未来汽车业的发展与材料技术

彻戳叵胃。未来汽车业的发展与材料技术摘要随着中国汽车工业的高速发展，市场和法规对汽车节能、环保、安全、舒适的要求与日俱增，汽车工业面临着巨大的挑战，而解决这一系列问题，只有依靠技术进步。材料是构成汽车的物质基础，汽车中每个零件的生产制造都会涉及到材料技术，汽车技术进步在很大程度上取决于材料技术的发展。本文指出了轻量化与功能化是汽车结构材料的发展趋势并展开了相关论述，低成本和高性能是汽车材料开发面临的新挑战，针对我国汽车材料技术发展存在的问题提出了针对性的建议。关键词汽车材料轻量化功能化中图分类号U46304文献标识码A东风汽车有限公司工艺研究所褚东宁冯美斌王勇1概述中国汽车工业在连续经历了过去2年的爆发式增长之后，其整体规模已经跃居世界第一。未来汽车业的可持续发展尽管与很多因素有关，其中材料技术无疑占据重要地位，汽车技术的进步在很大程度上取决于材料技术的进展。目前，汽车上应用的材料可分成如下两大类。A结构材料构造汽车零部件所用的材料。包括金属材料如钢铁材料、有色金属铜合金、铝合金、镁合金等、金属基复合材料等；非金属材料如塑料、橡胶、玻璃、涂料、粘接剂、非金属基复合材料等。B功能材料在汽车工作过程中，起特殊作用的材料。如传感器材料、电子材料、磁性材料、尾气后处理材料等。本文主要涉及汽车结构材料，根据北美2007年N2015年轻型车材料构成对比数据可以看出，钢铁等传统材料在目前及今后相当长的时间内仍是汽车用材的主体。2汽车技术发展对材料的需求在社会、经济、环境、法规和基础设施等因素的推动下，未来汽车技术将向着节能、环保、安全、舒适的方向发展。在未来汽车技术发展进程中，材料技术的重要作用和贡献度将日益显现。21汽车节能对新材料技术的需求面临不可再生的石油资源，各国政府颁布的汽车燃油耗标；隹越来越低。图1为美国政府在2010年4月初公布的汽车燃油经济性CAFE新标准，规定美国2016年销售的轻型车平均燃油经济标准由2011年的86L100KM提升为66L100KM，燃油经济性增幅约为30。该法规的实施，将对相关汽车生产设计产生重大影响。简单地把车辆尺寸变小已经难以满足新法规的要求，为了达到发动机排量降低但不牺牲动力性能以满足新法规的目的，除改进动力系统外，汽车生产商需要应用一系列新材料、新技术，采用更先进的与新材料相适应的制造工艺。2011年第2期汽车工艺与材料ATMF39栅料匝用EJ面耀图1CFAE燃油消耗规范变化情况有助于提高燃料经济性的材料如下。1轻量化材料能有效减轻汽车零部件自重的材料。A低密度材料铝合金、镁合金、钛合金、塑料、复合材料。B高强度材料高强度钢、高强度不锈钢、高强度铸铁。据估计，重型载货车自重减轻1520，燃料效率可提高25。采用高强度钢、铝合金、镁合金、塑料与复合材料等轻量化材料，可显著减轻车身、底盘、发动机及其他零部件的自重。2耐磨、减摩材料利用高性能润滑材料，耐磨、减摩新材料及涂层技术，降低发动机与传动系统摩擦损失。22汽车环保和回收再利用对新材料的要求随着我国汽车工业的高速发展，汽车保有量迅速攀升，2009年末已近8000万辆见图2，环境压力日益增加。为了保护我们赖以生存的环境，一方面必须对汽车产品使用环保型材料给予高度重视，汽车废旧材料回收、再生与利用技术已成为热点，并开始形成一种新兴的产业。国家发改委、科技部和环保局联合制定了汽车产品回收利用技术政策，要求2010年车辆回收利用率达8085，材料的再利用率不低于7580；另一方面，必须减少发动机尾气中的有害成分，即尽可能让燃油充分完全的燃烧，且对汽车尾气进行必要的后处理。