碳碳CC复合材料活塞.doc

1、 碳/碳（C/C）复合材料活塞碳/碳（C/C）复合材料（碳纤维增强碳基复合材料）是一种先进的战略材料，不仅广泛应用于航空航天和军工领域，在铸造以及其他交通装备制造中，也在逐步扩大应用。该材料具有很好的理化性能与力学性能。如：热膨胀系数低（15x10-6/），约为铝合金的1/10；导热率高(150180W/m.K)；密度小（约为1.8g/cm3），是陶瓷的1/21/3；摩擦性能好（摩擦系数为0.20.3），且具有自润滑作用；热冲击性能好；高温性能优异（3D C/C复合材料在1700C及惰性环境下的抗弯性能为571.9Mpa）。在温度高于3000时，C/C复合材料具有比铝合金更高的强度。因此，C/C复合材料很适合用作内燃机的活塞材料。使用C/C复合材料活塞，具有3个明显的好处：1)减小了活塞的质量，由此可提高柴油机的热效率和机械效率；2)提高了活塞的使用温度，如在活塞顶镀敷CVR硅基涂层，其使用温度可更高。3)如汽缸套也用C/C复合材料制造，缸套与活塞的匹配间隙会很小，这有利于进一步提高柴油机的机械效率。目前，C/C复合材料活塞在大功率内燃机车柴油机上应用的试验研究，国外已有相关报道。从短期发展来看，铸铁和铝合金在内燃机车活塞材料中仍将占主导地位。但从长远发展来看，随着柴油机功率的提高和C/C复合材料技术的日益成熟及成本的逐步下降，碳/碳（C/C）复合材料活塞肯定会取代当前其他材料的活塞，它必将成为未来内燃机发展的核心高新材料。2、 活塞环的复合陶瓷薄膜强化技术长期以来，柴油机使用的是喷钼活塞环。实践表明，喷钼环存在活塞环节断、喷钼层剥离而造成拉缸、活塞环与环槽磨损大导致窜气等问题。采用先进的复合陶瓷薄膜强化技术，对活塞环进行表面处理，可有效改善其各项性能，经济效益显著。复合陶瓷薄膜强化技术是采用低温等离子化学气相沉积（CVD）新工艺，在电场作用下，使含N、B、Si的有机烷类发生电离，在摩擦副的表面生成复合陶瓷薄膜，经陶瓷薄膜与基体材料间的相互扩散，在金属表面形成一种具有网络结构和微粒子结构的新的功能材料。它能提高金属基体表面的硬度、耐磨性、韧性、抗氧化性和耐腐蚀性，并可降低其表面的摩擦因数，达到高效、节能和节材的目的。复合陶瓷薄膜强化的活塞环与喷钼环相比，具有下列优点： 提高了活塞环的表面硬度，约为母体环显微硬度的1.52.5倍，具有较高的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性； CVD技术实现了低温下金属表面及镀层材料间的相互扩散，基体与镀层结合力强，活塞环表面不会产生剥离； 它具有很好韧性，防止了活塞环的节断； 因活塞环表面形成了微晶体与网络结构并存的薄膜，使其具有较好的储油性，改善了环与汽缸壁的润滑性能，增强了耐磨性，导热性，提高了密封性能，对节省燃油、机油、降低排放具有显著效果。牵引齿轮渗碳后直接淬火工艺齿轮渗碳后淬火一般有直接淬火与重新加热淬火2种方式。前者是渗碳后直接在油中淬火；后者是渗碳后先冷却到室温，然后在重新加热到奥氏体化温度保温后在油中淬火。直接淬火因只需加热1次，能耗少，成本低，且零件变形小，因此具有明显的优点。该工艺目前已在汽车齿轮行业得到了广泛的应用，但在铁路机车齿轮行业，因齿轮的金相检验标准比汽车的要求更高，故尚未推广应用。中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所对机车牵引齿轮常用的6种渗碳钢：15CrNi6、17CrNiMo6、20CrMnMo(1)、20CrMnMo(2)、20CrNi2Mo、20Cr2Ni4，进行了大量的试验研究，并对地铁齿轮和DF7G从动齿轮进行了渗碳后直接淬火的试验。通过试验与分析以及实际应用后，得出如下结论：1） 采用渗碳后直接淬火工艺强化的齿轮，其原材料的奥氏体晶粒度应在8级以上，钢中的酸溶铝含量应在0.030%0.045%之间，Al/N值在35之间，以确保齿轮具有较细的心部组织。