汽车用材的发展.doc

目目 录录 摘摘要要 绪绪论论 1 第第一一章章 金金属属材材料料在在汽汽车车上上应应用用 2 1 1 钢铁在汽车上的应用发展 2 1 2 铝和铝合金在汽车上的应用及发展趋势 4 1 3 镁合金在汽车上的应用前景 7 1 4 钛合金 9 第第二二章章 非非金金属属材材料料在在汽汽车车上上的的应应用用 10 2 1 汽车玻璃 10 2 2 汽车摩擦材料 12 2 3 汽车橡胶的使用 13 2 4 陶瓷材料 14 2 5 塑料 15 第第三三章章 汽汽车车涂涂装装材材料料新新趋趋势势 17 3 1 汽车对涂装的性能要求 17 3 2 汽车涂料现状及趋势 17 第第四四章章 汽汽车车典典型型零零件件的的用用材材作作简简要要说说明明 21 4 1 汽缸体用材 21 4 2 汽缸套用材 22 4 3 车身用材的选择 23 4 4 汽车保险杠用材 23 第五章 汽车用材技术趋势第五章 汽车用材技术趋势 24 5 1 汽车工业研究方向 24 5 2 汽车用复合材料带来轻量化 24 5 3 纳米材料与汽车 25 5 3 纳米材料与汽车 25 致谢致谢 26 参考文献参考文献 27 河南机电高等专科学校毕业论文 1 绪论 汽车材料是制造汽车和汽车所用的各种材料的总称 为了满足人们对汽车环保性 节能性 安全性 舒适性越来越高的要求 汽车用材 料正在发生变化 世界主要汽车大国都在积极应对 欧洲和日本相继制定了自己的环保 型汽车发展计划 在降低油耗 减少排放的诸多措施当中 降低汽车的重量已越来越得到汽车行业的 重视 资料表明 车重减轻10 可节省燃油3 7 为了降低汽车的重量 近年来 世界 各大汽车厂越来越多地使用铝或塑料等非钢铁材料 并有代替钢铁材料的趋势 这对一 直作为汽车首选材料的钢铁构成了严峻的挑战 也使高强度汽车钢板的生产与使用成为 一个世界范围内关注的热点问题 汽车材料具有以下特点 数量大 目前 全世界拥有汽车6亿多辆 年产汽车5千多万辆 因此 汽车每年 要消耗约占世界总产量1 4的钢铁 60 的橡胶 近一半的石油 30 的铜和铝 10 的塑料 品种规格多 一辆汽车多达上万个零件 用于汽车的材料品种和规格多达4千多种 除钢铁 橡胶及燃油外 汽车还大量使用有色金属 塑料 涂料 玻璃 纤维制品 电 线 润滑油脂 化学制剂 摩擦材料 纸 以及各种电气材料和电子元件等等 要求高 用于汽车的材料 要求质量轻 强度高 刚度好 易加工 寿命长 耐 腐蚀 耐振动 无污染 可回收 因此 对其要求一般高于用于普通民用产品的材料 汽车工业的发展 对原材料产业起了巨大的推动作用 品种大量增加 质量不断提 高 本文主要讲解汽车常用的一些金属材料 例如 钢铁 铝镁钛及其合金 非金属材 料 塑料 橡胶 陶瓷 玻璃等 同时介绍汽车的一些涂装材料及其趋势 第四章列举了 一些典型零件的选材 最后阐述一下汽车材料发展趋势 第一章 金属材料在汽车上应用 1 1 钢铁在汽车上的应用发展 1 1 1 钢汽车上的应用 构成汽车的零件约有两万多个 在这些零件中 使用了各种各样的材料 其中约86 是金属材料 而在金属材料中 钢铁材料占了80 钢铁一直是构成汽车的主要材料 汽 河南机电高等专科学校毕业论文 2 车各部位使用钢铁的情况是 车身大部分为钢板 底盘为钢板和棒材 悬架弹簧用线材 等 发动机本体和动力传递系统使用棒材 线材和铸件的比率高 排气系统采用不锈钢 在汽车用钢中 合金钢比例较高 国外不少汽车采用含Cr Ni Mo等元素的结构钢和含 Co量很高的永磁材料 而这些元素的资源都较稀缺 节约合金资源成为指导汽车材料开 发和应用的方针之一 1 1 21 1 2 汽车上各构件对钢材要求汽车上各构件对钢材要求 汽车面板部件要求板材具有良好的成型性 强度 延伸性 抗凹陷性 耐腐蚀性等 结构部件要求板材具有良好的成型性 强度 碰撞能量吸收能力 疲劳耐久性 耐腐蚀 性 焊接性 行走部件要求具有良好的成型性 刚性 疲劳耐久性 耐腐蚀性 焊接性 而优良的碰撞能量吸收能力 焊接性对增强部件来说特别重要 1 1 31 1 3 汽车用钢板的分类汽车用钢板的分类 从生产工艺特点划分为热轧钢板 冷轧钢板和涂镀层钢板 从强度角度可划分为 普通钢板 软钢板 低合金高强度钢板 HSLA 普通高强 度钢板 高强度IF钢 BH钢 含磷钢和IS钢等 和先进高强度钢板 AHSS 等 在以强度划分的钢板中 前两类钢种目前国内外应用均已趋于成熟 第三类钢种在 国际上已批量商业化应用 国内也处于研制 试用 IS钢 和推广应用阶段 第四类钢 种在国际上处于研制趋于成熟和推广应用阶段 国内处于研制起步阶段 高强度钢板是 汽车钢板材料发展的主题之一 1 1 1 4 汽车用钢的发展 由于现代汽车对附加安全性和舒适度的要求越来越高 乘用车的平均重量越来越重 如果汽车制造商想要满足各国政府制定的强制性排放标准 这种趋势不能再持续下去 钢铁作为占汽车总重约70 的主要材料 必须向轻量化 高强度 易加工 高精度的方 向发展 在节能 环保的同时 满足汽车生产制造和安全性能的特殊要求 目前各国对 生产轻量化汽车的尝试 主要集中在利用轻金属 高强钢和复合材料取代传统钢铁部件 上 在汽车用钢中 合金钢比例较高 