日本汽车新材料发展综述方案

1、日本汽车新材料发展综述日本汽车新材料发展综述时间:2009-12-1910:10 来源:汽车和配件 作者:王建萍 近年来随着全球经济的发展，能源问题和环保问题日益受到人们的关注，汽车 行业面临壹系列新的问题。诸如，壹方面汽油价格于不断地创新高，安全法规 越来越多，汽车排放指标的更新版本于不断地发布，另壹方面全球化竞争愈演 愈烈，降低汽车成本压力越来越大。面对这些课题，人们对新材料技术研发寄 予了厚望。近年来日本汽车行业于材料技术研发方面，诸如钢铁、有色金属、 非金属等，出现了壹些新的动向。钢铁材料1. 钢板材料 车身和底盘的轻量化对于提高燃油经济性和削减 CO2 具有重要意义。目前，解 决该问

2、题的有效手段是使用具有高撞击安全性的高强度材料。 从车身高强度材料的应用情况来见，汽车外板如发动机罩、车门、行李箱、侧 围外板等处已经应用了 340MPa 级烘烤硬化型钢板 （以下称为 BH 钢板 ）和 440MPa 级高强度材料。车身骨架部件目前流行使用 440MPa 和 590MPa 级高 强度材料。 590MPa 级高强度材料大体分为析出硬化钢、双相钢 （以下称为 DP 饮）和相变诱导塑性钢 （以下称为 TRIP钢）三种。 DP 钢比析出硬化钢的屈服强度 低、延伸性高； TRIP钢比 DP钢的延伸性高、能量吸收性能好。另外，仍有壹 部分 780MPa 级和 980MPa 级的高强度材料也

3、被应用， 780MPa 级高强度材料 主要使用 DP 钢和 TRIP 钢， 980MPa 级的高强度材料主要使用 DP 钢。另外， 随着高频淬火和热冲压成型技术等新的热处理技术的应用，零部件高强度化技 术得到进壹步发展。热冲压成型技术就是对加热的钢板进行冲压的同时仍进行 冷却淬火，这样零部件抗拉强度可达 1470MPa 。 汽车行驶部位的部件形状复杂，强度要求高，焊接性能要求也很高，所以高强 度钢板应用很困难。可是近年来人们为了提高成形性，开发了TRIP 钢；为了提高扩孔加工性，开发了贝氏体钢；为了确保焊接接头疲劳强度，开发了耐 HAZ（ 保持热影响区性能 ）的软化钢板，其强度为 590MPa

4、 级，有的可达 780MPa 。 以前汽车的耐腐蚀钢板多为各种镀锌钢板，近年来，热浸镀锌铜板 （GA） 成为了 主流。为了提高冲压成形性，对 GA 上敷覆无机类或有机类起润滑作用的氧化 膜，该工艺得到了推广应用。人们仍进壹步开发了耐腐蚀性好的Zn-AL Mg镀锌板，主要为了省略后面的电镀工序，这已于汽车上得到了广泛应用， 于环保方面，由于 EU-ELU 对报废汽车的规定 ）对特定的环境污染物进行了使用 限制，人们开发了无六价铬表面处理技术代替以往的电镀钢板中使用含有铬酸 盐“钝化”处理的六价铬。油箱钢板不应含 Pb ，所以当下不再使用过去的 Pb- Sn 合金电镀钢板而采用 Sn-Zn 电镀钢

5、板、镀铝钢板。 混合动力车实现了提高燃油经济性和轻量化的目的，随着技术的进步，驱动 电机的铁芯材料即电磁钢板的需求量越来越大，和此同时，要求驱动电机小型 轻量化、高效率化，为此有必要开发最优性能的电磁钢板及其应用技术。2. 结构用钢 结构用钢大多用于发动机、变速器、底盘等强度要求高的部件上，它们不仅需 要低成本、高强度、轻量化，而且仍需要环保。发动机的连杆、曲轴等部件通 过省略热处理而降低制造成本，广泛应用非调质钢，且且仍于向更高强度化发 展。 曲轴由于于轴颈圆角处进行了高频淬火，增加了强度。这样我们能够用低成本 的钢材而获得较高强度的性能。涨断式连杆的大头不进行机械加工，而进行涨 断分离加工