2） 采用渗碳后直接淬火工艺强化的齿轮，其表面碳浓度应控制在低限，如：含钼钢20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6，其表面碳浓度应在0.8%以下，而铬镍钢15CrNi6、20Cr2Ni4的表面碳浓度应不超过0.75%。3） 采用渗碳后直接淬火工艺强化的齿轮，其硬化层深度、组织、硬度均符合有关铁标的技术要求，且热处理变形小、工艺周期短。因此，该工艺值得在机车渗碳强化的牵引齿轮上推广应用。 3、 制动盘的新材料、新工艺3.1 铝碳化硅复合材料制动盘铝合金制动盘一方面由于磨损严重,另一方面有抱闸可能,所以,其摩擦性能难以令人满意。采用碳化硅粒子增强的铝基复合材料(CMA)制动盘具有许多优点。这些碳化硅粒子在限制磨损的同时改善了制动盘的摩擦性能。一般而言,铝合金基体具有耐高温机械性能。最好采用如AS7G06、AV4NT或AS18UNG等牌号的铝合金,增强材料碳化硅的粒径为12Lm,所占体积百分比为8%20%。采用“Vortex”法制备CMA制动盘。即：向装有半流体状态铝合金的烧包内逐渐加入增强材料,然后机械搅拌以获得混合效果；待增强材料分布均匀后,迅速将浇包温度升高至液相线以上2030,以便借助于重力向砂型或钢制模型内浇注制动盘。这种制备方法操作简单,且限制了增强材料和基材之间的化学反应。机械搅拌半液体混合物缓和了混合物粘稠化,避免了增强材料和基材之间的偏析和纤维(增强材料)的团聚。重力浇注适用于制造含少量纤维(VF10%)、形状简单的铸件。对直径160mm、厚15.75mm的制动盘，宜采用铝合金AS18UNG基体和平均粒径为12Lm的碳化硅粒子。碳化硅粒子的质量分数确定为8,浇注的厚度应具有和厚11.25mm钢制动盘相同的热容。这种制动盘被称为“AS8%”制动盘。3.2 金属陶瓷涂层NiCr-Cr3C2制动盘采用等离子喷涂获得的金属陶瓷涂层NiCr-Cr3C2的硬度可高达800HV。它与新开发的钛酸铝闸片匹配时,证明其不但具有稳定的摩擦因数,同时也显示了特别好的性能。因钛酸铝具有极佳的高温耐冲击强度和适中的硬度(420HV),它已成为一种很好的闸片材料。经对盘形制动装置进行的试验：制动盘的表面涂层采用NiCr-Cr3C2材料(厚度为250Lm),底涂层采用NiCrAlY材料(厚度为80Lm)，闸片采用钛酸铝Al2TiO5相匹配，它使“金属陶瓷涂层制动盘和陶瓷闸片”这一对摩擦副具有优良的耐磨性和稳定的摩擦因数。各国正在使用及研究开发的制动盘材料及性能比较见表1。表1 各国正在使用及研究开发的制动盘材质材 料 特点 强度(Mpa) 密度(g/cm2) 用途 研究的国家分 类 材料名称 铁系金属材料 铸铁系 片状石墨铸铁 摩擦特性稳定、价廉 250 7.2 客车、动车 各国 Ni-Cr-Mo低合金铸铁 摩擦特性稳定、合金化 250 7.2 高速动车 日本、德国 蠕虫状石墨铸铁 高强度石墨形状改变 500 7.2 旧线动车、客车 英国、日本 奥氏体等温淬火处理铸铁 高强度热处理 400 7.2 正在研究 日本 铸铁铸钢包层材料 摩擦材料+强度材料复合 200+500 7.2+7.8 新干线高速动车 日本 钢系 铸钢 高强度耐热裂 800 7.8 ICE等 日本、德国 锻钢 高强度耐热裂 800 7.8 日本新干新、TGV、ICE 日、法、德国复合材料 非金属系 碳/碳纤维复合材料 质量轻耐热裂 150 1.51.8 在研、在TGV试用 日、法、德、英国 金属系 铝合金基复合材料 质量轻耐磨 300 2.9 在研 日、法、德、英、美4、制动闸片的新材料、新工艺4.1 粉末冶金闸片4.1.1闸片的材料组成用于高速列车的粉末冶金闸片，必须保证下述基本条件：磨擦表面不发生黏结；具有给定的摩擦因数值；必需的耐磨性。粉末冶金闸片主要由金属基体、摩擦稳定剂和摩擦剂等材料组成。 金属基体，闸片的金属基体要有足够高的熔点、耐热强度、热稳定性及抗塑性变形能力。在铁基材料中加入适量的铜，可以提高其导热性能，但铁基材料的硬度较高，对制动盘磨耗较大。在金属基体中加入适量的镍、铬、锰、钼、钒等合金元素。可以提高其热容量和耐磨性。 摩擦稳定剂材料。使用摩擦稳定剂是为了减少或消除闸片的黏结和卡滞，促使其摩擦平稳、减小其表面磨损。