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新金属材料在汽车开发中的应用 李文艳（昆明理工大学工业设计工程专业2011级硕士研究生，云南 昆明 650093）一、前言目前，国内外车身轻量化的研究方向是开发具有较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构。通过多年的探索，已取得了新的进展。德国大众九十年代末开发的路波TDI车型就是采用新设计、新材料、新工艺的综合成果。TDI所有车身部件都是轻质金属制成，包括前挡泥板、车门、发动机罩和尾门，其中尾门的金属外层是铝质，内板是镁制成。汽车的内部设备许多也是轻质金属制成的，如，座椅的框架由铝制成，方向盘的内骨架是镁制成。乘客舱和发动机室之间组合隔板是铝质的。支撑结构通常也是由高强度的薄板金属制成的。为解决新材料的防腐蚀保护和连接，大众采用创新的冲孔铆接法、迭边压接、激光钎焊等技术。路波TDI自重为830kg路波TDI自重为830kg，包括417kg(50.5)的钢、136kg轻质金属(16.4，包括3.7kg的镁)、116kg塑料(14.0)。在保证车身抗扭刚度、使用寿命和安全性的前提下，车身的重量减轻了50kg，汽车的总重减轻了154kg。由于汽车自重大幅度减轻，使得百公里油耗降至2.99升，总能量消耗只是传统汽车的一半。这意味着二氧化碳的排放量也将减少一半，碳氢化合物的排放量降到四分之一，是典型的环保型轿车，也是世界上批量生产的最经济轿车之一。现代对汽车性能要求越来越高，轻量化、节能降耗和降低排放污染是现在汽车发展的趋势，而轻量化必须从改进汽车的材料出发，研制性能更好更轻的汽车材料从而带来能源消耗的减少，进而排放污染随之降低，汽车材料的发展是汽车技术发展的重要方面，新材料新工艺对于汽车工业的发展是至关重要的。二、材料分析1.镁合金和钛合金镁的密度为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。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，如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。2.高强度钢板从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的23倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。美国轿车材料构成要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度1F冷轧钢等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。含磷高强度冷轧钢板：含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强度，比普通冷轧钢板高1525；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20；具有良好的点焊性能；烘烤硬化冷轧钢板：经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一；冷轧双向钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，经烤漆后强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等；超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢（C0.005）中加入适量钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。轻量化迭层钢板：迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.20.3mm，塑料层的厚度占总厚度的2565。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。3.铝合金1923年, 赛车开始使用砂模铸造铝合金车轮毂。第二次世界大战后, 铝合金轮毂用于普通汽车。1958年, 有了铸造整体铝合金轮毂, 以后不久又有了锻造铝合金轮毂。1979年, 美国把铝带成型车轮作为标准车轮。1980年, 联邦德国奔驰公司开始成批采用带材成型铝合金轮毂装备240D 型轿车。日本是世界上生产铝合金轮毂最多的国家, 1973年, 成批生产轿车铝合金车轮; 1977年, 成批生产载货车与大客车铝合金车轮; 1979年, 成批生产复杂摩托车铝合金车轮。在过去的10年, 全球铝合金汽车轮毂产量的年平均增长率达71.6%7。时至今日, 世界上几个主要汽车生产大国已经将铝合金轮毂作为车辆的标准配置。中国铝合金轮毂制造业发起于20世纪80年代末期。20世纪90年代中期, 出现兴建汽车铝轮毂厂的投资高潮; 1998-2001 年期间, 由于国内汽车铝轮毂产能远远大于国内汽车行业要求, 进入了缓慢发展阶段; 2002年至今, 中国汽车制造业快速发展, 出现新一轮投资汽车铝轮毂行业强劲势头8。与钢制汽车轮毂相比, 铝合金汽车轮毂具有如下优点: 重量轻, 可比钢制车轮毂重量减轻30%-40%, 通常使用1kg铝合金, 汽车自重要下降2.25。美国目前每辆轿车用铝合金至100 kg, 可减重225 kg, 按一辆轿车使用10年、行驶400 km 计算, 可节约6.3 t汽油, 效益可观。铝合金汽车轮毂有明显的减重效果, 见表1；减震性能好, 吸收冲击能量强, 从而可以改善车辆的行驶性能, 提高安全性; 导热性好, 热导率约为钢的3倍, 可以降低轮胎的工作温度,提高轮胎的使用寿命;外形美观, 采用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化, 可以很好地满足各类使用者的审美要求。随着汽车安装ABS普及率的提高, 为了减轻非悬挂件质量和减轻刹车系统的负荷, 铝合金轮毂的使用正变得越来越普及9。据统计, 轻型车上铝合金轮毂的使用率现已达到50% 左右, 有的国家已经超过60%。轿车用铝合金轮毂大致可分为一体式和组合式两类。一体式可用铸造或锻造两种工艺生产, 适用的铝合金有A 356.2、AC4C、H5052 等。组合式(二片型或三片型) 轮毂的轮辋多由板材成型, 轮辐则由板材成型或锻造成型, 适用的铝合金有5054.O、5052.O 和6063.等。汽车采用铝合金轮毂后件重效果明显, 轻型车使用铝合金轮毂比传统钢制轮毂轻30%- 40% , 中型汽车可轻30% 左右。美国森特来因. 图尔公司用分离旋压法制出的整体板材( 6061合金) 车轮, 比钢板冲压车轮重量减轻达50% , 旋压加工时间不到90 s/个,不需要组装作业, 适宜大批量生产。另外, 相同外径尺寸的轮毂使用铝合金轮毂抗压强度还有所提高。铝合金轮毂由环状轮圈与盘状轮盘即辐板两部分组成, 其制造方法总体上分为焊接法、铸造法和锻造法3种。汽车轮毂材料的更新换代对提升汽车安全性能、节能减排降耗有着重要的意义, 在交通工具回归自然的大趋势下, 开发符合性能要求的轮毂材料及制备工艺, 在原有基础之上, 高性能、轻质、节能、环保轮毂材料将会得到更多的实际应用。三、结语伴随着我国汽车工业的全面发展，社会拥有量的大量增加，汽车在国民经济中的地位显得越来越重要。汽车新材料的发展