现代汽车用材料技术概述课件

08八月2023现代汽车用材料技术概述02八月2023现代汽车用材料技术概述1一、汽车材料构成现状二、铝、镁轻金属的应用状况三、汽车用钢铁材料现状四、塑料及其它轻量化材料五、汽车材料的再生一、汽车材料构成现状2一、汽车材料构成现状一、汽车材料构成现状3汽车的材料构成一辆汽车由上万个零部件组装而成，而上万个零部件又是由上千种不同材料、几千种不同的规格品种加工制造出来。据统计，钢材的1/4、橡胶的一半以上用于汽车生产。汽车的材料构成一辆汽车由上万个零部件组装而成，而上万个零部件4现代汽车用材料技术概述课件5汽车用四大类工程材料及其选用首先考虑采用金属材料金属材料属于全能材料，能够满足承载和其它要求，也符合经济要求。金属在静态和动态条件下，具有适当的强度、刚度和韧性。其它物理特性也满足要求。金属有众多成形及制造工艺和庞大的设计特性数据库。有完善的报废和再循环利用行业只有在极特殊的性能需要时，才会考虑如聚合物和陶瓷等非金属材料。除了直接的工程应用问题外，材料选择还需考虑污染和再循环利用这样的政治问题。汽车用四大类工程材料及其选用6汽车材料选择需要考虑的因素适用性：材料的性能必须满足具体要求。必须与部件或者装置要完成的任务相匹配；要考虑整个使用要求，如力学载荷、载荷范围、硬度、刚度及柔性、汽车设计对质量的特别要求、各种物理特性等。质量和样式要求作为性能要求的扩展，也需要考虑。噪声、振动美学特点、静态造型、色彩、纹理、感觉和气味。经济性：经济因素和商业因素至关重要。常规的或标准化的形式提供。可行性：要考虑加工过程。部件和产品的制造方法和规模对材料也有较大的影响。环境相宜性：法规的要求对汽车部件的和选择也有影响。健康和安全因素制约着一些项目；对于处理方法、垃圾成本及再循环经济的必要性。单一组成的材料部件的再循环利用相对容易；汽车材料选择需要考虑的因素适用性：材料的性能必须满足具体要求7现代汽车用材料技术概述课件8最终材料的选择经常是折中的在某些情况下，功能要求占主要地位。在某些方面，成本和法规是主要因素。只有对所有方案进行比较后，才能做出满意的材料选择决策，最终材料的选择经常是折中的9案例：制动系统的材料选择分析在制动系统操纵机构作用下，摩擦副的相对旋转使车速降下来的摩擦阻力矩。多数摩擦副是由相对较硬的金属旋转部件和相对较软的制动块或制动蹄组成。案例：制动系统的材料选择分析在制动系统操纵机构作用下，摩擦副10转子材料选择转子材料要求：必须有足够的刚度和硬度，能够把摩擦力矩传递到轮毂，而不会产生过多的变形和热效应。应该有较高的容积热容量和良好的导热性，以吸收和传递摩擦面产生的热量，没有过多的温度升高。摩擦材料的最高工作温度应比预期的最高温度高，以确保转子在最恶劣的环境下完好。较低的热膨胀系数，使热变形最小。较低的密度，以使簧下质量最小。应耐磨，因为更换摩擦块或制动蹄更容易、更便宜。应当便宜并且容易制造。转子材料选择铸铁：便宜，具有较好的热特性和高温强度保持性，但是密度较高。铸铁替代材料：铝金属基复合材料，碳－碳复合材料。趋势：减轻簧下质量，减少对道路的损坏；减少污染，改善总体汽车燃油消耗。转子材料选择转子材料要求：11摩擦材料选择制动块或制动蹄：车轮总成的静止部分。通常复合摩擦材料粘接到钢底板或制动蹄架上。摩擦材料要求应产生稳定和可预测的摩擦系数，以使汽车在整个工作范围有效可靠地制动。与转子匹配，减缓整体失效，摩擦材料自身和支撑其钢结构之间的粘接很重要。应有相对高的温度，以防止摩擦表面产生热衰减，由于复合材料的性质，制动块材料的工作温度始终低于最高温度。衬片和制动蹄材料的较低传导性将有利于减小热传递到其它系统部件，特别是液压油。应有合理的耐磨性，但不能过大，因为磨损将会促进均匀的接触压力分布，防止“热点”产生。