常用的摩擦稳定剂材料有：石墨、钼、铜、锌、钡、铁等的硫化物、氮化硼及锡、铋、锑等低熔点金属。 摩擦剂材料。这种材料的作用在于补偿固体润滑剂的影响和在不损害摩擦表面的前提下增加滑动的阻力。常用的摩擦剂材料有：硅、铝、铬的氧化物，碳化硅和碳化硼、矿物质（铸石、莫来石、蓝晶石、硅石灰）等。4.1.2闸片材料的选择针对高速列车粉末冶金闸片的特点，考虑到各种成分的相互影响和作用，建议采用以下材料和方法： 合金基体。铜具有高导热率，能保证制动过程中散热良好，但不能用纯铜粉作为摩擦材料的基体，因为它易黏结在制动盘表面。为使其具有高的耐热性和改善摩擦特性，可加入4%12%的锡，使之合金化。 铜合金基体中加入适量的锰、钼、钨、铁、镍、钴元素，增强其热容量且易于氧化，从而可吸收摩擦过程产生的大量热能。 在材料中加入适量的锡、铅、锑等易熔金属。当摩擦表面温度超过易熔金属熔点时，易熔金属便熔化并在摩擦表面形成薄膜状，这可降低摩擦因数和摩擦表面的温度。随着摩擦表面温度的降低，熔融金属又重新凝固，使摩擦因数又恢复到原有水平。因润滑膜的形成而使滑动平稳，这在高温摩擦时非常重要。 石墨对摩擦材料很重要，它既抗卡又润滑。为了获得稳定的摩擦因数，石墨的加入量必须达到5%11%。 在材料中加入金属硫化物，以提高摩擦因数稳定性、增加基体耐磨性。二硫化钼的加入量为2%左右。硫酸钡的加入量为6%8%。 摩擦剂的选择，必须考虑它与基体相比较的硬度及其颗粒形状和大小。一般轻载和中载工作条件下，可采用二氧化硅或氧化铝，其平均粒度为80150m,在高速列车闸片压力较大的条件下，应加入粒度为200300m的碳化硅或碳化硼，以同时提高摩擦因数和耐磨性。4.2 树脂基复合材料闸片树脂基复合材料闸片由树脂或橡胶基体（黏结剂）、增强体和填料三部分组成。组合后的材料具有良好的力学性能、摩擦磨损性能和加工成型性能。4.2.1 基体材料的组成铝基复合材料与铸钢、铸铁相比，其硬度较低。如闸片的硬度值过大，易损伤对偶摩擦面，导致磨损加剧。解决的办法是采用橡胶对树脂基体进行共混改性。加入橡胶后，既提高了基体的韧性，又降低了闸片的硬度，同时还改善了基体的黏结性能。但橡胶的耐热性比改性酚醛树脂的差，因此，树脂与橡胶合适的比例非常重要。研究表明：当树脂与橡胶为1：1时，摩擦副的摩擦磨损性能最佳；当基体为纯树脂时，闸片硬度高、脆性大，造成磨损加剧，划盘现象严重；当基体为纯橡胶时，基体耐热性差，制动时易软化，造成磨损加剧，附盘现象严重。在1：1时，铝基复合材料摩擦表面能形成稳定的摩擦膜。它对稳定摩擦因数和降低磨损量，起到了重要作用。4.2.2 增强纤维的选择对于铝基复合材料制动盘，宜采用钢纤维和矿物纤维混合增强。这既能保证摩擦副具有较高而且稳定的摩擦因数，又能使磨损率不太高。由于钢的硬度高于铝基复合材料，在选择钢纤维时，必须十分注意其尺寸大小。钢纤维尺寸过大时，易划伤铝基复合材料对偶，造成对偶摩擦加剧，而对偶表面因摩擦产生的凸起部分又会对闸片起犁削作用；钢纤维尺寸过小时，则起不到很好的增强作用，摩擦副的摩擦因数会较小。闸片的性能不仅与增强纤维的种类有关，而且与增强纤维的总体含量有关。随着增强纤维含量增加，摩擦副的摩擦因数增加，闸片的磨损降低，而铝基复合材料的摩擦是先降低后增加。4.2.3 填料的选择在选择填料时，其莫氏硬度非常重要。由于铝基复合材料的硬度值相对铸铁略低，而增强纤维采用了钢棉，故填料宜选用以中低莫氏硬度值的材料为主，并进行合理搭配。其主要作用是调整闸片的硬度和摩擦因数的稳定性。这样的填料有：腰果壳油摩擦粉、BaSO、ZnS硅灰石、沸石、Fe3O4等，经实验后得出正确的配方。4.2.4 减磨材料的选择在1：1台架试验试验时，如出现瞬时摩擦因数偏高、摩擦材料磨损量较大、静摩擦因数略低等问题，说明需要减低高温时的摩擦因数，并增加摩擦材料与对偶的贴和性。这可通过在树脂基摩擦材料中添加减磨料来解决。这样的减磨料有：石墨、硫化钼、焦碳粉末等。4.2.5闸片的成型工艺实践表明：采用同一配方与不同工艺制备的摩擦材料，其性能显著不同。摩擦材料采用干法制备，同一试样在低速制动时，材料表现出良好的摩擦磨损性能。但在高速制动时，摩擦材料很容易在对偶的犁削作用下被破坏，不能形成稳定的摩擦表面层。