現(xiàn)代汽車制造金屬材料的應(yīng)用及發(fā)展方向

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成，發(fā)生了較大的變化，高密度材料的比例下降，低密度材料有較大幅度的增加，可以說(shuō)，從90年代開始，汽車材料向輕量化、節(jié)省資源、高性能和高功能方向發(fā)展。 一、汽車制造的金屬材料 長(zhǎng)期以來(lái)，鋼鐵一直是構(gòu)成汽車的主要材料，在汽車用鋼中，合金鋼比例較高。國(guó)外不少汽車采用含Cr、Ni、Mo等元素的結(jié)構(gòu)鋼和含Co量很高的永磁材料，而這些元素的資源都較稀缺，節(jié)約合金資源成為指導(dǎo)汽車材料開發(fā)和應(yīng)用的方針之一。 構(gòu)成汽車的零件約有兩萬(wàn)多個(gè)，在這些零件中，使用了各種各樣的材料(見圖)。其中約86%是金屬材料，而在金屬材料中，鋼鐵材料占了80%。在90年代日本的消費(fèi)量中冷軋薄板占37%，熱軋薄板33%，特殊鋼24%;另外鋁鑄材料的83%都是用于汽車制造上， 這對(duì)日本經(jīng)濟(jì)界的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。 鋼鐵材料的理論強(qiáng)度約為14000MPa，直徑為1～2μm的鐵單晶體試棒可接近這個(gè)理論強(qiáng)度，而實(shí)際使用材料的最大強(qiáng)度只有2000MPa。從宏觀上看是由于材料的缺陷，在微觀上看是由于結(jié)晶的缺陷，所以，為得到強(qiáng)度高而便宜的鋼鐵材料，應(yīng)盡量減小這些缺陷，并進(jìn)行各種各樣的研究。 汽車的車體鋼板，以前使用的是容易成型的軟質(zhì)鋼材。為適應(yīng)輕量化的需求，以后開發(fā)了高張力鋼板。這種鋼板具有成型性好、強(qiáng)度高，并可使板厚減薄的優(yōu)點(diǎn)。高張力鋼板是在原有鋼板基礎(chǔ)上添加固溶強(qiáng)化型元素(硅、錳等)和析出強(qiáng)化型元素(鈮、鈦等)，并在鋼鐵廠退火爐內(nèi)連續(xù)退火而得到。它有著屈服點(diǎn)低的、復(fù)合成分多的特點(diǎn)。 車身外板用的鋼板使用最多的是加磷的抗拉強(qiáng)度為350～400MPa的鋼板，特別是轎車上使用的鋼板，20%～50%都是高張力鋼板。目前，正在進(jìn)行研究將以前鑄造的一體成型的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體改用鋼板沖壓成型，可大幅度減輕重量而制成輕量化(約33%)的鋼板制氣缸體。另外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪由于高功率輸出、輕量化、降低噪聲等的需要，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求:強(qiáng)度好，熱處理變形小。為達(dá)到這一要求，在鋼鐵材料的制造過(guò)程中，采用了連續(xù)鑄造法。這種方法跟以前的鑄錠法相比，具有冷卻速度快、成分偏析少的優(yōu)點(diǎn)，它與制鋼時(shí)的真空脫氣技術(shù)組合，可以滿足齒輪所要求的強(qiáng)度。進(jìn)而，為縮小對(duì)熱處理變形影響大的鋼的淬透性的偏差，制造出高品質(zhì)的連續(xù)鑄造鋼，現(xiàn)在鑄造的鋼可將日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的淬透性規(guī)格限制在1/3上。連續(xù)鑄造法具有提高制鋼時(shí)的材料利用率和降低制造所耗能源的優(yōu)點(diǎn)，且由于制造工藝合理化也使成本有了降低。 降低成本是和提高質(zhì)量同等重要的課題，降低成本主要有兩個(gè)手段:一是減少合金元素的添加量和降低替代材料的成本。可將價(jià)高而且價(jià)格不穩(wěn)定的含Mo的Cr～Mo鋼改用鉬添加量只有其一半的半Mo鋼和硼鋼。二是降低零件制造成本。