国外不少汽车采用含Cr Ni Mo等元素的结构钢 和含Co量很高的永磁材料 而这些元素的资源都较稀缺 节约合金资源成为指导汽车材 料开发和应用的方针之一 其中约86 是金属材料 而在金属材料中 钢铁材料占了80 在90年代日本的消费量中冷轧薄板占37 热轧薄板33 特殊钢24 另外铝铸材料的83 都是用于汽车制造上 下面着重介绍一下高强度钢 镀锌薄钢板 超细晶粒钢 不锈钢 河南机电高等专科学校毕业论文 3 1 高强度钢 虽然汽车制造中铝等轻质材料不断增加 但钢铁仍是汽车制造的主要材料 铝等轻 质材料由于受到自身性能 工艺要求以及价格等因素的限制 在汽车制造中仅能代替一 部分钢铁 高强度钢相对于普通钢来说具有高强度 质量轻 成本降低等特点 而且能 够提高安全性能 所以高强度钢已成为颇具竞争力的汽车材料轻量化的原材料 使用高 强度钢板代替普通钢板制造汽车车身 汽车自身质量可减轻 30 40 代替普通钢制成 的传动轴质量可减轻约 10 北美开发的 PNGV Class 轿车 车身全部采用高强度钢 其 质量只有 218kg 与全铝车身相当 所以高强度钢是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之 一 目前 汽车制造商用高强度钢取代普通的钢材和铸铁制造汽车车身 底盘 悬架 转向等汽车零部件 不仅有利于实现汽车轻量化 降低能耗和保护环境 而且可以大幅 度地提高汽车的耐侵蚀能力 增加汽车使用寿命 高强度结构钢正大量应用于弹簧 齿 轮等零部件的制造 2 镀锌薄钢板 镀锌薄钢板广泛应用在汽车上 这是因为它有良好的抗腐蚀能力 早年人们在试验 中发现 将铁和锌放人盐水中 二者无任何导线联结时 铁和锌都会生锈 铁生红锈 锌生 白锈 若在二者间用导线联结起来 则铁不会生锈而锌生 白锈 这样锌就 保护了铁 这种现象叫牺牲阳极保护 工程师正是将这种现象运用到实际生产中 生产 了镀锌钢板 经研究 在镀锌量 350 克 平方米 单面 时 镀锌钢板在屋外的寿命 生红锈 田园地带约为 15 一 18 年 工业地带大约 3 一 5 年 这比普通钢板长几倍 甚至十几倍 从 20 世纪 70 年代开始轿车车身钢板采用镀锌薄钢板 装配时镀锌面置于汽车内侧 提高车身耐蚀性能 非镀锌面置于汽车外侧 喷涂油漆 随着汽车对耐腐蚀性能的要求 不断提高 镀锌钢板不断增加镀锌层重量 还出现了双层镀锌钢板 但由于增加镀锌重 量也会使电镀锌的电能消耗大幅增加 导致材料成本的上升 因此 20 世纪 70 年代末又 出现一种采用热浸镀锌工艺生产的镀锌钢板 称为热镀锌钢板 河南机电高等专科学校毕业论文 4 图 1 1 汽车钢板 1 2 铝和铝合金在汽车上的应用及发展趋势 1 2 11 2 1 铝的物理特性铝的物理特性 铝是人们最熟悉的金属之一 铝制炊具 铝制窗门等等 铝做为日常生活中最常用 的金属 已经深入人们生活的各个方面 而在汽车领域中 铝将是是轻量化首选材料 铝的特点 1 密度小 仅为 2 7g cm 为钢的 1 3 奥迪公司采用的铝材料制造的 A8 型汽车车 架 比钢的质量降低了 35 2 导电 导热性能好 3 耐腐蚀性好 铝由于表面易氧化形成致密而稳定的 AL2O3 的氧化膜 所以耐腐 蚀性好 4 较好的铸造性 由于铝的熔化温度低 流动性好 易与制造各种复杂形状的零 件 1 2 21 2 2 汽车上常用铝材汽车上常用铝材 1 铸造铝合金 河南机电高等专科学校毕业论文 5 铸造铝合金具有优良的铸造性能 铸造方法很多 可根据使用目的 零件形状 数 量 质量标准 机械性能等方面的要求和经济效益 选择最适宜的合金和铸造方法 生 产效率比较高 铸造铝合金主要用于汽车发动机部件 离合器壳体 变速器壳体 后桥 壳 转向器壳体 正时齿轮壳体等壳体类零件 也可用于制造保险杠 车轮 发动机框 架 转向节液压泵总成 刹车钳等零部件 2 形变铝合金 形变铝合金与铸造铝合金相比 强度 韧性都大为优越 形变铝合金在汽车上主要 用于制造保险杠 发动机罩 制动器总成的保护罩 消声罩 防抱死制动系统 热交换 器 车身构架 座位 车箱底板等零部件 美国汽车形变铝合金所占的比例较高 3 锻造铝合金 由于价格昂贵 以前锻造铝合金只是在欧美高级轿车上有少量应用 由于锻造铝合 金热锻时不氧化 表面光洁 机加工余量小 无加工缺陷 所以在汽车上的应用正在逐 渐增加 主要用于汽车的托架和载货汽车的车轮等 1 2 31 2 3 用铝合金材料实现汽车轻量化是未来汽车发展的趋势用铝合金材料实现汽车轻量化是未来汽车发展的趋势 节能 环保 安全 舒适 智能和网络是汽车技术发展的趋势 尤其是节能和环保 更是关系到人类可持续发展的重大问题 因此 降低燃油消耗 减少向大气排出 CO2 和 有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题 减少汽车自身质量 汽车轻量化 是汽 车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一 汽车轻量化的途径有两种 一是优化汽 车框架结构 另一个是在车身制造上采用轻质材料 而铝及铝合金将会是应用得比较多 的的轻量化材料 