此外，干法直接模压工艺不能很好地解决基体固化过程中的气体排放，易导致摩擦材料制品的开裂与内部缺陷。如果采用模料预热和成型工艺，也只能在一定程度上使排气问题得到改善。为此，研究出了一种新的制备工艺，即二次压制工艺。其主要特点是先将模压料在略低于模压温度下进行热辊压制，随后冷却破碎，再进行热模压成型。热压过程中的压制温度、压力和保压时间，是摩擦材料成型工艺3个最重要的参数。因不同的树脂具有不同的软化温度，压制温度的确定需要结合所用树脂的性质来考虑。压制温度较低，树脂的固化速度较慢，能保证树脂对纤维和填料的充分浸润。为了使树脂彻底固化并稳定其性能，还需要对热压后的制品进行后续热处理。有关制动闸片的特性比较参见表2。 铸铁闸片 特种铸铁闸片 合成闸片 粉末冶金闸片摩擦因数 1 12 23 23润湿时摩擦因数 稳定 稳定 不稳定 稍不稳定磨耗量/mm 1 0.30.5 0.1 0.1质量/kg 1 1 价格 1 1.52.5 5 6适用车种 机车、客车，内燃、电动车组 各种车均用 高速客车，内燃、电动车组 特快高速列车表2 各种制动闸片的特性比较5、 铝基合金新型轴瓦随着机车发动机的强化程度不断提高，传统三层轴瓦的疲劳强度已不能满足承载需要，于是开发了新型轴瓦。其主要特点是通过改进工作层材料的结构达到提高其性能的目的。主要有： 细槽轴瓦，美国GE公司AC 6000W机车用GE7HDL型柴油机、英国的VP185型系列柴油机的主轴瓦和连杆瓦，均采用细槽轴瓦。 真空溅镀轴瓦，MTU 20V8000型柴油机及我国造船系统引进的德国MTU 396型等军用柴油机，主轴瓦均采用钢背铝锌合金细槽轴瓦，而连杆瓦则采用真空溅镀轴瓦。 双铝轴瓦，MAN16/24型柴油机连杆瓦采用双铝轴瓦。细槽轴瓦电镀之前的细槽加工属于核心技术，它用专门设备和成形刀具来保证其所需要的槽形和宽度、深度，并有专用测量设备对这些参数进行检验控制。溅镀轴瓦是采用具有柱状磁控管阴极的溅镀装置，在严格的表面蚀剂清理活化和抽真空工艺条件下，通过对工艺过程和操作参数进行全程自动监控，以确保精确的溅镀层厚度公差；通过严格控制轴瓦衬基温度与溅镀层材料熔化温度的比例及溅镀气体压力，使嵌入其中的软锡相颗粒尺寸3m，使镀层形成垂直于轴瓦表面的基体结构，并具有良好金相结构，从而确保其极高的疲劳强度、耐磨损和抗咬合性能以及与基体金属的牢固结合强度。6、共轨燃油喷射系统及技术机车柴油机第三代共轨蓄压电磁阀压力时间控制技术(简称“共轨喷油技术”)，不再采用传统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管，把高压喷油泵输出的燃油积蓄起来并消除压力波动，再输送到每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷油的控制。电磁阀的动作还受到电控单元的控制。目前第三代共轨喷油技术的优势明显超过其他电喷技术。其喷射压力完全与柴油机转速无关，真正实现了各种工况下的压力调节，改善了柴油机低速低负荷的性能。另外，它可更灵活地改变喷油规律，方便地实现预喷射、后喷射及喷油速率调节，可明显改善柴油机油耗、排放等综合性能。国外HEUI公司生产的中压共轨电控液压式喷射系统，被认为是20世纪90年代以来世界柴油机电控燃油喷射系统最新产品之一。与Lorange 公司的共轨燃油喷射系统不同的是，它有机油、燃油两套油路，共轨中使用机油。由电控单元控制机油系统的调节阀进行压力调节，用机油压力驱动喷油器中的增压活塞来控制燃油喷射压力，通过回油控制以实现喷油率控制。新一代HEUIB系统的喷油压力已提高到175MPa。它可以实现梯形、矩形和分段喷射三种喷油形式，能保证柴油机在各种工况下都有最佳特性和排放效果。7、单元式空气滤清装置机车柴油机用传统的空气滤清器滤芯材料为纸质，这种滤清器的矩形橡胶密封圈和滤纸破损后，其滤清效率将大幅下降，并且在运用过程中还无法及时发现和检修。只能通过拆检的方法来检查矩形橡胶密封圈和滤纸的状态，。新开发的单元式空气滤清装置采用了模块化、标准化、通用化设计理念，能根据不同机车柴油机的进气量配置一定数量的空滤单元，以适应不同机车的要求。