弹性模数应相对较低，以便与粗糙的热变形的转子相适应。应当便宜和便于制造。复杂的复合材料，由各种纤维（目前大多采用石绵纤维）、颗粒物和填充物一起粘接到聚合体基体中，如酚醛树脂。摩擦材料选择制动块或制动蹄：车轮总成的静止部分。通常复合摩擦12德国Paderbom大学O.Habn等人提出“多材料轻量化结构”（LightweightConstructionbymultimaterial）及“合适的材料用在合适的部位”（Therightmaterialintherightplace）两概念。认为多材料结构设计代表了今后汽车车身结构的发展趋势。通过对多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减小质量。德国Paderbom大学O.Habn等人提出“多材料轻量化13趋势：轻量化已经成为政策性行为轻量化作用：不但可以减轻车身质量、节约能源、降低油耗、减轻污染，也可以降低成本、提高企业竞争力、增加企业利润。汽车的一般部件质量每减轻1%，可节油1%；运动部件每减轻1%，可节油2%。据测算，如汽车自重减少50kg，则每升燃油行驶距离可增加1km；换言之，若自重减轻10％，则燃油经济性可提高约5.5％。趋势：轻量化已经成为政策性行为轻量化作用：不但可以减轻车身质14现代汽车用材料技术概述课件15汽车轻量化的发展方向：基于改善汽车燃油效率的轻量化70年代的石油危机导致引擎相关部件的铝化（铸件、压铸）；车重每降低10%，燃油效率可提高6~8%。基于提升性能及安全性的轻量化80年代之后高性能车的普及带来的车体相关部件的铝化（板材、挤型）；运动性能、乘坐舒适感、操纵性的提升；冲撞能量的吸收。汽车轻量化的发展方向：16汽车轻量化的途径：对汽车底盘、发动机等零部件进行结构优化前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法；在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化。使用铝镁轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；采用先进的制造工艺，使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。汽车轻量化的途径：17美国政府于1993年推出的PNGV（PartnerofNewGeneralVehicle）计划：要求轿车的整备质量降低40%，使轿车每加仑汽油可行驶80英里（三倍燃料效率）及有效降低排放。福特公司的Synergy2010概念车采用了高强度铝合金车身，使质量降低了1/3；通用公司的Precept采用铝合金车身及骨架，其质量降低了45%；克莱斯勒公司的未来型道奇IntrepidESX概念车采用的全铝合金车身质量比钢板车身轻272kg。美国政府于1993年推出的PNGV（PartnerofN182008年1月，我国汽车轻量化技术创新战略联盟在宁波成立。作为我国汽车行业的第一个技术创新战略联盟，其中长期发展目标是，开展汽车轻量化材料应用共性关键技术研究，攻克和自主掌握轻量化核心关键技术，提升汽车行业轻量化材料应用水平。该联盟由中国汽车工程学会、中国第一汽车集团公司、东风汽车公司、浙江吉利控股集团有限公司、奇瑞汽车有限公司、重庆长安汽车股份有限公司、中国汽车工程研究院、吉林大学、哈尔滨工业大学、华东理工大学、宝山钢铁股份有限公司、西南铝业集团有限责任公司等12家单位共同组成。2008年1月，我国汽车轻量化技术创新战略联盟在宁波成立。19驱动汽车材料发展的原动力是社会对汽车的安全性、节能性和环保性、舒适性和低成本等要素的需求。