在这些方面，汽车材料的进步和发展将起着主要的推动作用。有助于环保和提高回收再利用的材料如下。2004年末2005年末2006年来2007年末2008年末2009年末图2我国民用汽车保有量变化情况1能够降低发动机排放的材料这类材料能有效地减少发动机尾气中的有害成分，如高品质的燃料与润滑剂、尾气后处理材料等。2绿色材料这类材料不含有传统材料中的有害物质，易于降解，对环境友好，如不含铅的易削钢、轴瓦材料，水性涂料、粘结剂，天然纤维复合材料等。3先进的材料回收再生技术如非金属材料的分拣技术、有色金属碎末的熔炼技术等。23汽车安全对新材料的要求国际上很多国家对汽车安全性能有着越来越高的要求。例如，美国制订的汽车安全法规多达56项，其中主动安全26项，被动安全23项，防止火灾5项，其他2项。2010年4月发生的丰田大规模召回事件给汽车安全敲响了警钟，为此美国将出台一套更加严格的针对汽车安全的法律。提高汽车安全性能的重要手段之一，就是采用有助于提高车辆安全性的零部件，即具有高冲击能量吸收率的材料制造吸能零部件。图3是采用具有高吸能特性铝合金发动机罩盖对行人进行保护。24汽车舒适性对新材料的要求随着高速公路的发展及车速的不断提高，都对汽车的舒适性提出了更高的要求。主要考虑在以下几个方面做出改善足够的内部空间、静音环境NVH、人性化内部设施。为此，采用先进的材料技术是十分关键的。有助于提高车辆舒适性的材料如下。40F汽车T艺与材料ATM2011年第2期8765432K、捌忙卅枥料应用A行人保护示意图B实际行人保护碰撞试验图3采用具有高吸能特性铝合金发动机罩盖对行人进行保护A具有高阻尼性能的材料。这类材料能有效地吸收车辆或零部件运动时所产生的振动能量，减轻车辆或零部件的振动，如金属、非金属发泡材料，金属一非金属一金属夹层材料等。B具有高隔音性能的材料。这类材料能有效地降低车辆或零部件运行时所产生的噪声，如金属、非金属发泡材料，金属一非金属一金属夹层材科，铝合金、镁合金等。例如，1OMM厚聚氨酯泡沫最大隔音量为23DB，20MM厚泡沫铝见图4隔音30DB以上，高于聚苯乙烯6倍。笔艘图4不同厚度闭子L泡沫铝裸板隔音性能3当前汽车材料的主要研究领域在节能环保要求的驱动下，当今世界汽车材料技术开发主要集中在如下方面。1汽车轻量化材料技术A汽车轻量化材料开发。B材料性能测试与试验技术。C零部件轻量化设计技术。D轻量化制造技术成形技术、连接技术、表面处理技术。E零部件回收再生技术。F零部件维修技术。2动力系统材料技术A燃烧室系统、排气系统零部件用耐热、耐腐蚀材料的开发。B气缸体、气缸盖用高强度、轻量化材料及其工艺开发。C发动机运动件高性能轻量化材料开发。D抗磨减摩、绝热表面涂层技术。31轻量化材料技术未来发展趋势1第三代先进高强度钢的开发与应用近期到中期的目标是，通过冶炼技术的改进和新颖的化学成分设计，减少或取消贵重合金元素用量，开发出强度更高、其他性能塑性、成形性、韧性优良的高强度钢见图5，如高成形性的品种，高弹性模量的品种，成形后强化非烘烤硬化新品种等远期目标则是，开发质量轻、强度高、韧性好的复合材料钢一其他金属材料或钢一非金属材料，低密度钢，以及近净尺寸零件用材如车身骨架用的高强度无缝钢管。露出堡抗拉强度MPA图5未来高强度钢发展趋势成功开发的第三代先进高强度钢的重点应用部位包括轿车车身、车轮，商用车车身、车架、车箱、悬架、车轮等。2O11年第2期汽车T艺与材料ATML41I一一诣巧加劫料匝胃2铝合金材料技术的开发与应用此项技术的开发包括满足特定零部件使用要求的新合金开发；成形性能与焊接性能优良的高强度铝合金开发；具有相同机械性能不同物理性能密度和弹性模量的可行性研究；合金热机械性能对零部件性能的影响；开发新型抗划伤合金。