滤清装置中的多旋流管式空气滤清元件采用双面压紧结构，使进风口和排尘口都受到压紧力的作用，箱体中设有一块固定的空气滤清器安装板，在安装板上设有3个托板，托板底部设有定位销和顶紧螺柱。空气滤清器的密封圈直接压靠在箱体上盖板上，上盖板上设有滤清器在左右及后方3个方向上的定位框。安装滤清器时，拧紧顶紧螺母，定位销的限位作用使托板只能直线上升，将其顶紧在箱体上盖板上。这避免了相邻安装位置间的相互干扰和滤清器安装后的转动。其相关技术参数如下：额定空气流量(出气口)：2160m3/h原始阻力(抽尘率10%时)：1.8kPa原始滤清率：99.5%(用AC粗灰)该单元式空气滤清装置中的各滤清器均有准确的定位和可控的压紧力，杜绝了气流短路，提高了系统的密封性能；能进行全方位可视化检查，滤清率得到了提高；单元式空气滤清装置与车体实现了无火组装，彻底消除了焊接变形对系统密封性能的影响。它能够有效地去除空气中的粉尘，可满足风沙地区对内燃机车空气滤清系统的高要求。8、新型受电弓滑板电力机车受电弓常用滑板主要有粉末冶金滑板、纯碳滑板和浸金属碳滑板三种。这三种滑板各有其优点与不足，如：粉末冶金滑板对铜接触网导线磨耗比较严重，易造成断线事故，故目前已很少使用；纯碳滑板机械强度较低，耐冲击性差，使用寿命短；浸金属碳滑板抗冲击能力不足，易出现掉块，且造价偏高。为满足机车提速后的发展需要，现研制了一种新型的滑板。8.1滑板的原材料与制备新型滑板由铜、镀铜石墨粉和镀铜碳纤维等构成。石墨的粒度为80100 um, 碳纤维的直径为6 um,密度约1.1g/cm3.8.1.1镀铜石墨粉的制备。先将石墨粉预处理，将5.00g石墨粉放入20%HNO3溶液中，煮沸8分钟进行粗化，接着放入20%SnCl2-10%HCl溶液中，煮沸5分钟进行敏化，最后放入1%AgNO3溶液中进行活化，同时不断搅拌，4分钟之后取出。然后给预处理过的石墨粉镀铜。锌与硫酸铜反应Zn+2Cu2+Zn2+2Cu+, 2Cu+ Cu2+Cu, 将Cu2+还原成Cu+, Cu+歧化生成Cu2+和Cu, 然后铜原子沉积在活化石墨粉的表面。配制15%硫酸铜溶液200mL，加入经处理过的石墨粉5.00g, 然后加入添加剂（十二烷基脂肪盐酸+醋酸钠），添加量为1%2%。搅拌2分钟后加锌粉13.00g。石墨粉镀铜后，加入1.5%的苯并三氮唑，对石墨粉进行钝化处理，以防止石墨粉上的铜被氧化。钝化后用去离子水清洗镀铜石墨粉，然后置于真空干燥箱中烘干。8.1.2镀铜碳纤维的制备。先将碳纤维放在340的炉中进行热处理50分钟，以去掉表面的有机物，然后放入CuSO4镀液中。镀液以硫酸铜为主盐，甲醛为还原剂，以a, a-联吡啶为稳定剂，4分钟后取出镀铜碳纤维，用去离子水清洗三遍，放入真空干燥箱中干燥。镀铜液组成为：10g/L CuSO4+20mL/L HCHO+20g/L Na2EDTA+16g/L C4H4Kna2 4H2O。碳纤维在镀铜前的直径为7um,镀铜后的直径增加到13um。8.2滑板的制作如表3所示，按照滑板所预设的配方，将石墨粉、镀铜碳纤维、铜粉和添加剂均匀混合后放入模具中，在200Mpa的压力下冷压成型，然后置于电炉中烧结，烧结温度为880，并保温4小时。表3 新型滑板的成分与含量（%，质量百分数）配方 铜 碳纤维 石墨 添加剂1 88 1 10 52 78 2 15 53 74 3 20 5按上述方法制造的滑板与传统的滑板相比，电阻率显著降低，冲击韧性明显提高，而且更加耐磨。如：与C26碳滑板和C26p浸金属碳滑板相比，导电率分别提高了87倍和27倍，冲击韧性分别提高了9.6倍和4.4倍，摩擦因数分别降低了54.5%和16%，磨损量分别降低了41%和40%。由此可见，新型受电弓滑板的性能明显优于传统的受电弓滑板。 车身新材料种类以及新材料应用现状2010/11/16/10:3来源：腾讯汽车随着汽车技术的发展，汽车的功能日益完善，汽车的结构越来越复杂，传统的汽车通常由几千个零件组成，现代高级矫车由几万个零部件组成。为满足汽车节能、环保、安全、舒适的要求，实现轻量化、高强度、高性能的目标，构成汽车的材料也发生了巨大的变化。 