铝是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料 近 20 年来 铝在汽车上的用量和在汽 车材料构成比中所占份额都有明显的增加 它在汽车上的用量呈持续增长的趋势 根据 世界铝协统计 在 1991 1999 年间 铝在汽车上的应用翻了一番 2002 年在北美平均每 一辆车的用铝量已打 124kg 汽车上的零件以铝为主 如缸体 缸盖 变速器壳体 汽缸 盖罩等 它们大约占去了汽车用铝的 80 在轻量化的推动下 铝合金材料起应用技术发 展很快 在近年来出现的全铝车身以铝密集型汽车 如福特 P2000 中 铝的比例更高达 37 铝的应用正朝着车身零件及结构件的方向发展 如应用日益广泛的铝合金车厢盖 发动机罩 提升式后车门 前端翼子板 发动机支架及全铝车身骨架等 未来铝在汽车 中的应用范围将进一步扩大 并将呈现铸件 型材 板材并举的局面 在不久的将来 铝将会成为仅次与钢的第二大汽车材料 从铝的发展势头来看 这中种说话很有道理的 河南机电高等专科学校毕业论文 6 与铸铁比 铝的导热性能约高三倍 因而最适于必须要散热的热交换器零件上 这也 是铝活塞所要求的特征 由于铝的熔化温度低 流动性好 故易制造复杂形状的零件 根据表面处理及使用条件 可直接作为轴承面使用 也可用于气缸体 铝材应用在汽车 上会遇到许多技术上的难题 加工难度比钢材要大得多 例如轿车车身大部分的工件都 是靠冲压成形 由于铝材不是很平直的 如果用冲压钢板的方法去冲压铝板 会出现裂 缝和褶皱 同时轿车车身大部分的工件都是用焊接组装 由于铝是热的良导体 在焊接 时需要用相当于钢板焊接时 5 倍的电流消耗量来熔化它 另外 在防腐处理和喷漆工艺 上 铝材都有自己的特殊要求 与众不同 由于铝材的应用会涉及到整个造车材料 工 艺技术和加工设备的更新改造 轿车趋向使用铝材实际上就是汽车发展进程中的一场技 术革命 目前全铝车身还仅限于高档轿车和跑车 随着时间的转移 制造成本的不断下降 将会有更多型号的轿车车身和零部件应用铝合金材 据预测 随着汽车技术的发展 到 下世纪初汽车的主要材料将由钢材转为铝材 轿车的平均重量将会减轻 35 1 3 镁合金在汽车上的应用前景 1 3 11 3 1 镁合金的优势镁合金的优势 镁的密度为 1 8g cm3 仅为钢材密度的 35 铝材密度的 66 此外它的比强度 比刚度高 阻尼性 导热性好 电磁屏蔽能力强 尺寸稳定性好 因此在航空工业和汽 车工业中得到了广泛的应用 镁的储藏量十分丰富 镁可从石棉 白云石 滑石中提取 特别是海水的盐分中含 3 7 的镁 近年来镁合金在世界范围内的增长率高达 20 镁合金是一种极轻的工程金属材料 它有着 一轻一高三好 的特点 比重轻 比强度高 阻尼性及切削加工性好 导热性好以及减振性好 而且易于回收 其特点如 下 刚性好 重量轻 低的熔化黏滞性和良好的填注成型特 可再生利用 可大规模生产 储量丰富 1 3 21 3 2 适于采用镁压铸件生产的汽车零部件适于采用镁压铸件生产的汽车零部件 近年来 很多种轿车铸件开始采用镁合金 以适应汽车轻量化的要求 这些镁合金 铸件包括 离合器外壳 引擎阀罩壳 变速箱外壳 变速箱上盖 发动机罩盖 方向盘 座椅支架 仪表盘框架 车门内板 轮辋 转向支架 刹车支架 气门支架等 甚至还 河南机电高等专科学校毕业论文 7 有缸盖和缸体 已有超过 种零部件已采用或正在开发镁合金应用 例如铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架 内板组成 另一种镁合金制成的车门 它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成 每扇门的净质量 比传统的钢制车门轻 10kg 且刚度极高 随着压铸技术的进步 已可以制造出形状复杂 的薄壁镁合金车身零件 1 3 31 3 3 汽车工业用镁现状与前景汽车工业用镁现状与前景 能够使汽车实现轻量化的新材料主要是指 用轻质的有色金属材料取代钢 铁 铜 等 如铝合金和镁合金 其中铝合金已得到广泛认同和应用 现在奥迪全铝车身 宝马 全铝底盘等都生产出来了 而镁合金是近年来正在兴起的新材料 这是由于镁冶炼技术 进一步提高 镁的价格逐渐下降了 镁与铝结合后表现出非常好的压铸性能和加工性能 一方面汽车要减轻自重 一方面汽车要折旧 报废 回收 于是 铝合金在汽车上的应 用 又带来了镁合金的应用 有人预计 全世界对汽车镁合金的需求量每年将递增 以 上 汽车工业可能采用镁压铸件的场合大致可分成两大类 一类是以镁取代原先以其它 材料用作压铸件的领域 另一类是直至目前还在采用焊接钢结构或铝板材料的场合 对 于前者 最常见的是以镁压铸件替换锌压铸件 虽然这两种材料有同等的铸造特性 但 若全面衡量重量与成本因素 选用镁显然更加合理 例如 点火装置外壳 变速箱外壳 进气岐管等 都有成功改用镁压铸件的实例 此外 镁或铝与硅 锰 锌的合金能在高 温下快速降低蠕变张力 这对于例如要承受巨大机械应力和较高工作温度的引擎缸体 采用镁压铸件也是很理想的 在北美 一些大型豪华轿车和小型运输车都已采用单一镁 