汽车相关材料产品正在向高性能、轻量节能和环保方向发展。驱动汽车材料发展的原动力是社会对汽车的安全性、节能性和环保性20二、铝、镁轻金属的应用状况二、铝、镁轻金属的应用状况21镁合金产业化表1物理、机械特性比较材料比重熔点(℃)导热率(W/m)抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)延伸率(%)比强度(/)弹性模量(GPa)镁合金AZ91D1.8159854250160713845AM60B1.8615612401301313345铝合金A3802.70595100315160311671钢铁碳素钢7.861520425174002280200塑料ABS1.030.9966093PC1.231182.795镁合金、铝合金、钢铁、塑料的物理和力学性能镁合金产业化表1物理、机械特性比较材料比重熔点导热率抗拉强22各种轻型材料与钢材具有相同弯曲刚性和弯曲强度时的厚度比与质量比值材料名称弯曲刚性相同弯曲强度相同厚度比质量比厚度比质量比Mg(AZ91)1.670.391.120.26Mg(Am50)1.670.381.260.29Mg(AZ80-T5)1.670.380.850.20Mg(AZ31-H24)1.670.380.950.22Al(A380)1.430.491.120.38Al(A356-T6)1.430.501.040.37Al(6061-T6)1.450.500.850.30Al(5182-H24)1.440.500.920.32塑料（Pulse2000）4.500.651.940.28各种轻型材料与钢材具有相同弯曲刚性和弯曲强度时弯曲刚性相同弯231.铝合金在汽车中的应用状况铝合金零部件生产采用的主要成型工艺为铸造和变形。1.铝合金在汽车中的应用状况铝合金零部件生产采用的主要成型24铸造铝合金铸造铝合金的优点：流动性好：这对铸件薄壁部位的充填非常重要；熔点低：与其它许多金属相比，铝合金只需要较低的熔化和浇注温度；密度小：与铸造黑色金属相比，铝合金的重量较轻，铸造操作方便；热交换快：铝液与模具之间传热快，金属型铸造生产节奏快；化学稳定性相当好；铸态表面质量好：表面有光泽且无缺陷。铸造铝合金25几种部件所选用的铸造铝合金牌号几种部件所选用的铸造铝合金牌号26铸造工艺主要包括：压力铸造、金属型重力铸造、低压铸造、砂型铸造、消失模铸造、半固态压力铸造、挤压铸造等等；以铸造工艺生产的铝合金零部件约占汽车总用铝量的2/3左右。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。2001年北美用于发动机支座的铝合金达4082t，共生产铝合金发动机支座255万件；每辆轿车用于罩盖、后行李箱盖、发动机等零部件的铝合金质量达223kg。铸造工艺主要包括：压力铸造、金属型重力铸造、低压铸造、砂型铸27变形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。变形工艺主要包括卷制、锻造、冲压等。主要包括板、带、箔、管、各种形状的挤压型材和锻件等。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。变形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。28现代汽车用材料技术概述课件29现代汽车用材料技术概述课件30现代汽车用材料技术概述课件312.镁合金在汽车中的应用镁的特点比强度高吸震性能高，适于用作设备机壳类零件。尺寸稳定性好，无需退火和去应力处理。便于实现自动化生产和高的模具寿命。良好的铸造性能，镁允许铸件壁厚小至0.6mm。高生产率，与铝相比，镁有更低的单位体积热含量，这意味着它在模具内能更快凝固。良好的切削性能。比铝和锌有更好的加工及切削特性。可回收再用，比许多塑料材料更符合环保的要求。高散热性，适合现今设计密集的电子产品。电磁屏蔽性好，适合发出电磁干扰的电子产品。其它：良好抗疲劳、低的裂纹倾向，无毒、无磁性等。2.镁合金在汽车中的应用镁的特点32按工艺分类变形镁合金铸造镁合金1.Mg-Mn：承载力不大，耐蚀性和可焊性好2.Mg-Al-Zn：飞机、航天器中等承载结构件3.Mg-Zn-Zr：飞机结构件4.Mg-Li：重量轻、抗冲击、低承载结构件5.Mg-Th：航天器耐热结构件6.Mg-RE：飞行器中等承载结构件1.Mg-Al-Zn：综合性能好，应用广泛2.Mg-Zn-Zr和Mg-Zn-Zr-RE：较高室温和高温性能3.Mg-Th：抗蠕变、可焊、防渗漏按合金化元素分类Mg-MnMg-Al-ZnMg-Zn-ZrMg-ThMg-LiMg-Re按合金特性分类室温高强镁合金耐热镁合金抗蚀镁合金可焊镁合金超轻镁合金合金分类按工艺分类变形镁合金铸造镁合金1.Mg-Mn：承载力不大，33镁合金的工艺性能铸造性能：动力学粘度低，比铝合金更容易充型。熔点、比热容和相变潜热低，故其熔化耗能少，凝固速度快。锻造性能：镁为密排六方晶格结构，室温下镁变形机理是滑移及孪晶，只有基面参与变形。200℃及以上，多种面都可以参与变形。当温度超过225℃时，镁的塑性变强。一般镁热形温度为300℃～450℃之间，在此温度区间，镁和铝合金一样，也是容易变形的。热处理性能:固溶强化和弥散沉淀强化加热过程应严格控制可以采用任何一种热处理工艺镁合金的工艺性能铸造性能：34焊接性能:焊接问题氧化与蒸发严重过热晶粒粗大热裂纹倾向大气孔热应力问题所适应的焊接方法主要有气焊、氩弧焊、电阻焊、电子束焊、等离子弧焊和钎焊等。对于大厚度的镁合金结构还可采用电子束焊接。对压延板材的中厚板和薄板可采用等离子弧焊方法。对于薄板结构采用电阻点焊工艺焊接镁及镁合金的设备和工艺要求，与焊铝合金基本相同。只是比铝合金更要加强保护和更为严格控制焊接规范。焊接性能:35切削加工性能:镁合金切削阻抗小，切削能耗是软钢的1/6，铝的1/2，易于切削加工，可以在高速，大切削量下进行加工。切削过程中发热少，切屑易断，刀具磨损小，寿命显著延长，采用碳素钢刀具加工镁合金，刀具寿命比加工铝合金时高5～10倍。可以干切削加工，不需研磨抛光。镁合金散热快，不用切削液也能得到较好的表面质量。镁合金铸件在一次切削加工后所得到的表面粗糙度，是其它金属需要两次甚至多次切削后才能达到的。由于镁合金低的热容量和比较高的热膨胀特性，切削加工中细切屑容易引燃。当采用非常高的速度切削时，镁合金具有粘结刀具表面形成积屑瘤的倾向。切削加工性能:36现代汽车用材料技术概述课件37其它可涂装性能：好再生回收性能资源意义：能源意义：生产原镁1千克的能耗是35KWh，而相对应的回收1千克镁的能耗是3KWh回收与再生技术比铝合金废料要复杂，因为镁具有更高的化学活性；一般情况下表面都具有防腐蚀保护涂层或是装饰用涂层