通常按照材料的成分，将汽车材料分为金属材料和非金属材料两大类。随着汽车技术的发展，未来汽车材料除金属材料、非金属材料外，复合材料和纳米材料也将获得广泛应用。 一车身新材料的种类 新型结构材料 1.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。汽车材料应用部件轻量化迭层钢板：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。 2.铝合金 与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了135kg，比传统钢材料车身减轻了43，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。 根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。 铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、矫车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。 3.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。 4.泡沫合金板 泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.40.7gcm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。 5.蜂窝夹芯复合板 蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等；面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量减轻了50%60%，且易于冲压成型。 6.工程塑料 与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果（见表2）。福特LTD试验车的轻量化效果中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15,000吨高性能ABS工程塑料的能力。 工程塑料用于汽车可实现轻量化和节能，且可回收和循环利用。目前六大类的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到广泛的应用，通常用于制造车身覆盖件、车门门褴、车身内外装饰件和水箱面罩、保险杠和车轮护罩等。 7.高强度纤维复合材料 复合材料是一种多相材料，是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。 玻璃纤维增强树脂复合材料耐腐蚀、绝缘性好，特别是有良好的可塑性，对模具要求较低，对制造车身大型覆盖件的模具加工工艺较简易，生产周期短，成本较低。在矫车和客车上，采用玻璃纤维增强树脂复合材料制造的矫车车身覆盖件、客车前后围覆盖件和货车驾驶室等零部件。 高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维复合材料在汽车上的应用，美国开展的最好。 二十世纪八十年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。图2为法国SORA公司为雷诺汽车公司开发的全复合材料轿车车身和重型卡车驾驶室。上海通用柳州汽车公司和东风公司计划推出全复合材料车身的家庭用小轿车。 8.陶瓷材料 由于陶瓷本身具有的特殊力学性能以及对热、电、光等的物理性能，陶瓷材料特别是特种陶瓷在汽车上的应用日益受到人们的重视。我国已成功研制钛酸铝陶瓷-铝合金复合排气管、氮化硅陶瓷柴油机涡轮增压转子和球轴承等汽车部件。 汽车的构造材料可反映人类所应用材料的技术水平。