金屬材料在汽車輕量化上的應(yīng)用都有哪些？
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。
鋁合金材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用
車身
汽車車身約占汽車質(zhì)量的30％，對汽車本身來說，約70％的油耗是用在車身質(zhì)量上的，所以汽車車身鋁化對提高整車燃料經(jīng)濟性至關(guān)重要。奧迪汽車公司最早于1980年在Audi80和Audi100上采用了鋁合金車門，然后不斷擴大應(yīng)用，更在1994 年和1999 年分別推出了A8 和A2 全鋁轎車，這兩款汽車的車身質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼制車身的重量減輕約40％，A2的總車質(zhì)量只有895 kg，每年制造五萬輛，成為世界上第一款真正意義上的大批量生產(chǎn)的全鋁轎車；A8更是被評為1994 年全世界重要科技成果100 項之一。由歐洲9 個國家和地區(qū)的38 家機構(gòu)攜手推出了“超輕汽車項目”，包括大眾、保時捷、菲亞特、歐寶、雷諾、沃爾沃和戴姆勒等在內(nèi)的7 家主流汽車制造商，通過研制先進輕量化材料、運用多種材料連接制造技術(shù)及其表面處理等辦法和手段，以大眾第五代高爾夫為參考車型，最終制造出由多種材料混合的車身，質(zhì)量僅為180 kg，與第五代高爾夫車身相比質(zhì)量減輕了101 kg，減重率高達35％，而諸如扭轉(zhuǎn)剛度等重要指標與參考車型相當(dāng)，車身的安全性不但沒有降低，正面抗碰撞性能與參考車型相比甚至有較大提高。
底盤
對實現(xiàn)汽車輕量化而言，底盤系統(tǒng)更具有潛力，更容易實現(xiàn)。在懸掛系統(tǒng)中，目前取代鋼鐵的首選材料是鋁合金材料，例如：通用汽車公司在凱迪拉克與克爾維特車的懸掛系統(tǒng)中使用了鋁合金零部件；福特公司使用了鋁合金制動盤，與原鑄鐵盤相比，質(zhì)量減輕了2/3，雖然成本較高，但壽命提高了兩倍；克萊斯勒公司的NeodLite 車底盤通過使用鋁合金零部件，使得轉(zhuǎn)向機萬向節(jié)質(zhì)量降低了3 kg，下控制臂降低了2.6kg，轉(zhuǎn)向機殼降低了1.36kg，轉(zhuǎn)向軸降低了1.9kg，后制動轂降低了3.6 kg。
發(fā)動機
很多公司都在發(fā)動機的活塞、缸體及缸蓋、散熱器、油底殼、曲軸箱、連桿等部件上使用了鋁合金材料。針對發(fā)動機部分，我們重點介紹一下活塞，缸體及缸蓋。
（1）活塞
轎車發(fā)動機活塞基本都用鑄鋁合金，這主要是因為活塞作為主要的往復(fù)運動件需要靠減重來減小慣性，減輕曲軸配重，提高效率，并且要求有良好的導(dǎo)熱性，較小的熱膨脹系數(shù)，同時在350℃左右有較好的力學(xué)性能，而鑄鋁合金恰能滿足這些要求，同時由于活塞、連桿采用了鑄鋁合金件，減輕了質(zhì)量，從而減少發(fā)動機振動，降低噪聲，減少油耗。
（2）缸體及缸蓋
轎車發(fā)動機的缸體多采用壓鑄法生產(chǎn)，鑲鑄的缸套可用共晶或亞共晶Al-Si 系合金，以提高耐磨性及耐熱性。美國福特公司NGT 貨車發(fā)動機氣缸蓋、ZetM 缸機、ModularV6/V8 機、克萊斯勒公司新V6 發(fā)動機缸體和缸蓋都使用鋁合金材料。克萊斯勒公司Jeep（吉普）5 缸、3.8LV6 和道奇貨車發(fā)動機均改用鋁合金缸蓋。鋁合金缸蓋，一般采用金屬型重力鑄造和低壓鑄造法生產(chǎn)，選用的合金有美國的A319、A356、A360 鋁合金，中國的ZL104、ZL106、ZL107 鋁合金。
車輪
輪轂質(zhì)量約占汽車車輪質(zhì)量的70％，在汽車工業(yè)中，鑄造鋁合金輪轂是普及最快、鋁化率較高的實例，鋁合金輪轂的節(jié)能環(huán)保效果顯著：輪轂質(zhì)量每減輕1kg，1L汽油可多行駛800 m，而少用1L 汽油，則可減少2.5kg 的碳排放，此外鋁合金輪轂還具有散熱快、減震性能好、抗腐蝕性強，容易制造、經(jīng)久耐用等優(yōu)點，能顯著提高汽車的舒適性和安全性，發(fā)展空間巨大，預(yù)計2015 年，我國鋁合金輪轂的需求量將達到2.5 億只，這對于我國鋁合金輪轂行業(yè)而言，存在著巨大的發(fā)展空間。