在這里為降低零件制造所消耗的能源而采用非調(diào)質(zhì)鋼，為提高加工能力，也有采用易切削鋼。因非調(diào)質(zhì)鋼添加了釩，控制了熱鍛后的冷卻速度，省去了淬火、回火的熱處理，故確保了強(qiáng)度。它可在汽車的曲軸、連接件、FF車的車輪等部分使用，其用途可望得到進(jìn)一步擴(kuò)大。另外，對(duì)于易切削且強(qiáng)度降低少而用于齒輪的低鉛、易切削鋼是一種新的易切削鋼材。它可用于小型車的變速器，并具有降低制造成本的效果。 新型彈簧鋼 新型彈簧鋼主要指汽車懸掛系統(tǒng)的彈簧用鋼，目前用的最廣的鋼板彈簧是Si鋼，其性能基本上能滿足使用要求，近年來(lái)，變截面少片彈簧在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越多，使用這種彈簧可以節(jié)約l/3左右的材料，并使汽車的平順性等性能得到改善，同時(shí)有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但其生產(chǎn)工藝發(fā)生了相應(yīng)的變化，含Si量較高的彈簧鋼具有較高的脫碳傾向，故應(yīng)發(fā)展低Si或無(wú)Si的彈簧鋼，以滿足生產(chǎn)的需要。 微合金非調(diào)質(zhì)鋼 在鋼中加入微量V、Ti、Nb等元索、經(jīng)鍛造或軋制冷卻后在鐵索體、珠光體中析出碳化物或碳氮化物而達(dá)到強(qiáng)化，不需要調(diào)質(zhì)，可以減少熱處理工序和設(shè)備，避免熱處理變形和淬火裂紋造成的廢品，降低能耗和生產(chǎn)成本。 高強(qiáng)度鋼板 采用高強(qiáng)度鋼板，既可以減少汽車由身的質(zhì)量，又可以提高汽車的安全性和可靠性，含磷深沖壓高強(qiáng)度鋼板主要應(yīng)用在車身、駕駛室上的深沖壓件，使用得當(dāng)，可降低材料消耗10％，雙相鋼板其有較低的屈服強(qiáng)度和高的加工硬化能力，比較適宜于制造變形程度大的沖壓或拉延深件，根據(jù)成形特點(diǎn)，可使零件質(zhì)量減輕30％一60％。 鍍覆鋼板 鍍層鋼板和鋼管的研制與應(yīng)用，是為了改善耐腐蝕性等性能。國(guó)外在汽車上大量使用覆層鋼板。鍍鋁或滲鋁鋼管主要用來(lái)制造消聲器，排氣凈化裝置的接觸容器和反應(yīng)器部件。鍍鋅鋼板用來(lái)制造車身、車架、駕駛室、油箱等零件。含鋅、鉻的高分子化合物涂層鋼板，主要用于防腐蝕要求高和不便于涂裝的車身、駕駛室零件。 傳動(dòng)系材料 齒輪是汽車的重要基礎(chǔ)零件，應(yīng)按其模數(shù)和工況選用不同級(jí)別的齒輪鋼。在我國(guó)目前變速器和后橋齒輪大都使用2OCrMnTi，需仿制國(guó)外成熟的先進(jìn)鋼種，形成汽車齒輪用鋼系列化。 擴(kuò)大應(yīng)用有色輕金屬 有色輕金屬的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，鋁的密度為鋼的l/3，用鋁代替鋼可以減少質(zhì)量50％左右，但鋁的強(qiáng)度低，體積較大。鎂合金的強(qiáng)度比鋁合金高、而與高強(qiáng)使合金結(jié)構(gòu)鋼相近，所以，沖壓鋁、鎂合金作汽車材料，是使汽車減輕質(zhì)量和節(jié)能的一條有效途徑。用鋁合金板可制造發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、保險(xiǎn)杠、車身內(nèi)外板件、散熱器，用鎂合金制造操縱桿托架、大粱、離合器殼和變速器殼等。 粉末冶金合金 燒結(jié)金屬，是以金屬粉末為原料，作金屬模具內(nèi)壓縮成形，后燒結(jié)而成的，無(wú)需加工，材料的成分配制能自由控制，它已應(yīng)用于軸承、排氣門座、凸輪、齒輪、支架上。這種材料也可以用來(lái)制造連桿、消聲器、離合器、轉(zhuǎn)向系及制動(dòng)系部件。