装配性能其它38现代汽车用材料技术概述课件39Ford公司2000年使用的镁合金零部件零部件类别代替前重量(kg)代替后重量(kg)减轻率(%)轻量化量(kg)车身12.55.4587.1内饰件31.221.03310.2动力总成55.236.23519.0发动机33.522.23411.3悬挂件62.225.95836.2刹车3.91.8542.1各种固定件14.57.2507.3方向盘支架5.63.9301.7电气外壳3.21.8441.4合计188.6103.24585.1Ford公司2000年使用的镁合金零部件零部件类别代替前重量40现代汽车用材料技术概述课件41系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

汽车内部饰件仪表盘有应用

有应用有应用

膝垫保持架有应用

座架有应用

有应用有应用有应用座椅升降机械有应用有应用有应用

座椅盘

有应用有应用

螺形托座

有应用

安全气袋盖

有应用

方向盘有应用有应用有应用有应用有应用开关盖有应用有应用有应用

驾驶杆部件有应用有应用有应用有应用有应用收音机壳

有应用

手套箱门有应用

门窗调节器盖

有应用

有应用

系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

仪表盘有应用

有应用有应用42系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

汽车车身系统门框

有应用

尾板

有应用

顶梁有应用

有应用

阳蓬板有应用有应用

有应用

镜子托架有应用有应用有应用有应用

燃料注入罩

有应用

门把手

有应用有应用系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

门框

有应用

尾板

43系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

汽车底盘系统车轮有应用

ABS机架支架有应用

有应用

制动padel架有应用有应用有应用

有应用制动/加速器支架有应用有应用

制动/离合器支架

有应用

制动padel臂

有应用

系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

车轮有应用

ABS机44系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

汽车传动系统阀盖/凸轮盖有应用有应用有应用有应用有应用4WD变速箱有应用有应用

手动齿轮箱盖

有应用有应用离合器壳/活塞有应用

进气歧管有应用

有应用

发动机油盘

有应用

发动机托架

有应用

变速箱定子有应用

油过滤连接器有应用

有应用电动机外壳有应用

系统产品通用福特克莱斯勒欧洲亚洲

阀盖/凸轮盖有应用有应用有45三、汽车用钢铁材料现状三、汽车用钢铁材料现状46钢铁材料价格便宜、工艺成熟，通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力，迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。钢铁材料被赋予新的内容：如高强度钢、超高强度钢及先进高强度钢在汽车车轮、座椅骨架、防护板、车身、前门及后门等方面都表现出强大的可应用性能，在某些方面又有反替代铝合金及镁合金的趋势；蠕墨铸铁、奥氏体球墨铸铁等也不断地在进一步扩大应用范围，充分发挥着铸铁的优越性能。钢铁材料价格便宜、工艺成熟，通过高强度化和有效的强化措施可充47钢钢板机构制造用钢钢管耐热钢烧结合金钢钢板48钢板：

约占汽车重量的50%，几乎全用于车身。减薄10%，可达到5%的车身轻量化钢板：

约占汽车重量的50%，几乎全用于车身。减薄10%，可49车身用钢板的发展趋势：提高强度，以图减薄提高延性，以改善零件形状和可使几个零件组合成单一的大件以减轻质量、省工和降低成本。提高抗蚀性，配合减薄并延长车身寿命车身用钢板的发展趋势：50现代汽车用材料技术概述课件511994年开展了“超轻钢质汽车车身”的研究（UltraLightSteelAutoBody，ULSAB）。ULSAB项目的创新点如下：高强度钢和超高强度钢在车身结构上的应用大于90％；车身50％采用激光拼焊板；使用液压板成型技术；使用复合夹层钢板；车身组装广泛采用激光焊接。可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，第一车身结构模量提高58%，满足全部碰撞法规要求。与ULSAB相关性的ULSAC的创新成果有3个方面：采用无框架车门结构；采用高强度钢制造车门外板，其厚度0.6mm、0.7mm。钢种有烘烤硬化钢（BH：210MPa、260MPa）、双相钢（DP：500MPa、600MPa）、含磷钢（260MPa）、各向同性钢（260MPa）；用超高强度钢制造车门杆件，其厚度1.0mm，采用双相钢（DP：650、840MPa）。1994年开展了“超轻钢质汽车车身”的研究（UltraLig52现代汽车用材料技术概述课件53目前北美正在推进ULSAB—AVC计划，即先进汽车概念（AdvancedVehicleConcept）。该项目的是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件、悬挂系、发动机支架及所有与结构和安全相关的部件）。安全：满足2004年汽车碰撞安全标准要求；减重：明显改善燃油效率，降低油耗；环保：减少排放，改善材料的回收再利用；经济：降低成本，便于大批量生产。我国宝钢公司参加了ULSAB－AVC项目。目前北美正在推进ULSAB—AVC计划，即先进汽车概念（Ad54在北美，高强度钢（HSS）和超高强度钢（UHSS）以及先进高强度钢（AHSS）（屈服强度涵盖HSS和UHSS之间的强度范围）的研究与应用是与铝、镁合金材料并驾齐驱。镀层钢板在北美也有很大的发展。通过对先进高强度钢板表面进行镀层处理，大大提高了先进高强度钢板的防腐蚀性能及应用范围。在北美，高强度钢（HSS）和超高强度钢（UHSS）以及先进高55高强度钢板的定义与分类ULSAB－AVC联合会将钢种标记为XXaaa/bbb，XX为钢种类型、aaa为最低屈服强度（MPa）、bbb为最低抗拉强度（MPa）。钢种的标志符号统一如下：传统钢种：低碳钢、无间隙原子钢（IF，Interstitial-free）、各向同性钢（IS，Isotropic）、烘烤硬化钢（BH，Bakehardenable）、碳－锰钢、低合金高强度钢（HSLA）。先进高强度钢（AHSS）钢种：双相钢（DP，DualPhase）、复相钢（或多相钢）（CP，ComplexPhase）、相变诱发塑性钢（TRIP，Transformation-inducedPlasticity）、马氏体钢（Mart，Martensite）。按照ULSAB所采用的术语，将屈服强度为210-550MPa的钢定义为高强度钢（HSS），屈服强度超过550MPa的钢定义为超高强度钢（UHSS）；而先进高强度钢（AHSS）的屈服强度覆盖于HSS和UHSS之间的强度范围。高强度钢板的定义与分类56先进高强度钢的特点：成型性能好冲压时塑性变形好，不产生开裂、变形、折皱等；冲压后弹性回复小；不危及冲压模的粘着和磨损高的防撞凹性能能量吸收率较高高的疲劳强度和长的疲劳寿命高烘烤硬化性能北美开发的PNGVClass轿车，车身只有218kg（基准平均质量为263kg），共有81个主要零件，100%采用高强度钢（HSS），其中有80%以上为先进高强度钢(AHSS)。先进高强度钢的特点：57现代汽车用材料技术概述课件58镀层钢板在欧洲，过去要求镀层具有6年的防护性能，而现在则要求达到12年。预计欧洲2005年镀层钢板将在白车身中的应用达到91%。北美目前在白车身覆盖件中，有90%为镀层钢板。镀层钢板59对镀层钢板的要求可概括为：高的防腐蚀性能；高的镀层结合强度（好的成型性）；好的可焊接性能；好的可涂覆性能；好的表面质量（尤其对于暴露部件）。

