金属材料在汽车上的应用.doc

金属材料在汽车上的应用机械本101-18-王庆杰随着科技的不断进步，汽车工业的主体技术正步入转型换代的时期，以机械技术为主的传统汽车技术将被微电子信息技术、新材料技术、新工艺技术和新能源技术等高新技术所取代，轻量化、智能化、节能、安个利环保是当今汽车技术的重要发展方向，其中汽车轻量化成为当前汽车技术最重要的发展方向，它包括两大方向：一是基于改善汽车燃汕效率的轻量化，研究表明车重每降低10%，燃油效率可提高68%；二是基于提升汽车性能和安全性的轻量化。作为汽车轻量化的对策，如何降低汽车制造中消耗量最大的钢板的质量以及如何使用其它轻质材料就成为至关重要的课题。1、高强度钢板的应用普通低碳钢具有很好的塑性加工性能，强度和刚度也能满足汽车车身的要求，因此在车身上应用很广。但为满足汽车轻量化要求，各种类型的高强度钢板在汽车用钢板中的使用比例日益提高。1.1结构用高强度钢板传统汽车结构用高强度钢板是以添加各种合金成分(如添加固溶强化型元素硅、锰等)而成的固溶强化型钢板和析出强化型(如析出强化型元素铌、钛等)钢板为主，是制造车体结构的主要材料。它的特点是屈服点低、复合成分多，其抗拉强度可达到440MPa，是普通低碳钢板的2-3倍，同时它的深拉延性极好，可轧制成很薄的钢板，因此是车身轻量化的重要材料，例如原来用厚度1mm的钢板做侧面板，而采用高强度钢板厚度可减到0.8mm，既能满足性能要求又能大大降低车身的质量。由于可有效地减轻汽车自身的质量，这种高强度钢板的使用已越来越广泛，产品也在不断地升级。近年来，许多新研发出的车型都采用了590MPa级甚至是980MPa级的高强度钢板。1.2低合金高强度钢板低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度无间隙固溶冷轧钢板等。进行车身设计时可根据板制零件的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：这种钢抗拉强度可达340460MPa，比普通冷轧钢板提高了15%25%，其强度和塑性的平衡性较好，即随着强度的增加伸长率和应变硬化指数下降甚微，另外它的耐腐蚀性较好(比普通冷轧钢板提高20%)，点焊性能也较好。基于以上优点，含磷高强度钢在车身内、外板上均有广泛的应用，像轿车外板、车门、顶盖、行李箱盖升板及载货汽车驾驶室的冲压件等都可采用这种钢板。最重要的是，如适当使用含磷高强度钢板可使材料消耗降低10%。烘烤硬化冷轧钢板(BH钢板)：BH钢是通过适当的退火工艺控制固溶碳原子数量，达到冲压前低屈服强度，再经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理后得到的，它的屈服强度得到了明显提高(可提高4080MPa)，因此说烘烤硬化冷轧钢板既薄又有足够的强度且它的抗凹陷性好，所以BH钢是车身外板轻量化设计时首选材料之一。冷轧双相DP钢板：它的特点是屈服强度低，强度高(可达560-1030MPa)，加工硬化指数高且成型性较好。简单说DP钢板的屈强比低，加工硬化高且兼备高强度和高塑性的特点。因此这种钢板适用于制造变形程度大且要求强度高的车身零部件，如车门加强板和保险杠等。更具吸引力的是根据其成型特点，使用DP钢可使零部件的质量减轻30%60%。无间隙固溶钢板(钢板)：它属于超深冲汽车用钢板，在经过冷轧和连续退火后可获得低屈强比和高延伸率等性能，或者说这种钢具有极为优良的深冲和拉延性能，可以用来冲制各种复杂形态的汽车冲压件。超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢(含碳量小于0.005%)中加入适量的钛或铌，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，实现了高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件。1.3轻量化迭层钢板迭层钢板与具有同样刚度的单层钢板相比，质量减少了近43%。由于这种迭层钢板的隔热防振性能良好，因此常用来制造发动机罩、行李箱盖及车身底板等零部件。1.4新型弹簧钢新型弹簧钢主要是指汽车悬挂系统的弹簧用钢。目前使用最广泛的钢板弹簧是硅钢。但有一点值得注意的是由于其生产工艺发生了相应的变化，含硅高的弹簧钢具有较高的脱碳倾向，因此不能只追求高强度化，还要兼顾永久变形性、疲劳强度及腐蚀环境下的疲劳寿命等因素，所以说低硅或无硅弹簧钢的发展是今后变化的趋势。1.5微合金非调质钢采用棒材和线材作原料的构件，多数加工后需要进行调质热处理。微合金非调质是指在钢中加入微量的钒、钛、镍等元素，经过锻造或轧制冷却后在铁素体和珠光体中析出碳化物或碳氮化合物，这样在达到高强度和保证韧性的同时又省去了调质处理，减少了热处理工序和设备，避免热处理变形和淬火裂纹造成废品，降低了能耗和成本。