隨著粉末冶金工藝和技術(shù)新發(fā)展，高強(qiáng)度、高耐磨性、耐熱、形狀復(fù)雜的燒結(jié)結(jié)構(gòu)零件和高性能減摩材料將大量應(yīng)用于汽車制造中。所以，高強(qiáng)度燒結(jié)合金鋼、燒結(jié)不銹鋼等結(jié)構(gòu)材料、低噪聲軸承材料、高溫高真空減摩材料、半金屬減摩材料等將進(jìn)一步得到發(fā)展和應(yīng)用，這將對(duì)汽車制造產(chǎn)生巨大的影響。 鋁合金材料 鋁是輕量化首選材料。在高張力鋼板、鋁、塑料與一種稱為FRP的輕量化材料中，鋁起了特別重要的作用。由于鋁的比重只有鐵的1/3，由鐵向鋁轉(zhuǎn)換也比較容易，所以把活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。 在美國(guó)和歐洲，保險(xiǎn)杠、油箱也將鋼板改用為鋁合金。保險(xiǎn)杠用的新鋁合金也多次被開發(fā)。但在日本，主要使用的是鋼板和塑料，這是因?yàn)闅W美等國(guó)和日本的鋁價(jià)格差異較大。因此，未來(lái)汽車的材料構(gòu)成比例中，歐美地區(qū)的鋁將成為主要比率。如在德國(guó)的試驗(yàn)車中，鋁合金使用率已達(dá)到全體材料的30%。另外，由于不穩(wěn)定的鋁價(jià)格和強(qiáng)力塑料的推出，每輛汽車中鋁使用量的增加勢(shì)頭比以前有所減弱，從精煉鋁在價(jià)格來(lái)看，鋁仍將是輕量化首選材料。 鎂合金材料 鎂比鋁更輕，且資源豐富。對(duì)于易氧化的鎂，由于已開發(fā)出效率高的鍛造工藝，使鎂的制造成本下降，但其精煉能源為電力，所以其成本比鋁高。鎂能否在汽車零部件上大量使用，鎂和鋁的價(jià)格差成為關(guān)鍵。鎂的比重只有鋁的0.64;因此價(jià)格差如能控制在1.7倍以下，才有可能使用鎂。據(jù)此，從目前輕量化材料的現(xiàn)狀出發(fā)，還不如把鋁改換成塑料。但也存在制造設(shè)備的供給能力和再循環(huán)問(wèn)題。而在環(huán)境問(wèn)題上，也將會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。 二、汽車金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展 汽車板料成形的發(fā)展趨勢(shì) 為滿足較高的安全標(biāo)準(zhǔn)及乘坐的舒適性，就必須增加轎車的質(zhì)量，但轎車的質(zhì)量又極大地影響著轎車的油耗及尾氣的排放量，因此，汽車工業(yè)正努力采用輕型結(jié)構(gòu)來(lái)減輕汽車質(zhì)量。這就涉及到對(duì)材料及生產(chǎn)工藝的戰(zhàn)略決定。而占整車質(zhì)量20％～25％的白車身無(wú)疑具有很大的減輕質(zhì)量潛力。 不同的車身結(jié)構(gòu)對(duì)減輕車身質(zhì)量的潛在能力起決定性的作用，這些方法一類為分開的生產(chǎn)方式(自支撐底盤及獨(dú)立車身和承載構(gòu)架及獨(dú)立車身)，另一類為集成式的加工方法。(金屬板材整體式車身和無(wú)車架車身)。如今金屬板材整體式車身在大批量生產(chǎn)中已廣泛使用。 減輕車身質(zhì)量的方法 大最使用輕質(zhì)材料是車身減輕質(zhì)量的主要手段。如今，中型車質(zhì)量經(jīng)50％～60％由鋼組成，車身中鋁的結(jié)構(gòu)比僅限于3％～7％(質(zhì)量)、集中于發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤生產(chǎn)中。塑料約占10％～15％(質(zhì)量)。在當(dāng)今大批量生產(chǎn)中，白車身的主要材料是鋼，但其他材料如鋁合金及塑料正顯得愈加重要，過(guò)去白車身材料采用常規(guī)低碳鋼，然而為了減輕質(zhì)量及增加結(jié)構(gòu)性能，高強(qiáng)度鋼(HSS)已變得愈加有前景了。 在可靠的生產(chǎn)工藝下，采用高強(qiáng)度鋼可減輕質(zhì)量。