对镀层钢板的要求可概括为：60在镀层钢板开发研究的主要方向有：合金化热浸镀锌/热浸镀锌高强度钢板预处理钢板：具有好的防腐蚀性能，成型性能，可以取消密封剂及蜡。车门内板、车门外板、底盘件、覆盖件内/外板、行李箱盖内/外板以及举升门内/外板。低Г相合金化热浸镀锌钢板：具有好的可焊接和可涂覆性能以及好的成型性能。车身外侧板、车身内侧板、车门外板、车门内板、车后箱举升门等等。预磷化钢板：相对低Г相合金化热镀锌钢板具有更好的成型性，具有好的可焊接和可涂覆性能。车身外侧板、车身内侧板、车门外板、车门内板、车后箱举升门等等。暴露的热浸镀锌钢板阻尼叠层钢板：具有最佳的阻尼减震性能，好的成型性能，通过导电胶可得到优越的点焊性能，可由GA、GI、EG制得。仪表板、车轮罩、油底壳、车顶板、车底板及发动机罩盖等等。在镀层钢板开发研究的主要方向有：61铸铁

铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点，在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。铸铁在北美汽车用材中呈下降的趋势，如美国通用汽车公司从2000年至2005年，每年减少铸铁件20万吨左右。目前以铸铁材料生产的汽车零部件主要有缸体、缸盖、排气管、凸轮轴、曲轴、桥壳、刹车鼓、离合器盘等。铸铁铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点，在汽车材料中仍然占62灰铸铁具有优异的减震特性和铸造性能广泛用于发动机缸体和缸盖的生产。球墨铸铁铁素体球墨铸铁拉伸强度可达500MPa，韧性也较高，因此多用于底盘零件，有的车型甚至用作转向节等保安件。珠光体球墨铸铁强度更高，在一些零件上可代替锻钢件。因球铁的密度比钢约小10%，所以以球铁代钢可以产生一定的轻量化效果带平衡块的4缸轿车发动机曲轴采用球墨铸铁加圆角滚压强化，已成为美、德、法等国汽车厂家的标准工艺。。奥贝球铁具有很高的强度和韧塑性，其最高强度级别达到1400MPa，超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量，代替锻钢制造曲轴可以降重10%，代替铝合金制造载货车轮毂每只可降重0.5kg。灰铸铁63蠕墨铸铁其力学－物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，很适合制造强度要求较高和要承受热循环负荷的零件，如气缸体、气缸盖、排气歧管支架、飞轮、泵体、轴承座和制动鼓等。据称蠕铁气缸体比灰铸铁气缸体降重16%，而结构刚度则提高12%~25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪音、改善排放。蠕墨铸铁64四、塑料及其它轻量化材料四、塑料及其它轻量化材料65塑料在汽车上的应用按功能应用主要分为三类：外装件：以塑代钢，增加塑料制品的应用量，减轻汽车重量，达到节能的目的。如保险杠等。内饰件：以安全、环保、舒适为应用特征，用可吸收冲击能量和振动能量的弹性体和发泡塑料制造仪表板、座椅、头枕等制品，以减轻碰撞时对人体的伤害，提高汽车的安全系数。功能结构件：多采用高强度工程塑料，减轻重量，降低成本，简化工艺。如用塑料燃油箱，发动机和底盘上的一些零件等。塑料在汽车上的应用按功能应用主要分为三类：66现代汽车用材料技术概述课件67五大工程塑料在汽车上的用途各有偏重尼龙：主要用于汽车发动机及发动机周边部件，主要品种是GFPA6、GFPA66、增强阻燃PA6等产品。在汽车发动机周边部件上的应用：由于发动机周边部件主要是发热和振动部件，其部件所用材料大多数是玻纤增强尼龙。尼龙具有较好的综合性能，用玻纤改性后的尼龙，主要性能得到很大的提高，如强度、制品精度、尺寸稳定性等均有很大的提高。尼龙的品种多，较易回收循环利用，价格相对便宜等，这些因素促成尼龙成为发动机周边部件的理想选择材料。进气歧管是改性尼龙在汽车中最为典型的应用，1990年德国宝马汽车公司，首先将以玻纤增强尼龙为原料制造的进气歧管应用在六汽缸发动机上；以后世界各大汽车公司纷纷跟进，改性尼龙进气歧管得到广泛的应用。在汽车发动机部件上的应用发动机盖，发动机装饰盖，汽缸头盖等部件一般都用改性尼龙作为首选材料与金属材质相比，以汽缸头盖为例质量减轻50%，成本降低30%。