目前，6类主要材料如钢铁塑料铝橡胶玻璃共占轿车质量的90%，其余10%为其他多种材料，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等），车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他油品和水基液等），油漆、纤维制品。如富康轿车用料为钢55%，铸铁12%，塑料12%，铝6%，橡胶3%。常见汽车材料的构成如下图所示。汽车材料构成新型功能材料 1.稀土材料 中国稀土资源丰富，居世界前列。世界已探明的稀土储量中国占世界已探明资源的80%，为我国大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。 使用汽车废气净化催化剂是控制汽车废气排放、减少污染的最有效的手段。含稀土的汽车废气净化催化剂价格低、热稳定性好、活性较高，使用寿命长，引起了人们的广泛关注。 汽车废气净化稀土催化剂所用的稀土成分主要是氧化铈、氧化镧和氧化镨等。用于汽车废气净化催化剂的载体通常为蜂窝陶瓷，稀土还可以作为陶瓷载体的稳定剂以及活性涂层材料等。 2.纳米材料 纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一，它是高度交叉的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系。 纳米技术将在汽车上的结构材料、节能、环保等方面获得广泛的应用。纳米陶瓷材料的耐磨性和质量减小、稳定性增强。纳米陶瓷轴已经应用在奔弛等高级矫车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强、使用寿命延长。纳米汽油是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂，纳米汽油可以降低油耗10%-20%，可降低废气中有害气体含量50%-80%。 纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的石油产品，它不对任何润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂或减磨剂等产生不良作用，只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。 纳米增强增韧塑料可以代替金属材料，由于它们比重小重量轻，因此广泛用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的。可以用于汽车上的保险杠、座椅、翼子板、顶蓬盖、车门、发动机盖、行李舱盖以及变速器箱体、齿轮传动装置等一些重要部件。抗紫外线老化塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上，能有效延长其使用寿命。无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24h接触杀菌率达90%，无副作用，可以用在车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污部件。 二车身新材料应用的现状 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。 三新材料应用的发展趋势 1新材料回收再用性的研究 研究汽车新材料的最终处置问题至关重要，从某种程度上讲，关系到它的生存与发展。目前，汽车上约占自重25的材料无法回收再用，其中三分之一为各种塑料，三分之一为橡胶，还有三分之一为玻璃、纤维。鉴于这种情况，世界各国都花费大量的人力、物力进行材料的回收再生问题的研究。现在可以通过三种途径进行回收：颗粒回收，重新碾磨；化学回收，高温分解；能源回收，将废弃物作为燃料。 德国在回收塑料等材料的法规是世界上最为完善的，其管理方式非常明确，即首先是避免产生，然后才是“循环使用”和“最终处理”。1991年规定回收塑料中的60必须是机械性回收，另有40可以机械回收，也可以采用填埋或能量回收的方式。通过十年的努力，现在的回收率已高达87。