铸件取代了过去的组合式钢结构来制作仪表盘座 从 世纪 年代以来 亚洲的万事得 丰田就已致力于用镁来减轻汽车重量 年 代 本田也在汽缸头盖 轮圈等零件上开发镁的应用 目前 钤木 大发 三菱和日产 等也都加入了这一行列 而在韩国 也开始用镁制作方向盘锁定器罩等一些零件 合金 铸件的生产应用技术开发 已列为国家 十五 科技攻关项目 相对于北美和欧洲 亚洲汽车工业应用镁压铸件来得比较慢 在日本 由于镁价比 北美要高 以致在获得重量减轻同时 成本却上升了 另外 日本的 定单有时仍 然利用廉价的和高度工程化钢结构来实现重量的减轻 我国车用铸镁产业几乎从零开始 近年只有国产桑塔纳轿车采用了镁合金压铸件 用量仅为 辆 与国外汽车镁合金平均用量 辆相比 差距十分悬殊 当前 制约镁在汽车中大量应用的最主要因素是技术问题 就结构件而言 由于存 河南机电高等专科学校毕业论文 8 在诸如对镁材料的特性缺乏深层次的理解 镁零件的防蚀技术未取得突破 镁材料的性 能数据缺乏 尤其缺少工艺 性能数据 镁零件的设计 使用经验不足等问题 使镁在 汽车中的普及程度暂时还难以与铝匹敌 据此估计 近期内镁在汽车用材中所占的比例 不会超过 1 1 4 钛合金 钛合金属于新型结构材料 钛合金具有优异的综合性能 密度小 密度仅为钢的60 左右 比断裂韧性和比强度高 抗腐蚀性能优异 在较高的温度下仍能保持较高的强度 和其如间隙元素极低的钛合金 TA7 在 253 还具有一定的塑性 钛可以减轻汽车发动机的质量 提高汽车车速 降低噪声 降低平均油耗 在改善 发动机工作性能上有很大的优势 另外 用钛合金制造发动机气门 要比钢制气门轻 15 20 所以钛合金成为汽车轻量化考虑采用的材料 日本于1968年在赛车的发动机 零件上使用了钛材料 目前 钛合金主要用于制造发动机零部件和车身零部件等 同时 也考虑用钛合金制造汽车发动机气门 气门弹簧 气门座圈和连杆 排气管 车轮 高 强度坚固件等 虽然钛的应用前景十分广阔 但是钛的缺点是成本高 加工性能差 切 削 焊接和表面处理都较难 图1 2 钛合金汽车用螺母 河南机电高等专科学校毕业论文 9 第二章 非金属材料在汽车上的应用 2 1 汽车玻璃 汽车玻璃是汽车车身附件中必不可少的 主要起到防护作用 目前汽车玻璃以夹层 钢化玻璃和夹层区域钢化玻璃为主 能承受较强的冲击力 夹层玻璃是指用一种透明可 粘合性塑料膜贴在二层或三层玻璃之间 将塑料的强韧性和玻璃的坚硬性结合在一起 增加了玻璃的抗破碎能力 钢化玻璃是指将普通玻璃淬火使内部组织形成一定的内应力 从而使玻璃的强度得到加强 在受到冲击破碎时 玻璃会分裂成带钝边的小碎块 对乘 员不易造成伤害 而区域钢化玻璃是钢化玻璃的一种新品种 它经过特殊处理 能够在 受到冲击破裂时 其玻璃的裂纹仍可以保持一定的清晰度 保证驾驶者的视野区域不受 影响 汽车车窗要为驾驶员及乘员提供清晰的视野 防止异物的侵入 并要保护乘员兔受 伤害 因而车窗玻璃在光学性能 机械强度 环境稳定性 如耐日光 温度及湿度的变化 等 和耐久性方面的要求有严格的安全规范 世界各国 如日本最大的玻璃生产厂商旭硝 子 美国特立普斯勒克斯公司 美国的杜邦及孟山都公司等都纷纷对汽车用的特异功能 玻璃作了许多研究开发 现选择其中主要的予以介绍 1 uv 紫外线 阻断玻璃 由于大气臭氧层空洞的扩大 要防止紫外线将汽车用玻璃烤晒老化变形破坏而开发 出防紫外线的玻璃 这种玻璃有两种类型 1 uv 吸收剂涂敷剂 在汽车用玻璃表面 涂敷一层 uv 吸收剂氧化柿层 这样 紫外线对玻璃的侵害极为 困难 而且还可保持玻璃对可见光线的透过率在 70 以上 2 uv 吸收剂本体型 所谓 uv 吸收剂本体型 是将 uv 吸收剂熔化在玻璃的基体中 构成本体型 还可将 红外线吸收剂熔人玻璃中 使玻璃同时兼有防紫外线和隔热双重功能 这种玻璃 称为 冷绿色玻璃 旭硝子的商品名 这类玻璃可将 400nm 以下的紫外光和 1100nm 附 近的红外光大幅阻断 乘员乘坐这样的汽车能感到与普通绿色玻璃不同的隔热性 从而 有效减少车内空调制冷的负荷 2 电热风窗玻璃 电热风窗玻璃 ehw electrically heated wind shield 是在组合玻璃的车内侧玻璃表面被 河南机电高等专科学校毕业论文 10 覆透明的导电膜所构成的玻璃 由于在透明膜上通电 使玻璃发热 可将玻璃上面的冰 霜熔化或防止玻璃模糊 在高寒地区 冬天清晨汽车前风窗玻璃附一层冰 必须用除霜 器化好长时间除冰 而采用 ehw 玻璃之后 可直接通电加热 使冰在短时间内化除 有 效地提高了热效率和出车率 对军车有特别重要的意义 这种 ehw 玻璃亦可用于电动汽 车 3 隐避玻璃 隐避玻璃是 rv 车 休闲车 后门常用的着色玻璃的总称 一般隐避玻璃亦有涂敷型和 本体型之分 涂敷型因反射率高 呈现反射镜调谐的外观 本体型是玻璃中熔有着色剂 组分 其反射率与普通玻璃相同 隐避玻璃的可见光线透过率为 30 左右 这种玻璃不仅 具有隐避功能而且还可降低太阳光的入射 兼有控制车厢温度的效果 4 憎水性玻璃 憎水性玻璃是为了提高驾驶员在雨天对车外信息可见度而开发的特殊功能玻璃 将 驾驶室前面的风窗玻璃外侧表面 采用有机氟树脂作为憎水剂进行涂敷 