除了发动机部件外，汽车的其他受力部件也可使用增强尼龙，如机油滤清器，刮雨器，散热器格栅等。五大工程塑料在汽车上的用途各有偏重尼龙：主要用于汽车发动机68聚酯PBT：广泛地用于生产保险杠、化油器组件、挡泥板、扰流板、火花塞端子板、供油系统零件、仪表盘、汽车点火器、加速器及离合器踏板等部件。PBT与增强PA、PC、POM在汽车制造业中的竞争十分激烈。PA易吸水，PC的耐热性耐药性不及PBT；在汽车用途接管方面，由于PBT的抗吸水性优于PA，将会逐渐取代PA。在相对湿度较高、十分潮湿的情况下，由于潮湿易引起塑性降低，电器节点处容易引起腐蚀，常可使用改性PBT。在80℃、90%相对湿度下，PBT仍能正常使用，并且效果很好。GE公司的PBT/PC合金，商品名为Xenoy1731,在高级轿车中应用最为广泛；它的耐热性好，耐应力开裂，具有优良的耐磨，耐化学腐蚀性，低温冲击强度高，易加工和涂饰性好，主要应用于高档轿车保险杠，车底板，面板和摩托车护板等。聚酯PBT：69聚甲醛POMPOM生产的汽车部件质轻，噪声低，成型装配简便，因此在汽车制造业获得越来越广泛的应用。POM质轻，加工成型简便，生产成本低廉，材料性能与金属相近。改性POM的耐磨系数很低，刚性很强，非常适合制造汽车用的汽车泵、汽化器部件、输油管、动力阀、万上节轴承、马达齿轮、曲柄、把手、仪表板、汽车窗升降机装置、电开关、安全带扣等。制造轴套、齿轮、滑块等耐磨零件是改性POM的强项，这些部件对金属磨耗小，减少了润滑油用量，增强了部件的使用寿命；因此可以广泛替代铜、锌等金属生产轴承、齿轮、拉杆等。聚甲醛POM70聚碳酸酯：改性PC由于具有高机械性能和良好的外观，在汽车上主要用于外装件和内装件，用途最为广泛的是PC/ABS合金和PC/PBT合金。汽车内装件：PC/ABS合金是最适合用于汽车内装件的材料。因为PC/ABS合金具有优异的耐热性、耐冲击性和刚性，良好的加工流动性。也是制造汽车仪表板的理想材料。PC/ABS合金的热变形温度为110℃～135℃，完全可以满足热带国家炎热的夏天中午汽车在室外停放的受热要求。PC/ABS合金有良好的涂饰性和对覆盖膜的黏附性，因此用PC/ABS合金制成的仪表板无需进行表面预处理，可以直接喷涂软质面漆或覆涂PVC膜。PC/ABS合金还用来制造汽车仪表板周围部件、防冻板、车门把手、阴流板、托架、转向柱护套、装饰板、空调系统配件等汽车零部件。汽车外装件：PC/PBT合金和PC/PET合金既具有PC的高耐热性和高冲击性，又具有PBT和PET的耐化学药品性、耐磨性和成型加工性，因此是制造汽车外装件的理想材料。PC/PBT汽车保险杠可耐－30℃以下的低温冲击，保险杠断裂时为韧性断裂而无碎片产生。弹性体增韧PC/PBT合金和PC/PET合金更适合制作汽车车身板、汽车侧面护板、挡泥板、汽车门框等。高耐热型PC/PBT合金和PC/PET合金的注射成型外装件可以不用涂漆。PC/PET合金可制作汽车排气口和牌照套。PC/ABS合金也可以制作汽车外装件，如汽车车轮罩、反光镜外壳、尾灯罩等。PC/ABS具有良好的成型性，可加工汽车大型部件，如汽车挡泥板。聚碳酸酯：改性PC由于具有高机械性能和良好的外观，在汽车上主71聚苯醚改性PPO在汽车上主要用作对耐热性、阻燃性、电性能、冲击性能、尺寸稳定性、机械强度要求较高的零部件。如PPO/PS合金适用于潮湿、有负荷和对电绝缘要求高、尺寸稳定性好的场合，适合制造汽车轮罩、前灯玻璃嵌槽、尾灯壳等零部件，也适合制造连接盒、保险丝盒、断路开关外壳等汽车电气元件。PPO/PA由于具有优异的力学性能、尺寸稳定性、耐油性、电绝缘性、抗冲击性。可用于制作汽车外部件，如大型挡板、缓冲垫、后阻流板等。对玻璃化转变温度要求较高的发动机罩时PPO/PA合金今后的应用方向。PPO/PBT合金的热变形温度高，对水分敏感度小，是制造汽车外板的理想材料。聚苯醚72现代汽车用材料技术概述课件73现代汽车用材料技术概述课件74现代汽车用材料技术概述课件75塑料具有多种优势减轻车体的重量，－般塑料的比重0.9～1.5，纤维增强复合材料比重也不超过2.0。塑料成型容易，使得形状复杂的部件加工十分便利。例如仪表台用钢板加工，往往需先加工成型各零件，再分别用连接件装配或焊接而成，工序较多，而用塑料可－次加工成型，加工间短，精度保证。塑料制品的弹性变形特性能吸收量的碰撞能量，对强烈撞击较大的缓冲作用，对车辆乘员起保护作用。