与此同时，开发可用于铝合金零部件分析和设计的，集产品、工艺、材料为一体的数字技术，主要工作包括；隹确可信的结构设计说明书，建立铝合金组织与机械性能之间关系，编制数字分析方法指南。与上述技术相关的是，开发低成本的、适用于相同材料和不同材料的连接技术，主要有铝与铝、铝与钢、铝与塑料及复合材料之间的连接技术，环境友好的预处理方法或消除预处理，接头检测与质量保证方法。目前，汽车中用铝量最大的零部件有车轮、动力系零部件和悬架系统零部件，而增长较快的是车身外板、结构件与白车身。近年及今后几年内，铝合金车身、覆盖件及结构件用量的增长已成为并将继续成为汽车用铝增长的主要动力。3镁合金的开发及其在汽车上的应用镁合金是极具竞争力的汽车轻量化材料，镁合金的压铸件在所有压铸合金中是最轻的。镁有相当高的导热性与导电性，无磁性，并有优异的尺寸稳定性与良好的能量吸收特性，是制造抗振零件的良好材料。未来镁合金铸件在汽车中的应用仍会以较快的速度增长，主要是发动机气缸体、气门罩盖、变速器壳体、进气歧管等动力系零部件，以及仪表板、支架、门框、发动机托架、前部组件、座椅、转向柱零件等。根据CBTAWERT等人的预测，镁合金材料未来的研究方向主要是在提高镁合金材料强度、延展性能及抗蠕变性能等几个方面。4汽车塑料材料的开发与应用“以塑代钢”是汽车轻量化的重要思路之一，塑料及其复合材料在汽车上的应用与金属材料相比，有许多独特的优势，是未来满足汽车舒适、安全、高速、节能环保等多方面要求的重要材料选项之一。内饰件PVC不久将从内饰件应用中退出I聚亚胺酯的应用量将不断增长，复合材料在结构件和抗冲击的零件上的应用将会增长；金属一塑料混合材料在内饰件中的应用极具潜力。未来要着力开发外表美观、具有良好降噪性能的内饰新材料；具有优良高速抗冲击性能的内饰件材料。外饰件开发综合性能优良的外饰件用聚合物体系；光亮、耐候的着色剂先进的增强材料及增强技术；可生产出A级表面、免油漆外饰件的复合材料；大型薄壁零件快速制造工艺；低成本、高表面质量结构复合材料的快速制备工艺。发动机零部件开发低成本的耐热树脂材料、导电树脂材料、燃料电池、混合动力零部件用材及燃料电池塑料件制造技术。底盘与驱动系零部件开发结构件用的低成本热塑性复合材料、碳纤维复合材料，冲击能量吸收率高的材料，疲劳性能和抗蠕变性能好的材料。开发新的低成本增强技术、连接与密封技术、修理技术及新的零部件成形技术。未来汽车塑料的发展趋势是内饰件与外饰件的材料标准体系同一化。5轻量化材料技术发展中应注意的问题8轻量化不是简单的材料替代，而是材料综合性能、经济性、资源可持续性等多方面综合考虑的结果。例如，以车轮用材为例，20世纪80年代初期，全球90的汽车车轮以钢材作为原料，但J2003年铝车轮的份额升至6O。B材料间的竞争带来技术进步。表1就是轻量化材料之间竞争应用的范例。32动力系统材料技术发展动向随着汽车工业的发展，对汽车零部件的要求越来越高，需要满足更高的机械载荷、更高的温度、更恶劣的腐蚀环境、更苛刻的润滑条件，因此对材料的要求也日趋严格。高强度、轻量化、耐热、耐磨、减摩、耐腐蚀等成为今后的发展方向。下面以发动机五大主要部件，即气缸体、气缸盖、曲轴、连杆、活塞42L汽车T艺与材料ATM2011年第2期枥鼗匝胃零件原用材料现用材料改变的原因为例简要介绍未来发动机零部件材料的技术走向。1气缸体、气缸盖气缸体、气缸盖选择材料的主要出发点在于高强度、优良的热疲劳性能及轻量化。轿车用汽油机已普遍从灰铸铁发展为铝合金，并正在逐步发展为镁合金材料。