涂膜厚度由数 十埃到数百埃 当汽车以 50 60km h 的速度行驶时 玻璃表面雨滴开始飞溅离开 憎水 剂有机氟树脂不能永久保持 需定期对玻璃维护涂敷 保持憎水效果 5 防污玻璃 最近以来 世界防污玻璃的研究开发很引人瞩目 其原理是利用 tio2 与光触媒进行 作用 在玻璃表面上涂敷 tio2 薄膜 通过太阳光 紫外线 激发 tio2 中产生电子和空穴 使水和氧通过 将玻璃表面上粘附着的有机污水分解 其实这种清污原理早已在瓷砖和 照明器具上实用化了 6 组合玻璃 组合玻璃属安全玻璃 为了防止汽车遭受意外冲撞 玻璃破碎而不分散的一种玻璃 它是在车内侧玻璃的表面 贴附一层 1mm 厚度的聚氨酪薄膜 一旦汽车受冲撞玻璃破碎 时 被薄膜粘着的玻璃因不易飞散 从而减少伤害程度 美国孟山都生产的一种名为 saflex 的夹层材料 可夹于两片或多片玻璃之间 这种中间膜经加热加压就可制成夹层玻 璃 一旦玻璃破碎后仍可保持整体形碎块 对人身安全提供了有效的保护 其多层胶合 可做防弹玻璃 还可隔音 过滤紫外线 效率可达 99 耐光的彩色中间膜能减弱阳光的 透射 从而减少车内空调制冷的负荷 河南机电高等专科学校毕业论文 11 图 2 1 汽车玻璃 2 2 汽车摩擦材料 摩擦材料 是用来制造离合器 行车制动器及驻车制动器中的摩擦片的材料 是汽 车上消耗性较大的材料之一 它对汽车的安全性 动力性和操纵稳定性都有直接的影响 对汽车摩擦材料的要求是 有足够高而稳定的摩擦系数 有良好的耐磨性 有一定 的强度和耐热性 不产生过重的噪声 汽车摩擦材料 主要由骨架材料 粘接材料和填充材料组成 1 骨架材料占摩擦材料总量的95 以上 传统汽车多以石棉作为骨架材料 石棉 是一种天然矿物纤维 具有耐热 隔热 耐水 耐油 不燃 耐磨 摩擦系 数大等特性 因此在传统汽车上广泛用于制造各种衬垫和摩擦片 近年 由于发现石棉有致癌作用 因此开发了许多新型的无石棉摩擦材料 如钢纤 维摩擦材料 玻璃纤维摩擦材料 碳纤维摩擦材料等 在发达国家 已基本上淘汰了石 棉摩擦材料 2 粘接材料 多以酚醛树脂为主 也有采用橡胶 腰果油 聚乙烯醇或其他高分子 材料改性酚醛树脂的 3 填充材料一般采用重晶石 硅灰石 氧化铝 铬铁矿粉 氧化铁 轮胎粉及铜 铅等粉末 摩擦材料的生产 过去主要采用模压法 目前 编织 缠绕等方法正在逐步代替模 河南机电高等专科学校毕业论文 12 压法 已经出现连续回转自动生产盘式摩擦片的生产线 2 3 汽车橡胶的使用 橡胶是高弹性的高分子化合物 分为天然橡胶与合成橡胶二种 天然橡胶是从橡胶 树 橡胶草等植物中提取胶质后加工制成 合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得 橡 胶制品广泛应用于工业或生活各方面汽车上用到橡胶材料的零部件很多 占到整车重量 的3 5 8 是除了钢铁之外 汽车第二大材料 汽车用橡胶制品 今后应重点发展采用氟硅橡胶 聚酯织物为骨架料制作而成的轿 车用供油压力调节器膜片 采用氯化聚乙烯制备更多汽车用膜片作为防尘罩用的材质 最重要需求就是耐候性好 而且要根据使用部位需要耐屈折 耐油 耐磨的特性 等速 万向节一般采用氯丁橡胶 但是随着耐热性能提高 采热塑弹性体逐渐增加 在欧美 大部分轿车上都使用聚酯类热塑弹性体来制作防罩 这类材料既能满足耐候 耐油 耐 热的要求 同时还可以实现汽车的轻量化 汽车中用到的橡胶件 1 轮胎类 外胎 内胎 垫带 气门芯 2 密封胶条类 门窗胶条 门窗玻璃胶条 风窗玻璃胶条 3 管路类 发动机进气管 发动机进水管 发动机燃油管 液压举升系统高低压 胶管 散热器进水管 制动油 气管 离合油管 4 传动类 发动机风扇水泵皮带 空调压缩机皮带 5 密封件类 发动机气门油封 发动机曲轴前后油封 发动机燃油泵密封垫及油 封 变速器一轴二轴油封 液压油缸密封圈 齿轮泵密封圈 气泵油封 水泵油封 空 调压缩机油封 制动阀密封圈 离合总泵 分泵密封圈 换向阀密封圈 方向机油封 6 减振类 车架减振胶条 发动机减振垫 散热器减振垫 变速器减振垫 沙发 坐垫 中间传动轴中间支承 7 结构件脚踏班护垫 操作件防尘罩 传动轴伸缩套 限位块 2 4 陶瓷材料 陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼 成型和煅烧制得的材料 以及各种制品 是陶器和瓷器的总称 陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿 物为原料的人工工业产品 它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼 成形 煅烧而制 成的各种制品 由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围 对于它的主要 原料是取之于自然界的硅酸盐矿物 如粘土 石英等 因此与玻璃 水泥 搪瓷 耐火 材料等工业 同属于 硅酸盐工业 的范畴 河南机电高等专科学校毕业论文 13 陶瓷材料由于具有良好的综合性能 近几年在汽车上的应用愈来愈广 随着内燃机 技术的不断改进和发展 