6、，贴合也非常好。自动变速器内壹些零件要求耐磨性和高疲劳性能 的材料。另外仍探讨使用新材料、高浓度渗碳、喷砂等新工艺。差速器齿轮过 去使用 CrMo 钢，而当下添加了 B 进行晶界强化，仍开发了低循环疲劳强度高 的钢材。 于环保方面，欧洲比较流行使用低压渗碳、气体淬火技术。为了减少环境污染 物，仍开发了无铅材料。3. 不锈钢 由于不锈钢的耐热性和耐腐蚀性好，所以被用于发动机和排气系统的部件上。 对于单层排气管，铁素体不锈钢是最佳的选择。随着排气温度的不断上升，它 既能满足小型复杂零部件的耐热性，仍具有良好的加工性。对于薄壁化结构的 双层排气管，添加 REM（稀土金属 ）的奥氏体不锈钢是最佳的选择

7、。它既能提高 耐热性，又能使催化剂早期地活性化。目前这些技术均处于实用化阶段。4. 铸铁材料 铸铁廉价且形状设计自由度大、切削性好，对于复杂形状的部件，控制化学成 份和组织，能够带来优良的特性 （高强度、高耐热性、高耐磨损性 ）。常应用于发 动机的缸体、曲轴、凸轮轴和排气管等处。缸体的轻量化除了使用铝铸件，仍 使用蠕墨铸铁，控制熔化过程的石墨组织，使之付予壹定的性能，同时应考虑 轻量、高强度、高韧性。壹体化的涡轮壳和排气管的铸件采用了耐热不锈钢铸件，它是通过真空吸铸来 达到薄壁化。于底盘部件中，钣金焊接件也换成了壹体结构的薄壁球墨铸铁，如摇臂类部 件。过去由于铸铁焊接困难，所以把价格昂贵的钢铸

8、件和桥壳进行焊接，而当下的 做法是于铸造时，把球墨铸铁和钢进行结合，从而达到低成本和轻量化的目 的，这样的桥壳已处于实用化阶段。5. 铁基粉末冶金材料 由于粉末；台金的设计形状自由度较大，认为能够替换钢材。可用于气门座和 气门导杆。近年来压粉磁芯材料应用较为广泛，电机芯子通过增大形状自由度 来达到小型化，且且回收利用性高。喷射器的定子铁芯通过高密度成形技术可 提高其性能。为了提高机械性能，人们于研究使用液相烧结来使物质迅速扩散 的方式，代替过去添加 Cu 、Mo 、M 合金元素的方式。制造工艺的动向是：提高致密度，改进成形方法，现已应用于发动机的链轮和 喷射器转子铁芯上。仍有壹种方法是烧结扩散

9、结合法，就是多数部件于烧结的 同时进行焊接的方式。有色金属材料1. 铝合金铝合金的比重为 2.7，是铁的 1/3 ，和其它材料相比，轻量化效果好，成本较 低，耐腐蚀性和回收利用性也好，被广泛地应用于发动机、传动系统、车身和 底盘部件。铝合金分为铸件、锻件、板材和轧制件，汽车上所用的铝合金主要是铸件。铸 件的主要制造方式有重力铸造、压铸、低压铸造和液锻。尤其是压铸铝合金， 尺寸精度和生产率很高。铝合金常应用于缸体、缸盖、变速器壳和接头上。主 要的难点是容易产生气孔，目前的措施是使用真空压铸。过去副车架的做法是 把液压成形铝制管子和冲压成形的多片铝制板焊接于壹起，而当下副车架是壹 体化结构。再加上

10、，真空压铸横粱和热膨胀横梁之间进行了金属极惰性气体保 护焊，副车架的零部件数和焊接长度也比过去减少了。要想铸造高质量的厚壁部件，壹般使用半凝固半熔化铸造法。欧美壹般使用 半熔化铸造法，需要进行钢坯预制、剪切和再加热。日本是直接从熔化铁水制 作半凝固泥浆来进行铸造，目前已应用于盘式制动钳和缸体上。锻件机械性能比铸件好，广泛地应用于悬架臂和转向节等零件，目前的问题是 成本高。要想降低锻造毛坯的成本，通过添加微量元素，改善冶炼工艺提高表 面质量，开发无清理工序的钢坯。近年来日本许多厂家使用铝制车身、车门。要想降低铝材的成本，就要开发含 杂质容许值高的、低成本基体金属的连续铸造材料，目前已被应用于发动

