金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展

曹斌

摘 要：輕量化材料一方面節(jié)約汽車制造成本，另一方面還可以低碳環(huán)保循環(huán)利用。新材料和新技術(shù)之間相輔相成，先進(jìn)的工藝技術(shù)為輕量化材料更新提供基礎(chǔ)，新材料的廣泛應(yīng)用推動(dòng)工藝技術(shù)的發(fā)展。在未來(lái)汽車制造中，輕量化材料取代鋼材已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：金屬材料；汽車輕量化；應(yīng)用與發(fā)展

1 引言

隨著節(jié)能減排的大力推行，加之環(huán)保政策力度的進(jìn)一步加強(qiáng)，2016年底至2017年上半年持續(xù)放緩的汽車輕量化推進(jìn)有了回升的態(tài)勢(shì)。之前受阻于車用鋁材成本高昂的汽車輕量化，在政策扶持、大環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)的雙重驅(qū)動(dòng)下重新成為了汽車行業(yè)的焦點(diǎn)。

2 汽車輕量化的含義

2016年中國(guó)機(jī)動(dòng)車的產(chǎn)銷量均突破2800萬(wàn)輛，持續(xù)領(lǐng)先世界其他國(guó)家的汽車增長(zhǎng)量。中國(guó)每年凈新增車輛為2000萬(wàn)，給中國(guó)的石油進(jìn)口負(fù)擔(dān)和環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力。根據(jù)《巴黎協(xié)定》和中國(guó)“十三五”規(guī)劃《綱要》確定，未來(lái)五年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量下降18%。據(jù)相關(guān)的資料研究表明，車身的重量每減少10%，汽車的燃油消耗就會(huì)減少7%左右。同時(shí)，汽車的總質(zhì)量下降后，還可以將汽車的操縱的穩(wěn)定性提高，當(dāng)汽車經(jīng)過(guò)不平坦路面時(shí)對(duì)汽車的沖擊會(huì)減少。在不提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率的前提下，改善汽車的加速性能，汽車的輕量化對(duì)汽車的影響很大。

在保證汽車安全等各項(xiàng)重要指標(biāo)都滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，為了增加能源的利用效率，使其更加節(jié)能、安全，通過(guò)采用各種先進(jìn)的技術(shù)或特殊材料盡可能地減輕汽車質(zhì)量的過(guò)程。汽車輕量化并不僅僅是簡(jiǎn)單地縮小汽車的整體外觀大小或者減輕汽車的重量，和消費(fèi)者直接相關(guān)的汽車的穩(wěn)定性、安全性、耐撞性和舒適性等都需要綜合考慮，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。

3 汽車輕量化的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)關(guān)于減輕汽車自身質(zhì)量與減少燃油消耗之間的關(guān)系做了相應(yīng)的研究，有確切的證據(jù)可以表明減少整車質(zhì)量可提高汽車節(jié)能性和環(huán)保性、降低燃油消耗和排放量。汽車保有量越來(lái)越高的中國(guó)，資源消耗和環(huán)境污染程度不斷提高，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略受到牽制，對(duì)中國(guó)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一大阻礙。汽車排放的污染物成了霧霾的主要來(lái)源。減少汽車污染物排放是控制霧霾的有效措施。輕量化設(shè)計(jì)后的汽車每公里耗油量減少，污染物的排放也隨之減少。龐大的汽車數(shù)量群給交通出行帶來(lái)巨大壓力，交通堵塞和不文明的交通行為也滋生了噪音污染。而汽車輕量化能在結(jié)構(gòu)上縮小汽車尺寸，使汽車更靈活，也使道路的容納量有所提高，一定程度上減少了噪音污染。我國(guó)國(guó)產(chǎn)汽車與發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)出的汽車相比，平均油耗高出15%～20%。載貨汽車的質(zhì)量利用率則低11%～20%，這與我國(guó)的道路條件差，零部件加工精度低以及其他因素有關(guān)，當(dāng)然也受汽車自身的設(shè)計(jì)及使用的材料影響?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)汽車的輕量化研發(fā)還在初級(jí)階段，基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，技術(shù)提升較慢，輕量材料以及汽車輕量化方面的意識(shí)也不夠到位，但是這也表明汽車輕量化在我國(guó)具有巨大的發(fā)展空間。

4 金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展

4.1 高強(qiáng)度鋼板

高強(qiáng)度鋼板性能大大優(yōu)于一般的鋼材，高強(qiáng)度鋼板具有厚度薄、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度保證車身安全性。在當(dāng)前高科技新材料成本高、普及率低的背景下，并考慮綜合性能，高強(qiáng)度鋼板是車身輕量化的首選材料，王要應(yīng)用于車輛的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，如地板、AB柱、門檻等。寶馬部分車型中的日柱、中通道、車門防撞桿、地板均采用高強(qiáng)度鋼。

