新材料在汽車輕量化技術(shù)中的應(yīng)用

董鳴

關(guān)鍵詞：新材料 汽車 輕量化 應(yīng)用

20 世紀(jì)70 年代的發(fā)生的石油危機(jī)，推動了國外汽車輕量化材料技術(shù)的發(fā)展。發(fā)達(dá)國家在研究如何解決能源短缺和環(huán)境惡化的過程中，制定了一些非常嚴(yán)格的強(qiáng)制性法律和制度，目的是為了降低車輛的燃油消耗，減少汽車的尾氣排放[1]。因此，汽車廠商為了滿足政策法規(guī)的要求，投入了大量的人力及物力用于研發(fā)節(jié)能環(huán)保、輕量化、可回收的材料。此外，各國政府為企業(yè)、大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)提供了大量的資金支持，用于研發(fā)汽車輕量化材料，從而進(jìn)一步促進(jìn)了汽車輕量化的發(fā)展。目前，我國汽車材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)粗具規(guī)模，大量自主研發(fā)的新材料以及新技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

1 車用高強(qiáng)度鋼材料及其技術(shù)發(fā)展趨勢

為了在與其他種類競爭中保持優(yōu)勢地位，擴(kuò)大高強(qiáng)度鋼材料在汽車上的應(yīng)用范圍，鞏固高強(qiáng)度鋼在汽車用材中的主導(dǎo)地位，未來高強(qiáng)度鋼的技術(shù)開發(fā)將緊密圍繞汽車工業(yè)降低成本、減輕車輛自重的要求來展開。研究重點(diǎn)內(nèi)容包括：

1.1 新一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（板、管材）的開發(fā)

目前的高強(qiáng)度鋼（比如雙相鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、TRP 鋼和復(fù)相鋼）的強(qiáng)度均在400～1200MPa 左右。而通過對化學(xué)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對冶煉技術(shù)的改進(jìn)，可以減少或取消貴重合金元素的用量，開發(fā)出強(qiáng)度更高，且其他性能（塑性、韌性、成形性）優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼。比如，高成形性的品種、高彈性模量的品種和成形后強(qiáng)化非烘烤硬化新品種等[2-3]。

1.2 先進(jìn)的成形技術(shù)研發(fā)

目前高強(qiáng)度鋼的成形工藝主要有深沖、延展、拉伸翻邊、彎曲等，由于這些工藝本身的局限性，先進(jìn)成形技術(shù)的研發(fā)顯得十分迫切。未來成形技術(shù)研發(fā)方向主要有：管件液壓成形、板件液壓成形、輥壓成形、電磁成形與氣體熱成形等; 此外先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的焊接高強(qiáng)度鋼與其他合金連接的激光拼焊技術(shù)以及開發(fā)新的連接技術(shù)，也是未來研發(fā)的重點(diǎn)。

1.3 成形過程的CAE 分析

高強(qiáng)度鋼在汽車工業(yè)中的應(yīng)用遇到的難題是“成形”。由于強(qiáng)度的升高，必然造成成形困難且成形后可能發(fā)生開裂和回彈，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行成形的CAE 分析，對成形過程的變形路徑進(jìn)行優(yōu)化，以保證成形而避免開裂;對回彈進(jìn)行模擬分析，預(yù)測回彈，進(jìn)而進(jìn)行回彈補(bǔ)償，可大大提高和改善高強(qiáng)度鋼的成形性，從而大大節(jié)約模具調(diào)試時間和修模工作量。

1.4 進(jìn)一步研發(fā)超細(xì)晶粒鋼

超細(xì)晶粒鋼是一種新的高強(qiáng)度鋼板材料。這樣的鋼材料的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到了進(jìn)一步提高，與現(xiàn)有的鋼材相比較而言，其強(qiáng)度和韌性均超過了現(xiàn)有鋼材的一倍以上。新型超細(xì)晶粒鋼主要類型分為400MPa 級和800MPa級，具備了高均勻度、超細(xì)晶粒以及高潔凈度等三大主要特征。

2 鋁合金材料的應(yīng)用進(jìn)展

最近幾年來，全球性的能源和環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻，面對這樣的形勢，很多汽車制造商就要在降低車輛自重和降低燃油消耗方面加大投入和研發(fā)力度，降低因?yàn)槠嚿a(chǎn)過程多帶來的環(huán)境損害后果。

在材料屬性方面，鋁硅合金多具有共晶和亞共晶結(jié)構(gòu)，也有一部分的汽車零件仍然會使用傳統(tǒng)的過共晶鋁硅合金，但是這種材料的鑄造性能和機(jī)加工性能不夠優(yōu)越，近些年來多采用的是低硅或中硅亞共晶鋁硅合金材料。再者不同用途的汽車零部件，所采用的鋁合金材料特點(diǎn)也存在差異（圖1）。鋁鑄造產(chǎn)品多應(yīng)用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和制動器零部件中，鋁鑄造零部件可以承受大于10MPa 以上的壓力，其耐腐蝕性和強(qiáng)度也較高，要不斷研究開發(fā)出力學(xué)性能高、耐腐蝕強(qiáng)度高的鋁合金材料。研發(fā)具有良好鑄造性能的Al-Cu 系耐熱鋁合金以滿足制動器耐熱要求;研發(fā)具有良好耐磨性的Al-Si-Fe-Mn-Cr 合金以滿足自動變速箱離合器零件、冷氣壓縮機(jī)汽缸、換擋撥叉件的要求。此外，應(yīng)用于車體與懸掛系統(tǒng)的部件，除了具備高強(qiáng)度外，還要求開發(fā)具備能量吸收與良好的變形特性，Al-Si-Mg 系非熱處理型高強(qiáng)高韌性鋁合金是未來研發(fā)方向之一[3]。