传统的内燃机材料已很难满足高强度 耐腐蚀 低导热及耐磨 性等方面的要求 特种陶瓷应用成为趋势 本文主要介绍一下智能陶瓷材料在汽车工业中的应用 作为特种陶瓷产品分类的智能陶瓷材料 其中包括在汽车制造中使用的对环境敏 感且能对环境变化作出灵敏反应的材料 目前已成为材料科学及工程领域中研究的焦点 汽车上使用的智能陶瓷产品 包括功能材料 驱动系统与反馈 TodayHot 系统相结 合的智能材料系统或结构 由于其综合性功能的发挥 可使汽车产品在行驶时感知与响 应外界环境的变化 使汽车产品拥有自检 自测 自诊断 自修复 自适应等诸多性能 当前有些功能陶瓷制品已具有智能化的功能 如半导体钛酸钡正温度系数热能电阻 及氧化锌变阻器 它们对于温度和电压具备自身诊断 候补保护与自身修复的功能 可 以使材料本身拥有抵抗环境突然变化的能力 并可重复多次使用 在智能陶瓷系统中 压电陶瓷是最重要的品类 现在已经普及使用及正拟开发研制的压电类智能陶瓷制品及 材料系统如下 1 汽车减震装置 利用智能陶瓷产品的正压电效应 逆压电效应研制出的智能减震 器 具有识别路面并自我调节的功能 可将粗糙路面对汽车形成的 HotTag 震动减到最 低限度 整个感知与调节过程只需要20秒 另外 采用智能陶瓷材料制成的减震装置还 可以推广应用在汽车产品之外的领域 如使用到精密加工的稳固工作平台等 2 汽车智能雨刷 利用钛酸钡陶瓷的压阻效应制成智能陶瓷雨刷 可以自动感知雨 量 自动将雨刷调节到最佳速度 3 汽车有源消声陶瓷材料 由压电陶瓷拾音器 谐振器 模拟声线圈和数字信号处 理集成电路组成的有源消声陶瓷材料 可把汽车的震动频率降低到500赫兹以下 河南机电高等专科学校毕业论文 14 图2 2 陶瓷制动系统 2 5 塑料 2 5 12 5 1 塑料在汽车上的应用优点塑料在汽车上的应用优点 塑料是一种高分子材料 近年来在汽车上的应用越来越多 在过去30年间 汽车的 塑料用量已从60年代初的10公斤左右上升到九十年代中的二百公斤 巳由内外装饰件向 车身复盖件和结构件方面发展 例如前照面 保险杠 发动机罩 行李箱盖 顶盖 翼 子板 车门内护板和某些车身骨架构件等 甚至有些大汽车公司正在用复合材料做承载 力最大的底盘车架 例如福特汽车公司将在2001年将复合材料底盘应用在一辆叫 探索者 的小皮卡样车上 其增长速度之快 主要是由于塑料的特性与人们对汽车的期望要求很搭配 因此 一 拍而合 塑料在汽车上的应用有以下6大优点 1 轻量化是汽车业追求的目标 塑料在此方面可以大显其威 2 塑料成型容易 可使形状复杂的部件加工简单化 3 塑料制品的弹性变形特性能吸收大量的碰撞能量 对强烈撞击有较大的缓冲作用 对车辆和乘员起到保护作用 4 塑料耐腐蚀性强 局部受损不会腐蚀 而钢材制件一旦漆面受损或者先期防腐做 得不好就容易生锈腐蚀 塑料对酸 碱 盐等抗腐蚀能力大于钢板 如果用塑料做车身 复盖件 十分适宜在污染较大的区域中使用 5 根据塑料的组织成份 可以通过添加不同的填料 增塑剂和硬化剂来制出所需性 能的塑料 改变材料的机械强度及加工成型性能 以适应车上不同部件的用途要求 例 如保险杠要有相当的机械强度 而座垫和靠背就要采用柔软的聚胺脂泡沫塑料 更方便 的是塑料颜色可以通过添加剂调色产生不同的颜色 可以省去喷漆 有些塑料件还可以 电镀 例如ABS塑料具有很好的电镀性能 可用于制作装饰条 标牌 开关旋扭 车轮装 饰罩等 2 5 22 5 2 塑料在汽车上的几种应用塑料在汽车上的几种应用 塑料内饰件 塑料仪表板是主要的内饰件 由于仪表板的表面温度很高 为了适应 发动机室的高温以及阳光的照射 要求塑料仪表板在较高温度下不变形 并在低 温下能 承受比较大的撞击 常见的塑料内饰件还有杂物箱 门把手 座椅 顶棚 防冻板 车 门把手 引流板 托架 转向柱护套 装饰板 空调系统配件等 塑料外饰件 汽车车身部件是汽车上应用塑料比较多的外饰部件 例如用塑性制作 河南机电高等专科学校毕业论文 15 保险杠 用热塑性塑料合金制作汽车挡泥板 用表面涂敷硬膜的PC制作汽车照明系统的 前大灯 用注塑成型方法制作侧防撞条 用塑料基材板夹泡沫塑料层制作汽车车顶材料 等 用塑料制作的外装饰件还包括散热器格栅 车轮护罩 车门槛板 侧面模塑件 后 导流板 阻流板 后视镜框 门把手 后装饰挡板和塑料窗玻璃等 第三章 汽车涂装材料新趋势 随着我国汽车工业的飞速发展 汽车保有量迅速升高 汽车由单纯的客货运输工具 转变为人们追求舒适性 展现个性审美的时尚产品 所以 汽车的装饰性是决定汽车商 品价值的重要因素 而汽车的装饰件除车型设计和车内装饰外 主要靠涂装 汽车的涂 装不再是简单的 油漆 其目的是通过对各种类型的汽车车身 底盘 车架 车厢和 零部件的涂装 赋予汽车漂亮的外观和优良的防护性能 3 1 汽车对涂装的性能要求 汽车是户外使用产品 随地球环境的恶化 影响了汽车油漆涂层的使用寿命 污染 物侵入漆面引起涂层早期损坏 汽车油漆涂层的主要污染源为工业落尘 酸雨 农药 昆虫与鸟类 汽车自身污染和道路交通的飞溅等 涂层必须具有极高的耐腐蚀性 耐水 性 耐汽油 机油性 耐候性 耐酸雨 耐化学药品 抗划伤性及机械强度 即具有优 