輕量化的發(fā)展道路。鋁、鎂、鈦、高強度鋼等金屬材料以其各自的優(yōu)勢特點正逐步應(yīng)用于汽車制造過程中，為汽車材料輕量化的實現(xiàn)提供主要途徑，也成為21世界最具有開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”。

參考文獻

[1] 蔡其剛.鋁合金在汽車車體上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討[J].廣西輕工業(yè)，2009（1）：28-29.

[2] 趙武壯.我國汽車及發(fā)動機用鋁合金鑄件發(fā)展前景廣闊[J].中國金屬通報，2011（24）：4-5.

[3] 祝珂.鋁在汽車材料中的運用及展望[J].汽車工程師，2011（8）：24-26.