目前諸多的汽車工業(yè)發(fā)達國家致力于減輕汽車用鋼鐵材料的重量, 以期達到汽車輕量化目的。由于性能的不斷改進以及新的制造技術(shù)和加工工藝的開發(fā), 至少在今后一段時間內(nèi)鋼材仍然是大批量生產(chǎn)汽車車身的主要材料。作為車身的主要部分, 近年來鋼材的品質(zhì)和性能大大提高, 預(yù)計到2017年新型鋼材的使用將超過80%。當(dāng)前車身用新型鋼板主要有：冷軋鋼板、高強度鋼板、表面處理鋼板、高強度拼焊鋼板、夾層鋼板、不銹鋼板等。
冷軋鋼板：表面質(zhì)量好, 多用于車身沖壓件。冷軋鋼板的厚度在0.15～3.2mm之間, 汽車車身多采用0.6～0.8mm的薄鋼板。這種薄板的尺寸精度非常高, 表面光滑具有良好的力學(xué)性能、加工性能、成形性能和焊接性能。主要用于車身側(cè)圍板、頂蓋、發(fā)動機罩、翼子板、行李箱蓋、車門板和儀表板等覆蓋件。
高強度鋼板：拉伸強度在350 MPa以上。具有較高的屈服點, 降低板厚不會對沖壓件的質(zhì)量造成太大影響, 因而可以減少外表面的厚度,達到減少質(zhì)量的目的。主要包括含磷高強度鋼板、微合金高強度鋼板、雙相鋼板及烘烤硬化鋼板等。一般用于需高強度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也較嚴格的汽車零件。應(yīng)用于車輪、保險杠、懸掛系統(tǒng)及其加強件、車門防撞桿、保險杠和B立柱等零件。
表面處理鋼板：可以防止腐蝕提高車身材料的抗高溫抗氧化能力。表面處理鋼板常見的有鍍鋅鋼板、鍍鋁鋼板、鍍鉛錫合金鋼板和復(fù)層鋼板。目前車身底盤零件采用的表面處理鋼板主要是鍍鋅鋼板。采用鍍鋅鋼板的車身有底板、門檻、發(fā)動機罩內(nèi)板等。
高強度拼焊鋼板：在沖壓前按車型設(shè)計將不同厚度和不同性能的鋼板裁剪后拼焊起來的一種鋼板。拼焊鋼板部件能夠進行優(yōu)質(zhì)組裝, 能減輕車身質(zhì)量, 提高機械強度, 實現(xiàn)抗扭剛性、抗沖撞性與提高材料收縮率和降低生產(chǎn)成本的最佳組合。主要應(yīng)用于車身側(cè)圍等沖壓成形件。
夾層鋼板：分鋼夾層板和鋁夾層板兩種。共同特點是質(zhì)量小、吸收噪聲, 可提高強度和剛度。采用這種鋼板制造將使零件自身質(zhì)量減輕25% ～ 30%。隨著成形工藝的發(fā)展, 超輕超薄高強度鋼板的應(yīng)用正在向汽車附件(如車門、發(fā)動機罩、尾箱蓋板等)延伸。
不銹鋼板：具有良好耐蝕性和耐熱性, 可以比普通鋼制得更加壁薄和小型化。開始時多為汽車外部裝飾材料, 隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展, 擴大了其在汽車上的應(yīng)用范圍。
在上個世紀的最后30年, 汽車工業(yè)在高強度鋼板等方面, 為實現(xiàn)汽車輕量化已取得了顯著的成績。汽車用鋼逐步向高強度化方向發(fā)展, 當(dāng)鋼板厚度分別減少0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm時, 車身減重分別為6%、12%、18% 。可見, 增加鋼板強度是減少鋼板厚度減輕車重的重要途徑。此外,高強度鋼車身骨架結(jié)構(gòu), 在保證車身強度和剛度的同時, 可以實現(xiàn)減輕重量的目的。
目前日、美、歐轎車所采用的車身結(jié)構(gòu), 主要有獨立式鋼質(zhì)車身、組合式鋼質(zhì)車身、鋼質(zhì)立體框架和鋁質(zhì)立體框架等幾種型式。車身的骨架件多用鋼板沖壓而成。各大汽車生產(chǎn)廠商都致力于車身骨架結(jié)構(gòu)的改造。日本三菱公司的帕杰羅(SPORT)為該公司最新的SUV型車設(shè)計了全新的車身結(jié)構(gòu), 車身70%的構(gòu)件由高強度鋼板制成, 邊梁的厚度比吉普系列的其它車型增加了20%, 因此整車的扭轉(zhuǎn)剛度甚至比大切諾基還要高45%, 車身的承載能力可達2噸以上。韓國現(xiàn)代公司的SONATA車身結(jié)構(gòu)也用高強度鋼板進行了加強, 橫梁和立柱全部使用800MPa的高強度鋼。奔馳公司在SLK車身骨架中大量使用高強度鋼使扭轉(zhuǎn)剛度增加了70%, 安全性大大提高的同時也減少了車身的重量。1999年問世的寶馬3系列車身骨架中使用了50%的高強度鋼。福特的Windstar車身骨架中60%是高強度鋼。TOYOTA最新的車型Vitz的車身結(jié)構(gòu)中高強度鋼占了48%, 比該公司生產(chǎn)的Starlet車減重17kg。美洲豹X-Type2.5在車身結(jié)構(gòu)上采用了整片式車艙結(jié)構(gòu)(MonocogueBody), 實現(xiàn)了顯著的輕量化。