11、机罩 加强件上。超塑性成形工艺以前只用于小批量生产的高档车上，目前通过提高 生产率和改善材料成本、提高成形性被应用到了批量生产车上。副车架当下采用于高温下膨胀成形，使复杂形状的成形成为可能。2. 镁合金 镁合金的比重是 7.8，比铝合金轻 2 3，强度和刚性也很好，作为轻量化材料 壹直倍受人们的关注。可是除压铸外，其它的各种成形适应性差，再加上耐腐 蚀性差、基体金属成本高、耐热性差，应用上受到了局限。通过减少杂质能够 大幅度提高耐腐蚀性，其实它且不比铝合金压铸逊色。从目前日本国内汽车部件的应用情况见，压铸性能和耐腐蚀性能好的 AZ91D 合 金主要应用于缸盖和各类密封垫上，延性好的 AM 类合

12、金 (AM50A ，AM60B) 主 要应用于转向器芯棒上。大多应用于没有腐蚀性和环境温度不高的小部件上。 欧美的情况是，应用于仪表板骨架和有耐热性要求的驱动部件的罩类上。 近年来，日本国内镁合金应用于座椅和仪表板骨架等大部件的情况已进入了实 用化阶段。于镁合金中添加 Ca 和稀土元素，提高其耐热性，目前已开始应用于 机油盘壳和变速器壳上。如果耐热镁合金部件的成本进壹步降低的话，应用范 围仍会更加广泛。除铸造成形工艺外，仍有锻造、挤压、轧制和焊接的新工艺也处于研究开发之 中，今后研究成果将层出不穷。非金属材料1.陶瓷材料 陶瓷中分为氧化类、非氧化类、烧结体、膜和纤维材料等，从特性上来分，分 为

13、工程机械陶瓷和电陶瓷。工程机械陶瓷材料具有高强度、高刚性、耐热性和耐磨性等机械特性。主要应 用于汽车以氮化硅为材料的涡流增压器转子、柴油发动机的涡流室、燃油喷射 泵的滚轮和滚轮衬套上。电陶瓷材料具有高绝缘性、高传热性和压电特性。氧化铝陶瓷应用于火花塞 上，氧化锆应用于排气控制不可缺少的氧传感器上，压电材料应用于门锁控制 中的车速传感器上。2.塑料材料 塑料材料由于造型容易、重量轻、成本低而受到汽车行业的青睐，尤其是形状 变化自由度大，过去主要用于汽车的内外饰造型部件上，而当下的趋势是用于 使用条件苛刻的功能部件上。随着“汽车回收再利用法”的出台和环保意识的 加强，人们开始使用环保的生物分解性塑

14、料 (聚乳酸 )，该材料便于回收再利用， 且且人们按照回收再利用流程对材料的种类进行整合。（1）外装部件：聚丙烯 （PP）类材料的性价比好，而且刚性高，耐撞击性好。为了 满足个别部件的造型性和耐撞击，于外延翼子板、包层钢板、摇臂、后围板上 采用了和保险杠相同的材料。虽然聚酰胺 （尼龙）聚苯醚 （PA PPO）类的工程塑料是发展的主流，可是聚碳酸 脂（PP）类通用塑料的开发也正于进展之中。 PC 材料的遮阳板、侧窗玻璃的树脂 化研究也于进行中，壹部分部件已被应用。提高抗划伤性和耐气候性是今后的 课题，随着表面处理技术的提高，今后应用将更加广泛。 外装部件具有代表性的新技术是“干漆膜” （采用熔融

15、树脂注塑成型法的已成型 漆膜作为嵌入件 ），又称为“压入着色薄膜 （将聚丙烯共聚物注塑于压入着色膜的 背面）”和材料着色技术，壹部分部件已进入了实用化阶段。为了提高生产率和 产品质量，进壹步降低成本，低压成形技术、壹体成形技术和发泡成形技术等 新的制造工艺层出不穷，和之相匹配的新材料开发也于进行之中。（2）发动机部件： PA（聚酰胺 ）、POM（ 聚甲醛）、PPS（聚苯硫醚 ）等工程塑料大多应 用于使用条件恶劣的发动机舱内。对缸盖、进气歧管、散热器用塑料，人们大 多采用具有耐热性和刚性好的玻璃纤维增强的 PA66 和 PA6 。部件数较多的发 动机，为了减轻其重量，工程师们正于研究壹体化部件，