3 鎂合金材料的應(yīng)用進(jìn)展

鎂及鎂合金材料是一種較為理想的汽車輕量化材料，但存在一些必須解決的問題，如材料性能隨著溫度升高而降低問題和腐蝕問題等。因此需要進(jìn)一步研究開發(fā)新的鎂合金材料及其成形制造技術(shù)。

鎂合金材料的成形方法分為鑄造加工成形和塑性成形，當(dāng)前主要運(yùn)用的是鑄造成形方法，且壓鑄方法是鎂合金鑄造成形方法中應(yīng)用最廣泛的。最近發(fā)展起來的鎂合金壓鑄新技術(shù)包括充氧壓鑄和真空壓鑄，充氧壓鑄在生產(chǎn)汽車鎂合金零部件上的應(yīng)用較廣泛，真空壓鑄可生產(chǎn)出AM60B 鎂合金汽車方向盤和輪轂4。

鎂合金成形以鑄造工藝為主，但鑄件的缺陷限制了鎂合金性能的提高，局限了鎂合金的廣泛應(yīng)用。鎂合金使用塑性成形方法，可有效地消減鑄件缺陷的影響，通常采用熱處理強(qiáng)化和形變強(qiáng)化可明顯地提高合金的性能，但由于鎂的密排六方結(jié)構(gòu)，變形難度比鋼、鋁和銅等要大。如果直接運(yùn)用鋁合金已有的塑性成形方法，往往會使得鎂合金材料的成品率很低，使塑性加工成形成本過高，影響了鎂合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，加快發(fā)展鎂合金塑性成形方法也是研究的熱點(diǎn)和發(fā)展的趨勢[4]。

4 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用

碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（ CarbonFiber Reinforced Polymers，CFRP） 具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢，是汽車新材料領(lǐng)域備受關(guān)注。相較于其他汽車材料而言其優(yōu)勢有以下幾個方面：

4.1 力學(xué)性能優(yōu)異

汽車上使用的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料密度僅為1.5～2.0g/cm3，只達(dá)到普通碳鋼密度的20～25%，質(zhì)量是同體積鋁合金的約2/3，但是碳纖維復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能要高于傳統(tǒng)的金屬材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了鋼材的3～4 倍。CFRP 的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度占比達(dá)到70%～80%。另外，CFRP 的振動阻尼特性也要優(yōu)于輕金屬，例如通常輕合金發(fā)生震動后需要9s 震動才能停止，而CFRP 振動2s便可以停止。

4.2 一體化制造

汽車結(jié)構(gòu)發(fā)展的另外一種趨勢就是模塊化與整體化。采用復(fù)合材料能夠在其成型過程中制成形狀各異的曲面，能夠完成汽車零部件的一體化制造。采用一體化成型制造一方面可以大幅度減少汽車零部件數(shù)量和零部件之間的連接工序，另一方面也使得零件的生產(chǎn)周期大幅縮短。

4.3 吸能抗沖擊性強(qiáng)

CFRP 具有的粘彈性也相當(dāng)出色，同時碳纖維和基體之間會因?yàn)榫植康奈⑿∧Σ炼a(chǎn)生界面應(yīng)力。在粘彈性與界面摩擦力共同作用下，CFRP 汽車制件能夠表現(xiàn)出優(yōu)越的吸能抗沖擊能力。再者，經(jīng)過特殊制作的碳纖維復(fù)合材料，其具有的碰撞吸能結(jié)構(gòu)可以在劇烈碰撞狀態(tài)下碎裂成很小的碎片，使得撞擊能量得以最大化的分散，這種材料的能量吸收能高出普通金屬材料的5 倍左右，極大提升了汽車的安全性，保障乘車人員的生命安全[5]。

4.4 耐腐蝕性好

碳纖維絲束和樹脂材料共同組成了碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，其耐酸堿性能也較為優(yōu)異，用其制造的汽車零部件無需進(jìn)行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命是普通鋼材的約2 ～ 3 倍。

5 結(jié)語

汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排的重要技術(shù)措施之一。世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出，汽車自重每減輕10%，燃油消耗可降低6%～8%。因此，汽車輕量化對于節(jié)約能源、減少排放、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分積極的意義。高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和天然纖維增強(qiáng)聚合物生態(tài)復(fù)合材料是當(dāng)前輕量化、節(jié)能環(huán)保、可回收汽車新材料的重要組成。輕量、節(jié)能、環(huán)保和可回收將成為國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。