良的防护性能 汽车的涂装还应有良好的外观装饰性 特别是车身涂装 必须选用合适的涂装涂料 选择合理的涂装设备与工艺 在良好的徐装环境条件 监控好汽车涂料 涂膜的性能指 标 才能使涂层具有优良的装饰性 汽车涂层的装饰性主要取决于色彩 光泽 丰满度 和平整度 汽车色彩一般依据汽车类型 用途 外形设计和市场的流行色彩来选择 汽 车还要求涂层具有高光泽 汽车面漆层要求平整光滑 不应有颗粒 3 2 汽车涂料现状及趋势 汽车涂料要求在不断提高装饰性和防腐蚀能力的同时 还要尽可能降低对环境的污 染 本节主要阐述预处理材料 阴极电泳漆 PVC涂料以及全息效果涂料等在装饰性和防 河南机电高等专科学校毕业论文 16 腐蚀能力这两方面的研发现状及趋势 同时还指出 各大涂料公司纷纷组建色彩研究所 越来越重视色彩研究 汽车的使用环境较差 要保证薄钢板制成的车身6 12年不锈穿 车身的涂装起着至 关重要的作用 为此 各大汽车厂纷纷选择最新的涂装材料 最优的涂装工艺和最好的 涂装设备 并通过严格管理 生产出光彩照人 经久耐用的轿车 以期更好地占领市场 轿车涂装代表了涂装的最高水平和发展方向 传统的预处理 电泳工艺产生大量的废水 中涂 面漆会产生废渣和大量的挥发性有机化合物 VOC 随着环保呼声的日渐增高 传统的溶剂型涂装材料将逐渐被淘汰 3 2 13 2 1 预处理材料预处理材料 在汽车车身预处理过程中 会排放大量的废水 其排放量约占油漆车间总排放量的 80 左右 同时还会排放大量的磷化渣 因此 减少排放 降低污染以及低温节能 长寿 命是预处理材料开发研究的重要课题和发展方向 具体表现在以下几个方面 1 脱脂剂的开发主要集中在选择优质的生物可降解的表面活性剂 以提高去油能力 和水洗效果 减少漂洗水 降低COD排放 无机盐尽可能不选用磷酸盐 当今日本发展无 磷 无氮脱脂剂 降低废水处理负荷 减少海水富营养化 液体脱脂剂因无粉尘产生 使用方便 漂洗水少而成为一种新潮流 国外先进汽车生产线大多采用液体脱脂剂 国 内仅有少数大型汽车生产线采用 其特点是碱性低 浓度低 2 液体表调剂由于其槽液在50 时 磷酸肽胶体依然稳定 可用滴加泵直接补充槽液 而不必换槽 用固体表调剂配制的槽液 由于胶体颗粒的稳定性较差 通常每两周就必 须更换一次 污水排放量较大 正迅速被液体表调剂所替代 3 磷化液的发展主要集中在无硝酸盐和无镍两个方面 亚硝酸盐为传统的促进剂 会自行分解且易生成有致癌作用的亚硝酸铵 人们不断对促进剂进行改进 使用过氧化 氢做促进剂 其分解后的产物为水 环境效果十分理想 但不易控制 用羟氨基化合物 作为促进剂 成本较高 且会降解释放出氨气 最新开发的CN4有机促进剂是一种比较理 想的 值得推广的促进剂 其具有稳定 成膜好 控制范围宽等特点 镍是一种有毒的 重金属 在磷化液中取消镍而不降低磷化膜的防腐蚀能力 是磷化液开发研究中取得的 最新进展 目前已有个别汽车生产线投入使用 今后会迅速发展 4 钝化用的六价铬是一种剧毒物质 并有致癌作用 因此无铬钝化发展迅速 可以 分成有机聚合物钝化液和无机钝化液 比较成功的是六氟化锆钝化液 钝化效果好 废 水处理也十分容易 随着汽车工业的发展 为了增加车身的防腐能力 镀锌钢板将逐渐替代冷轧钢板 河南机电高等专科学校毕业论文 17 由于镀锌钢板在预处理过程中容易产生白锈且不易控制 因此人们开发出一种代替预处 理工艺的有机涂层 它可以在钢板上直接涂覆且具有导电性 能够直接进行电泳施工 3 3 23 3 2 阴极电泳漆阴极电泳漆 电泳漆是最早开发的水性涂料 其主要特点是涂装效率高 经济 安全 污染轻 可实现完全自动化管理 经过20多年的发展 目前第五代阴极电泳漆已在世界各大汽车 厂的生产线上有了广泛应用 PPG公司开发的第六代产品ED6350已经投放市场 第七代产 品已开始商业化 实验室内已成功地开发出第八代产品 更新一代产品的开发也已经开 始 新一代电泳漆的主要特点是泳透率高 颜基比低 边角覆盖效果好 无铅无锡 各公司的第五代阴极电泳漆的泳透率均有较大幅度的提高 使用4板箱式法测定 当 表面膜厚相同时 比较G面的膜厚 可以提高30 40 PPG公司的第六代产品可以提高 50 左右 如果用福特盒法测定 按高度计算HERBERS公司的EC3000和PPG公司的ED6350均 可达到100 这样当内腔膜厚达到一定要求时 外表膜厚可以减少3 4 m 涂料的使用 量可以减少12 8 油漆中的惰性颜料大大减少 颜基比降低 PPG公司的ED5的树脂和颜料的比例可以 达到10 1 从而提高了流动性 降低了沉淀速率 减少颜料絮凝和软泥产生及泵的磨损 膜比重一般可以从1 47g cm3降到1 35g cm3 BASF公司的CG500的膜比重可以降到 1 3g cm3 从而降低了材料的消耗 无铅无锡阴极电泳漆是发展过程中一大重大改进 铅是一种毒性很强的元素 但在 电泳漆的防腐蚀催化 钝化和加速交联等方面有重要作用 要去除铅和与其性能相似的 锡是一个很难的课题 Herberts公司在这方面位居前列 欧洲的不少电泳涂装线均已使 用EC3000无铅无锡电泳漆 日本的立邦涂料Power NICS和BASF的CG310也不含铅 但含锡 PPG通过改进树脂去除了铅 