在大多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)板件要求更大的拉深深度以及更加復(fù)雜的負(fù)載。大批量生產(chǎn)中，屈服強(qiáng)使高達(dá)42OMPa的微合金鋼和含磷合金鋼，在結(jié)構(gòu)部件中(防撞擊部件)，如車體內(nèi)側(cè)板、內(nèi)側(cè)柱等，已廣泛的應(yīng)用。 對(duì)大批量和小批量生產(chǎn)的影響 在金屬車身面板和結(jié)構(gòu)面板的生產(chǎn)成形中，深沖壓為主要的生產(chǎn)工藝。然而在材料成形方面仍然可以進(jìn)一步改進(jìn)。生產(chǎn)工藝必須根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模劃分。白車身內(nèi)面板和外面板的大規(guī)模生產(chǎn)通常由沖壓線和多工位壓機(jī)生產(chǎn)，因?yàn)檫@些生產(chǎn)方式可以滿足批量的要求。而材料(尤其是超高強(qiáng)度鋼)對(duì)壓力機(jī)最大許可壓力和單位工件生產(chǎn)時(shí)間有很大影響。 泡沫金屬在未來(lái)汽車中的應(yīng)用 制造從泡沫塑料在建筑中廣泛使用中得到啟發(fā)，科學(xué)家們考慮在汽車業(yè)中使用“泡沫金屬”。目前汽車工業(yè)是消耗金屬最多的工業(yè)之一，金屬制造業(yè)雖然能生產(chǎn)2500多種性能各異的鋼材和千百種有色金屬，但仍然滿足不了汽車制造業(yè)的特殊需要。如果“泡沫金屬”能研制出來(lái)，它將成為未來(lái)汽車的最佳材料，這種泡沫金屬零件的結(jié)構(gòu)是:外表用薄鋼制成，中心則用泡沫金屬填充。 報(bào)載歐洲目前已經(jīng)研制出--種新型鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它比普通鋼質(zhì)材料輕10％。主要是靠粘結(jié)鋼質(zhì)零件和采用減震材料新結(jié)構(gòu)而制成。同時(shí)還研制出“精確鋼坯”組合新結(jié)構(gòu)，能使所有部件相互巧妙配合。這樣，在汽車制造中，就可以機(jī)動(dòng)而廣泛地選用應(yīng)力強(qiáng)度恰好合適的組合部件，如在車門鉸鏈部位，其零件除外形合理、美觀外，還需具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 目前德國(guó)科學(xué)家已經(jīng)成功地研制出“泡沫鋁”--將鋁粉和鈦氧化合物粉末相混成，填放到鋼皮制成的模型中，然后再把這充滿混合物的模型加熱到鋁的熔點(diǎn)，這時(shí)，氫氣會(huì)從氫化合物中分解而逸出，從而使熔化的鋁產(chǎn)生泡沫，當(dāng)鋼皮模型完全冷卻后，便形成了固體“泡沫鋁”。這種“泡沫鋁”具有整體結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量輕而均勻，強(qiáng)度比鋁更高，其外覆的鋼皮模型更增強(qiáng)了部件的強(qiáng)度和剛度。 為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設(shè)計(jì)上、制造上，特別是材料方面考慮。例如，提高汽車結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和韌性，使之更堅(jiān)固可靠，一旦發(fā)生撞車、翻車等交通事故時(shí)，能最大限度地減輕損傷程度，保證人員的乘車安全。與此同時(shí)，大力發(fā)展各種汽車用的具有特殊功能的材料，以提高汽車的自控能力，進(jìn)一步改善汽車的性能。 汽車所用的材料，由于節(jié)省能源、節(jié)省資源、輕量化的需要而有所變化，新材料相繼被推出、應(yīng)用。在比較成熟的金屬材料中，鋼鐵材料和輕金屬材料也出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)。

標(biāo)簽：發(fā)展?fàn)顩r材料汽車