日本是循环经济立法最全面的国家，其目的是建立一个资源“循环型社会”。为此，日本对废旧塑料的回收利用一直保持积极态度。此外，日本还大力支持以废塑料为主的工业垃圾发电事业。计划到2010年在全国建立150个废塑料发电设备。 2减少材料的品种 未来汽车在工程塑料类型的选择上将会发生巨大的变化。目前汽车使用的塑料由几十种高分子材料组成，当前世界各大汽车公司致力于减少车用塑料种类，并尽量使其通用化。这将有利于材料的回收再生和生态环境的保护。 3降低成本 制约汽车车身新材料应用的重要因素是价格。作为主要新材料的高强度钢、玻璃纤维增强材料、铝和石墨增强，其成本分别为普通碳钢的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低这些新材料的制造成本，才可能使诸多新材料进入批量生产。如玻璃纤维增强材料将在成本上成为钢材的有力竞争者，虽然它的重量减轻有限，但价格却能为用户接受。石墨合成材料尽管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽车工业上很难有所作为。 4先进的制造工艺的研发 采用新材料与先进的制造工艺是相辅相成的，汽车工业正在努力开发新的制造方法，对传统的工艺进行更新。例如：适用于轻量化设计的连接工艺今年来有所发展，如德国某汽车公司在大批生产的轿车上采用CO2激光束焊接，与传统的焊接工艺相比，焊接成的高强度钢板车身的强度提高了50。又如，一些复合材料的SMC壳体的材料较厚，大约为2.53mm，限制了轻量化的幅度。法国雷诺公司采用新的A级表面精度的SMC模压技术和低密度填料，减薄了零件厚度，使轿车壳体重量比普通SMC工艺下降了30。 5车身设计方法的革命 据欧洲汽车界人士预测，在今后十年中，轿车自身质量还将减轻20，除了大量采用复合材料和轻质合金外，车身设计方法也将发生重大变化。 由于大量采用新型材料，传统的车身结构及其设计方法可能不再适用，取而代之的是一种基于生物学增长规律的形状优化设计法，这种设计方法即能减少零件质量，又延长了零件的使用寿命。此外，采用新的设计方法还能使车身零件数大幅度减少。如某车型的零件数已由400个减少到75个，质量减轻30。美国克莱斯勒汽车公司尚未投放市场的概念车由于采用了创新的优化设计法，使整车自重降至544kg。这说明轻量化设计具有极大的潜力。下面就汽车典型零件的用材作简要说明。汽车材料应用部件缸体和缸盖缸 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： （1）有足够的强度和刚度。特别是要有足够的刚度，以减小变形，保证尺寸的稳定造性 （2）良好的铸造性和和切削性。 （3）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。 缸盖只要用来封闭气缸构成燃烧室。缸盖承受燃气的高温、高压作用，机械负荷（如气压力使缸盖承受弯曲，缸盖螺栓的预紧力等）和热负荷的作用。由于温度高、形状复杂、受热不均匀使使缸盖上的热应力很大，严重时可造成缸盖甚至出现裂纹。 根据上述工作条件，缸盖应用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。 铸铁缸盖具有高温强度高、铸造性能好、价格低等优点，但是导热性差、重量大。铝合金缸盖的主要优点是导热性好、重量轻，但是高温强度低，使用中容易变形、成本较高。 缸套 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。 汽车用塑料 塑料在汽车中的应用发展很快，从机械、热应力较小的内饰件和小机件，发展到大型结构件，如车身、车架悬挂弹簧等，从20世纪80年代以来已逐步发到进入发动机内部，用于制造连杆、活塞销、进气门等配件。用塑料取代金属制造汽车配件，可以直接取得汽车轻量化的效果，还可以改善汽车的某些性能，如防腐、防锈蚀、减振、抑制噪声、耐磨等。 汽车内饰用塑料 用于汽车内饰件的材料要求具备吸振性能好、手感好、耐磨性好的特点，以满足安全、舒适、美观的目的。在20世纪80年代塑料已是汽