各种性能试验表明 其性能与含铅电泳漆相比毫不逊色 双层电泳漆的开发成功是涂装过程的一大革新 因为通过二次电泳 目前使用的中 涂完全被省略了 从而简化了工艺 减少了人员 使得油漆利用率最高可达98 并且进 一步提高了车身的抗腐蚀能力 降低了成本 目前研制成功的双层电泳工艺如表1所示 此外 降低电泳漆的烘干温度 可以节省能源并降低加热减量 从180 30min的烘 干条件降到150 160 10min的CED已实现 120 140 固化的电泳漆正在探索中 加热 减量从15 左右降到了4 以下 溶剂的含量从2 3 降到了0 4 0 8 大大降低了VOC 排放 用无机盐代替有机酸可以防止细菌的生长 UF超滤膜技术的开发利用 使电泳漆涂装线实现半封闭的循环清洗 提高了电泳漆 的利用率 反渗透技术已在水处理方面收效显著 为了进一步减少涂装的废水排放量 河南机电高等专科学校毕业论文 18 提高电泳漆的回收率 一些大公司已尝试将RO反渗透技术应用于电泳涂装 只需在原有 工艺中加装RO设备 就可以实现完全的闭合回路循环清洗 不但减轻了废水处理的负担 而且可使电泳漆的回收率提高到99 100 图3 1汽车喷涂机器人 第四章 汽车典型零件的用材作简要说明 4 1 汽缸体用材 4 1 14 1 1 汽缸体材料要求及常用材料汽缸体材料要求及常用材料 缸体是发动机的骨架和外壳 在缸体内外安装着发动机主要零部件 缸体在工作中 承受气压力的拉伸和气压力与惯性力联合作用下的倾覆力矩的扭转和弯曲以及螺栓预紧 力的综合作用 在这些大小 方向变化的力和力矩作用下 使机体产生横向和纵向的变 形 变形超过许用值使将影响与机座相联零部件的可靠性和工作能力 尤其是活塞 连 河南机电高等专科学校毕业论文 19 杆和等零件的工作可靠性和耐磨性会受到严重影响 并导致发动机不能正常工作 因此 缸体材料必须满足下列要求 有足够的强度和刚度 以减小变形 保证尺寸的稳定造性 良好的铸造性和和切削性 价格低廉 缸体常用的材料有灰铁和铝合金两种 铝合金的密度小 但钢度差 强度低及价格 贵 所以除了某些发动机为减轻重量而采用外 一般均用灰铸铁作为钢体材料 灰口铸铁在汽车上应用较为广泛 还可用以制造飞轮 飞轮壳 变速箱壳及盖 离 合器壳及压板 进排气支管 制动鼓以及液压制动总泵和分泵的缸体等 4 1 24 1 2 蠕墨铸铁作为汽缸体的新材料蠕墨铸铁作为汽缸体的新材料 铸铁机械性能的高低 是由其金相组织所决定的 由于灰铸铁中的片状石墨长且薄 表面平坦 端部尖锐 在承受负荷时 尖锐的端部易产生应力集中 成为铸件破坏的起 点 造成铸件的强度和韧性下降 石墨虽然是优良的固体润滑剂 能防止剧烈的磨损 但其平坦的表面易造成石墨脱落 同时尖锐的端部产生裂纹扩展 反而会引起磨损的加 剧 所以片状石墨的存在 使得为了满足更高的使用要求而继续提高灰铸铁强度 韧性 和耐磨性变得极为困难 因此 从某种意义上来说 石墨的形态决定了铸铁件的性能 为迅速提高气缸体的性能 近年来 从改善石墨形态的目的出发 蠕墨铸铁引起了国内 外高度重视 蠕墨铸铁的石墨形状与片状石墨相比 其长度较短而厚 端部较圆 长厚比在10以 下 灰铸铁一般为50 100 且表面粗糙 较圆的端部能抑制裂纹的发生和扩展 粗糙的 表面能限制石墨的脱离 这种独特的石墨形状 与灰铸铁相比 能大大提高抗拉强度 疲劳强度 弹性模量和耐磨性等性能 还有人认为 蠕墨铸铁的金相组织具有筐络结构 筐络结构强化了蠕墨铸铁的组织 使蠕墨铸铁具有良好的机械性能2 在承受润滑摩擦 时 球铁筐络凸起 蠕墨共晶团下凹而储油 从而使蠕墨铸铁具有良好的减磨性能 河南机电高等专科学校毕业论文 20 图4 1V6汽车发动机汽缸体 4 2 汽缸套用材 发动机的工作循环是在气缸内完成的 气缸内与活塞接触的内壁面 由于直接承受 燃气的冲刷 并与活塞存在着具有一定压力的高速相对运动 使气缸内壁受到强烈的摩 擦 造成磨损 气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主要原因之一 根据气缸内壁 工作条件的这一特殊性应选用相应的材料 即缸体用普通铸铁或铝合金 而气缸工作面 则用耐磨材料 制成缸套镶入气缸 常用缸套材料为耐磨合金铸铁 主要有高磷铸铁 硼铸铁 合金铸铁等 为了提高 缸的耐磨性 可以用镀铬 表面淬火 喷镀金属钼或其他耐磨合金等办法对缸套进行表 面处理 河南机电高等专科学校毕业论文 21 图4 2汽车汽缸套 4 3 车身用材的选择 在汽车零件中 冷冲压零件种类繁多 约占总零件数的50 60 汽车冷冲压零件 用的材料有钢板和钢带 其中主要是钢板 包括热轧钢板和冷轧钢板 如钢板 08 20 25和16Mn等 1 随技术进步 制造车身的材料已经不仅仅是钢铁了 越来越多的新材料被应用 到车身的制作中 其中包括 铝合金 碳纤维 塑料 高分子复合材料等等 4 4 汽车保险杠用材 汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力 防护车身前后部的安全装置 年前 轿车前后保险杠是以金属材料为主 用厚度为 毫米以上的钢板冲压成 形槽钢 表面处理镀铬 与车架纵梁铆接或焊