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1 5 %～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。
隨著鎂合金汽車零部件的開發(fā)，鎂合金在汽車上的應(yīng)用特點如下。
a.由體積小的零件向大的零件過渡。
b.由結(jié)構(gòu)簡單的零件向復(fù)雜件過渡。
c.由簡單受力件向具有特殊性能要求的件過渡。
d.由分件組合向單一壓鑄件過渡。
鎂合金零部件在整車上的應(yīng)用見圖。
國內(nèi)外主機廠、零部件供應(yīng)商開發(fā)了很多鎂合金零部件，其中一部分已經(jīng)大批量應(yīng)用在商品車上，仍有一部分應(yīng)用還有瓶頸需要突破。比如輪轂?zāi)壳皟H用在少數(shù)賽車上，若要大批量應(yīng)用，腐蝕、石擊等難題必須解決�？傮w來看，短期內(nèi)能大批量應(yīng)用的主要是對耐腐蝕要求不高的零部件，如轉(zhuǎn)向盤骨架、座椅骨架、儀表板骨架等。
（1）轉(zhuǎn)向盤骨架
目前，轉(zhuǎn)向盤骨架是轎車應(yīng)用鎂合金普及率最高的零部件。一般選用AM50合金，質(zhì)量在550~700 g。不同廠家因安裝方式不同設(shè)計有3種安裝結(jié)構(gòu)：第一種是使用鋼質(zhì)花鍵嵌入鎂合金骨架；第二種是在鎂合金骨架上直接攻絲；第三種為楔形六角結(jié)構(gòu)，不攻絲。商用車因轉(zhuǎn)向盤直徑大及其他特殊要求等原因其應(yīng)用相對較少。鎂合金轉(zhuǎn)向盤骨架相對原鋼質(zhì)設(shè)計減重40%以上，成本會有所提高。
（2）儀表板骨架
1968年儀表板骨架應(yīng)用在奧迪車上，1995年應(yīng)用在通用汽車公司的新年度車型上。第一代這種部件的質(zhì)量大約為7~8 kg，壁厚大約為3.5~4 mm。第二代的鎂合金儀表板骨架的壁厚和質(zhì)量都進一步減小，但仍保持著較高的防撞性及減振、降噪、剛度的要求。目前，鎂合金儀表板骨架的質(zhì)量大約為4.5~5.0 kg，壁厚大約為2.7~3.0 mm。國、內(nèi)外主機廠應(yīng)用鎂合金儀表板骨架的情況（不完全統(tǒng)計）見表。國外品牌應(yīng)用較多，國內(nèi)自主品牌應(yīng)用較少，目前僅奇瑞車型有所應(yīng)用。
（3）變速器殼體
1999年奧迪采用了第一款鎂合金自動變速器。鎂合金應(yīng)用到變速器殼體上，除能體現(xiàn)其密度小、抗振動、降低噪聲等優(yōu)勢外，主要體現(xiàn)散熱和機械加工的優(yōu)勢。鎂合金、鋁合金的熱擴散系數(shù)α分別為3.97×10-5 m2/s和3.64×10-5 m2/s，體積比熱容分別為1.90 J/(cm3·K)、2.64 J/(cm3·K)。在相同體積下，鎂合金的蓄熱能力要遠比鋁合金低，但兩者的散熱能力卻相差無幾。因此，采用鎂合金的變速器殼體能更好地散熱，從而降低齒輪的高溫磨損和咬死的概率。鎂合金鑄件可以直接進行切削加工，獲得光亮的表面，而鋁合金鑄件則需要熱處理后才能進行機械加工。
（4）座椅骨架
前排座椅一般功能較多，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而后排座椅功能較少，其結(jié)構(gòu)較為簡單。目前，鎂合金在座椅上的應(yīng)用研究相對較少，主要是以靠背骨架和座墊骨架單獨開發(fā)為主，見圖4。座椅減重效果見表5。前排座椅骨架組裝時使用螺栓、卡扣將鎂合金靠背、座墊與調(diào)高機構(gòu)、角調(diào)機構(gòu)連接在一起。后排靠背和座墊不組合，分別卡在輪罩安裝支架、地板安裝支架上。
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(dāng); 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。