1.6新涂漆钢板欧洲汽车制造厂采用涂覆树脂(含有锌粉等防锈颜料)的镀锌钢板作汽车外板以达到很好的防锈效果。使用这种新涂漆钢板作为车体材料时，车体12a内不会发生穿孔现象。2、其他金属材料在汽车制造中的应用2.1铝合金与汽车用钢板相比，铝合金具有密度小(27g/cm3)、比强度高、耐腐蚀、热稳定性好、易成型、可回收及再生等优点，而且技术也较成熟。另外由于所有的铝合金都可以回收再生利用，因此铝合金深受环保人士的欢迎。铝材料在汽车上的运用，可以提高安全性，减轻车身质量。由美国密歇根州铝业协会公布的2项研究表明：通过有选择地采用铝材料不仅可以减轻车身的质量，而且可以提高其安全性和燃料的使用效率。SUV车身设计中使用铝材料后，其性能得到了提高，使用铝材料车身质量可以减轻40%，同时在性能上，和传统使用钢材料能达到一致。因此铝质车身使SUV成为大容量及轻质量的汽车，而这将适合新一代的“城市SUV”性能要求。2.2镁合金镁合金不仅是质量轻，而且与铝合金相比，它的强度较高，同时镁合金还具有阻尼性、导热性好、电磁屏蔽能力强及尺寸稳定性好的特点，这些优良的性能使镁合金在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。例如，有一种由镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净重比传统的钢制车门轻10kg，刚度却大幅提高了。2.3铝基复合材料铝基复合材料质量轻、比强度高、比模量高、抗热疲劳性能好及耐磨性好，是金属基复合材料中应用最为广泛的一种材料。例如，本田汽车公司开发成功的由不锈钢丝增强的铝基复合材料的比强度和比模量是基体铝合金的2倍，用这种材料制成的连杆比起钢制连杆来，质量减轻了30%。2.4钛合金钛合金适用于制造悬架弹簧、气门弹簧和气门。用钛合金制造板簧与用抗拉强度达2100MPa的高强度钢相比，自重又能降低20%。但使用钛合金时必须注意的一个问题是当合金强度达到某一水平之后，疲劳强度对抗拉强度有逆依存关系。低成本的钛合金被用于特殊汽车卷弹簧的设计上，因为钛合金具有低密度，低弹性系数和优良的抗腐蚀特性。例如，LCB弹簧能够像钢质弹簧一样，旋紧相同的设备。钛金属的切割系数也是钢的一半，故在弹簧尺寸上可以减小20%。因此，LCB钛合金制成的弹簧可以替代钢质弹簧使其质量上减轻40%。3、汽车材料应用的现状我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的。近些年来，先后开发出了一批轿车国产化急需的金属材料和非金属材料，促进了国产汽车材料的技术进步。但是同美、日、德等发达国家相比我国汽车工业整体技术水平还比较落后，汽车材料领域的差距更大，有些高端产品仍要从国外进口。所以说，国内汽车材料领域的现状还不能满足我国汽车工业的发展需要。4、汽车材料的发展趋势众所周知，要想保证汽车的安全和舒适就要增加汽车车身的质量；要保证汽车的节能性和环保性就要降低汽车车身的质量。从表面上看，这两方面是相互矛盾的，但是在科学技术日新月异的今天，各种轻质材料的开发与使用就很好的解决了这一问题，进而人们越来越关注轻质材料了，轻质材料的生产工艺也越来越成熟了。实践证明这些轻量化、高强度化、高防锈能力、好的加工性能和减振性能的轻质材料不仅可以保证汽车的各项性能要求又能有效地减轻汽车自身的质量。最新资料显示，轻质材料的大量使用使得汽车自身质量与过去相比减轻了20%60%，预计在未来的10a内，轿车自身质量还将继续减轻20%。从另外一角度讲，轻质材料的使用与发展也带动了生产工艺的革新。例如：为使驱动系统齿轮能满足高功率输出、轻量化和降低噪声等要求，在钢铁材料的制造过程中采用了连续铸造法，用这种方法生产出的钢材具有冷却速度快及成分偏析少的优点，这种方法与制钢时真空脱气技术相结合，可以满足对齿轮的强度要求。当然，这些新型材料的使用也需要考虑成本问题。例如，镁的比重只有铝的0.64，因此只有将两者的价格差控制在1.7倍以下，才有可能批量使用镁。钛合金的价格也非常高，这在一定程度制约了它的使用。双相钢的生产加工工艺也较复杂，因此它的价格也偏高。所以解决好成本问题才能大规模使用这些新型的轻质材料。5、结论从以上的论述中可以看出当前世界汽车材料技术发展的主要特征是：1)轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向；2)各种材料在汽车上的应用比例正发生变化，主要是高强度钢、超高强度钢、铝合金及镁合金等材料的用量有非常大的增长，而铸铁、中、低强度钢的比例将逐步下降；3)轻量化材料技术与汽车产品设计和制造工艺的结合将更为密切，汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向发展。4)更重视汽车材料的回收技术。5)电动汽车、代用燃料汽车专用材料以及汽车功