未来重型车柴油机的气缸体、气缸盖所用灰铸铁、合金灰铸铁材料有逐渐被蠕墨铸铁替代的趋势。蠕墨铸铁优点强度高，意味着气缸可以在更高的压力下工作，从而满足日益严格的尾气排放要求；如果工作压力不变，设计师可以减轻发动机的质量，使设计结构更紧凑。此外，从轻量化的角度考虑，铝合金成为中、小型柴油机气缸体、气缸盖材料的发展方向。梅塞德斯一奔驰公司率先开发出了世界第一台全铝3L直喷式柴油机，并投入了批量生产。2曲轴曲轴选材的主要出发点是考虑疲劳强度及耐磨性。目前，曲轴的材料有球墨铸铁、非调质钢和调质钢。主要的强化工艺有表面感应淬火、圆角滚压和氨化工艺。钢轴颈及圆角表面感应淬火是目前承载能力最高的一种曲轴材料的工艺组合，已广泛应用在重型及高爆发压力的发动机上。球铁轴颈表面感应淬火圆角滚压是目前性价比最高的一种曲轴材料工艺组合，虽然其疲劳强度较同等圆角淬火钢曲轴低15左右，但它具有减重、耐磨、减振降噪及降低成本的综合效益。氮化属于种整体表面处理工艺，因其能耗高、效率低、成本高、强化效果有限、对环境造成污染等缺点，将逐步被淘汰。未来曲轴发展趋势如下。A高爆发压力重型柴油机曲轴采用钢圆角感应淬火工艺。B曲轴用钢非调质化。C中、小功率发动机曲轴采用球铁圆角滚压工艺。D球铁毛坯铸态化E材质趋向低强度。3连杆连杆的选材主要出发点是材料需具有疲劳强度及轻量化的特征。目前，连杆材料技术有铸造连杆、锻造连杆、粉末冶金连杆和裂解连杆技术。相对铸造连杆和锻造连杆，粉末冶金连杆有较好的机械性能，尺寸精度高，而且具有减重、节约材料、减少工序和降成本的综合优势。同理，裂解工艺用于连杆加工具有节省投资、减少刀具费用、节能、降低成本和提高产品质量的综合效益。未来连杆发展趋势如下。A裂解工艺的应用将越来越广泛。B粉末冶金连杆所占FEL例将稳步增长。C铝基复合材料连杆的研究开发力度将加大。4活塞活塞的选材主要出发点是需有高温强度高、抗氧化、耐腐蚀及轻量化的特性。目前，采用的活塞材料技术如下。A铝合金表面处理。其中，铸造铝合金应用于汽油机，中、重型柴油机锻造铝合金主要用于高级轿车及赛车发动机。B锻钢调质钢、非调质钢应用于重型柴油机。C钢一铝组合应用于重型柴油机。D铸铁灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁应用在大、中缸径的中、低速柴油机上。活塞顶部的处理方法主要有阳极氧化处理、镀铬、陶瓷喷镀、微弧氧化；活塞裙部的处理方法主要2011年第2期汽车工艺与材料ATM43莉L匝胃有镀锡、涂石墨、涂二硫化钼。未来活塞的发展趋势如下。A整体锻钢活塞是重型柴油机未来的发展方向。B铝基复合材料和碳基复合材料是活塞新材料。4对我国汽车材料开发的几点建议我国汽车材料技术与汽车技术的发展基本同步，从早期主要靠引进到现在基本形成了完备的产业规模，并形成产、学、研一体的具有可持续发展的技术体系。然而，从总体上看，我国汽车材料领域的现状还不能完全满足国内汽车工业发展的需要，主要差距如下。A自主创新能力差，缺乏原创性成果和具有自主知识产权的品牌与产品。缺少有效的科技创新体制，研究工作主要集中在大学、科研机构，其成果难以产业化。B企业自主创新能力不足，产品结构不合理，技上接第38页需要强调的是测头移动量有正有负，结果为正时向右移动，用右下方的红色刻线读数字；反之为负时则向左移动，用左上方的黑色刻线读数字。也就是说，结果为正数字显示红色，为负显示黑色。可采用如下设置选定K列，点击格式一条件格式。在打开的对话框里，设置大干等于OA,L格式的字体颜色为红，J、于OA,L字体颜色为黑