凱迪拉克通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使鋼制下車體結(jié)構(gòu)比鋁制車體減重6Kg，其AB柱內(nèi)板、橫梁、地板中通道等關(guān)鍵部件均采用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼。

4.2 鋁合金

4.2.1 優(yōu)勢(shì)

鋁合金是地殼中含量最多的金屬元素，它具有一系列的優(yōu)良性能，比如低密度、高比強(qiáng)度、良好的成形性能及工藝性能等，更重要的是鋁合金的回收再利用性非常好，具有較高的回收率。低密度讓鋁合金比合金鋼更具優(yōu)勢(shì)。鋁合金在強(qiáng)度和剛度方面明顯要低于鋼板，但是鋁合金可以通過(guò)加厚和優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高強(qiáng)度和剛度，最終達(dá)到與鋼板一樣的水平。由于鋁合金的密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼鐵，所以即使增加厚度，鋁合金構(gòu)件的減重效果仍然非常明顯。數(shù)據(jù)資料顯示，同剛度下，鋁合金減重效果可達(dá)50%0

目前，隨著汽車保有量的不斷增加和人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，報(bào)廢汽車的回收和再生越來(lái)越受到關(guān)注。鋁制品的性能優(yōu)勢(shì)決定了鋁具有較高的回收價(jià)值率，可達(dá)到80%左右，并且鋁材是對(duì)環(huán)境完全無(wú)害的綠色材料。優(yōu)越的性能決定了鋁合金材料在汽車輕量化領(lǐng)域中的重要地位。

4.2.2 生產(chǎn)工藝

鋁合金車身板的抗時(shí)效穩(wěn)定性、成形性、表面處理技術(shù)和烘烤硬化性等特性是影響板材力學(xué)性能和工藝性能的關(guān)鍵因素，因而這些性能在板材生產(chǎn)加工過(guò)程中會(huì)受到重點(diǎn)關(guān)注。鋁合金車身板的生產(chǎn)工藝流程主要包括以下工序：熔鑄、熱軋、冷軋、熱處理（淬火/退火）。

根據(jù)合金品種，固溶處理加熱速度、固溶溫度、保溫時(shí)間、溫控精度和冷卻方式均有嚴(yán)格要求，尤其要求固溶保溫完成后要迅速立即進(jìn)行淬火冷卻。冷卻方式主要有兩種水冷和空冷，一般來(lái)說(shuō)，車身外板6xxx系鋁合金采用水冷，車身內(nèi)板5xxx系鋁合金采用空冷，也有部分6xxx系鋁合金采用空冷。車身內(nèi)板的性能是否達(dá)標(biāo)主要取決于連續(xù)退火熱處理工序。鈍化處理后，經(jīng)過(guò)輥涂或噴涂的鋁卷具有優(yōu)良的表面層，有利于吸附潤(rùn)滑劑，更好地保證汽車生產(chǎn)廠商板材沖壓成型；鈍化處理另一作用增強(qiáng)了鋁卷粘合強(qiáng)度，提高了漆層的穩(wěn)定性。

馬自達(dá)、奧迪等采用鋁合金板材制造外覆蓋件，發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李廂蓋是鋁合金在車身上應(yīng)用最早的部位，后面逐漸發(fā)展到全鋁車身，國(guó)外部分汽車鋁合金和鋁復(fù)合材料的比例可達(dá)80%以上。鋁合金材料作為性能優(yōu)異的新材料同時(shí)還具有很好的循環(huán)利用性，回收1件呂合金要比加工制造1t少耗能95%，目前汽車用鋁合金材料中60%以上的都是再生鋁。另外，相比加工鋁合金，加工鋼鐵所需的工裝設(shè)備需要汽車制造商投資更多資本，以鋁擠壓型材為王的汽車鋁制車身框架，焊點(diǎn)少、裝配效率高。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車減重顯然能帶來(lái)很多的好處，但從目前市場(chǎng)表現(xiàn)來(lái)看，我國(guó)的輕量化技術(shù)起步較晚，缺乏經(jīng)驗(yàn)，仍未建立起完善的產(chǎn)業(yè)鏈。在汽車輕量化之路上，仍然面臨著眾多難題。當(dāng)前，隨著新能源汽車的發(fā)展，輕量化更是重中之重。鋁合金材料以其自身優(yōu)勢(shì)必將在汽車輕量化發(fā)展中發(fā)揮重要作用。作為鋁加工企業(yè)，應(yīng)將汽車用鋁合金板的生產(chǎn)成本作為關(guān)注焦點(diǎn)，重點(diǎn)從生產(chǎn)工藝、設(shè)備和管理等多角度制定降低成本措施，為鋁板材的大批量生產(chǎn)與應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

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