16、这种材料壹般用于汽 车的前端模块、风扇罩和节气门等处。（3）其它：对于燃油系统的油箱，为了加大燃油器内空间和满足防锈性和轻量化 需求，人们广泛地采用多层结构吹塑成形的高密度聚乙烯 （PF）。对于底盘和驱动 系统的部件，其球接头采用滑动性能好的 POM ，齿轮部件采用 PA66 。电装部 件采用绝缘性好的 PBT（聚双苯二甲酸丁二醇酯 ），比如插座处采用该材料。3. 内饰材料 考虑到内饰塑料材料的回收再利用性、轻量化和成形性， PP 类树脂的应用越来 越广泛。然而，从设计和成形方面考虑又对其种类进行了整合。 以前仪表板表皮采用聚氯乙烯 （PVC），发泡层采用聚氨酯 （PU） ，基材采用 ASG（

17、玻璃纤维强化 AS 树脂）。目前考虑到环保，表皮不使用 PVC 而使用热塑性 聚氨酯 （TPU）或热塑性聚烯烃 （TPO），基材使用 PP类材料。 对于车门内饰，对 PP 类基材进壹步施加了轻量化技术，即通过化学发泡剂进行 喷射发泡。由于 CO2 的排放导致地球的温室效应，为了实现循环经济，将来采 用以植物为原料的塑料 （生物塑料 ）件来代替石油类的塑料件。 为了提高汽车室内空气质量，减少 VOC（ 挥发性有机化合物 ）是很有效的手段。 内饰部件对室内空气质量影响很大，所以选择材料非常重要，仍要考虑涂装和 表皮粘结技术 （材料及工艺 ）。4. 橡胶材料针对汽车的挥发性物质， 2004 年由 L

18、EVII 进行法规约束， 2005 年以后开始由 P-ZEV 进行法规约束，因此，燃油管开始使用氟树脂，密封垫开始采用氟橡胶 （材料的低温性能比过去高 ）。壹方面使用共轨柴油系统来提高燃油温度，另壹方 面使用氟橡胶来提高耐热老化性和耐酸性。另外，由天然气制取生物燃料 （GTL）、DME（ 二甲醚 ）和高浓度乙醇已受到了人们的关注，和各种燃料相对应的 材料开发仍于不断进行。欧洲的柴油车比较多，因此耐高温涡轮增压器软管使 用的橡胶比较多。于燃料电池和蓄电池方面，更多地采用耐水、耐酸、密封性 好的橡胶材料。另外，制动软管也使用耐久性和制动感好的低膨胀材料。 对于风挡玻璃胶条，由溶剂型表面处理剂改为水

19、系表面处理剂。 对于轮胎，模拟设计技术和硅橡胶的有机配合使汽车油耗得到了降低，目前采 用的新型缺气保用轮胎于零气压状态下也能运行几十 km 。另外，各公司不断地 推出新的生产系统，即通过小型设备满足多品种少批量生产要求，它不仅能提 高轮胎的均匀性和平衡性，仍能节省能源、提高生产效率。 于研究和分析领域中，仍使用 3D-TEM（ 三维穿透电子显微镜 X 线断层照相术 ）、 AFM（ 原子之间的力显微镜 ）和毫微加工技术。仍于粘土的混合 （clayhybrid） 、纳 米混合 （nanoblend） 和纳米能变 （nanorhe-ology） 等方面进行研究。5. 玻璃 随着汽车安全性的提高，除了使用钢化玻璃、防止飞散的夹层玻璃外，仍给汽 车部件赋予了新的功能。比如：下雨天，所附着的水滴形状均匀且具有很高滑 落性的不粘水玻璃、夏天车内温度升高，太阳直射到皮肤上让人感到不舒服， 可切断红外线照射的旧玻璃、防晒和防止内饰材料老化的可切断紫外线的 UV 玻 璃。尤其是于下雨天，为了确保良好的视野，给车门后视镜赋予了憎水性能和 亲水性能，给车门玻璃赋予了憎水性能。由于考虑到材料的可回收性，采用了 无铅层，于夹层玻璃的中间膜处采用可回收再利用的新技术。 使用对树脂成形