另外，塑料还具吸收衰减振动噪声的作用，可提高乘坐的舒适性。现代汽车都采用塑化仪表板方向盘，增强缓冲作用。前后保险杠、车身装饰条都采用塑料材料，减轻车外物体对车身的冲击力。塑料具有多种优势76塑料耐腐蚀性强，局部受损腐蚀。如果用塑料做车身覆盖件，十分适宜污染较大的区域使用。根据塑料的组织成分，通过添加同的填料、增塑剂硬化剂制所需性能的塑料，改变材料的机械强度及加工成型性能，适应不同部件的用途。保险杠相当的机械强度，而坐垫靠背就采用柔软的聚氨酯泡沫塑料。塑料颜色可通过添加剂调同颜色，省去喷漆的麻烦。某些塑料件还可电镀，如ABS塑料具有很好的电镀性能，可用于制作装饰条、标牌、开关旋钮、车轮装饰罩等。塑料耐腐蚀性强，局部受损腐蚀。如果用塑料做车身覆盖件，十分适77塑料未来技术发展方向内装件PVC不久将从内饰件应用中退出；聚氨酯因其柔软的触感，预计在内饰件（尤其是高档车）上的应用会不断增长，而中档车在内饰PP化推动下可能更倾向于采用TPO；PU在内饰中尚难以被其他材料取代；复合材料在结构件（如座椅骨架）和吸收冲击能量的零件上的应用将会增长；金属－塑料混合材料在内装件中的应用极具潜力。未来要着力开发外表美观（低反光、耐磨、半透明）同时具有良好降噪性能（尤其是嗡嗡、吱吱声和卡嗒声）的内饰新材料；开发具有优良高速冲击性能的内装件材料；弄清塑料材料触觉特性的本质。开发快速制造技术；适应不同材料体系的一步成形技术；人工智能系统。照明、电子、环境控制一体化设计；内、外装材料体系同一化。根据使用性能要求，制定材料技术标准；制定适用于不同材料竞争分析的试验标准；建立汽车内装件用先进塑料、复合材料的毒性和对环境破坏性的统一评估方法。塑料未来技术发展方向内装件78外装件开发耐候、耐化学侵蚀，具有良好的表面光泽和抗轻微撞击性能的外装件用聚合物体系；提高塑料零部件的表面光洁度；开发光亮、耐候的着色剂；开发先进的增强材料及增强技术；开发可生产出A级表面、免油漆外装件的复合材料。开发大批量、低成本的工装技术；开发大型薄壁零件快速制造工艺；开发先进的模压机；虚拟原型技术；低成本。高表面质量结构复合材料的快速制备工艺开发。照明纳入总体设计；内、外装材料体系同一化。建立制造、装配工艺与零部件性能预测模型；建立不同老化条件（短期、中期和长期）下，零部件试验结果关联性的方法；建立零件耐候性预测模型、快速试验方法。外装件79发动机零部件开发低成本的耐热树脂材料。导电树脂材料；开发燃料电池、混合动力零部件用材。开发燃料电池塑料件制造技术。混合动力（包括燃料电池）塑料零部件设计技术。开发用于代用动力系统零部件的塑料、复合材料的快速试验技术，它们往往承受高温和化学腐蚀。发动机零部件80底盘与驱动系零部件开发结构件用的低成本热塑性复合材料、碳纤维复合材料，冲击能量吸收率高的材料，疲劳性能和抗蠕变性能好的材料；开发新的低成本增强技术（如新的增强纤维，新的填充颗粒和纳米微粒、导电颗粒等），以满足零部件高刚度、高耐热性及成形性要求。连接与密封技术；修理技术；新的零部件成形技术。整车NVH特征模型；开发低自重汽车新型悬架系统；降低零部件集中载荷的设计方法。建立零部件抗长期老化性、疲劳耐久性的快速试验方法；建立汽车结构件的预测工程手段和系统。底盘与驱动系零部件81塑料密集汽车开发生产夹层构件的材料与工艺；开发满足汽车设计要求的新型塑料合金和塑料共混物，热塑性塑料，热固性塑料和工程塑料；开发耐火塑料。热塑性塑料快速成型工艺；快速低温连接方法；亚微观水平的添加剂；低温涂料及工艺；无油漆表面；无夹具装配；节能制造工艺；塑料车身骨架快速成型与装配。建立汽车塑料、复合材料性能数据库；适于塑料的低成本车身骨架设计技术；塑料—金属材料复合零部件设计技术；在清洁材料（生物塑料）开发的基础上．设计塑料密集汽车。开发用于评估各种塑料和复合材料的物理老化性能、化学老化性能及耐候性的试验方法：建立制造工艺参数一零部件性能之间关系的预测模型；建立快速试验结果与零部件长期性能的关系；材料的高应变率破碎试验技术。塑料密集汽车82粉末冶金材料粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点，其在汽车上的应用有增加的趋势，特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品，它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮，然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比，可降重25%~30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用，随?柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻，粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。粉末锻造连杆已经成功应用，近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低，可实现11%的轻量化。德国Opel公司装在2.0L的OHC发动机上行驶30万km的效果未见异常。粉末冶金材料83其它轻量化材料钛合金钛的密度为4.5g/cm3,具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。用α+β系钛合金制造的发动机连杆，强度相当于45钢调质的水平，而重量可以降低30%；β系钛合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）经强冷加工和时效处理，强度可达2000MPa，可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等，与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比，钛弹簧可降重20%。钛合金应用的最大阻力来自其高价格。由于钛的价格昂贵，至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。丰田中央研究所开发了一种成本较低的钛基复合材料。该复合材料以Ti-6Al-4V合金为基体，以TiB为增强体，用粉末冶金法生产，已在发动机连杆上应用。其它轻量化材料钛合金84复合材料：由基体材料(包括树脂、金属、陶瓷等)和增强剂(有纤维状、品须状和颗粒状等)复合而成的。刚度大、强度高、耐热、耐磨、质量轻等，能满足各种特殊用途。力学性能和功能可以根据实际需要，通过适当选材和优化设计来获得。金属基复合材料。主要以铝基复合材料最为典型，主要用于汽车活塞、缸套、刹车轮、传动轴、轮胎螺栓。陶瓷基复合材料。具有优良的机械性能和低密度等特点，但是价格远比金属零件价格高。其主要用于制造汽车发动机气门、挺柱、增压器涡轮、也可用于气缸盖、活塞销以及排气管。聚合物基复合材料。主要是玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢，可代替钢板用在车身上，达到车身的轻量化。复合材料：由基体材料(包括树脂、金属、陶瓷等)和增强剂(有纤85五、汽车材料的再生五、汽车材料的再生86现代汽车用材料技术概述课件87汽车材料回收的重要性：节约能源和资源，对环境保护和汽车产业的可持续发展有利。汽车材料中一部分具有挥发性，对周边环境产生破坏作用：对报废车辆如果不及时进行分类、处置和回收，就会占用很大的堆积场地。轮胎破坏周边环境并占用大量土地；传动油之类直接周边的水资源和生态环境。在风吹雨打作用下，很快会失去循环利用的价值。为社会创造财富和提供就业岗位：1997年美、加创造了82亿美元的收入汽车材料回收的重要性：88我国废旧汽车拆解业现状在废旧汽车处理上，传统的切割、砸碎再分捡的粗放型工艺己不适用，而应转向为“科学拆解、视情分检、精料回收、综合管理”的新模式。组成汽车的零部件主要是钢铁、橡胶、石油化工制品、有色金属、非金属材料一以及电子、电器产品，并且随着汽车上电子技术的广泛应用，汽车配件业的大批量、模块化生产，废旧汽车拆解业是我国的新兴产业，但规模小，布点分散，资源少，拆解技术落后，工艺粗放，工人劳动条件差，管理不规范。汽车拆解企业全国有400余家，从业人员达38万人，2005年全国汽车保有量达3100力辆，按5%报废，将有120万辆，而进入拆解厂的车不足四成，如北京有汽车230万辆，按5%报废，应有8万辆报废，但拆车厂目前只能收回2万辆。现状为规模小配套，许多拆解基本没有厂房，造成停放废车堆积严重;技术落后，技术还停留在气焊加手工阶段，工艺也仅仅是小客砸顶，大客切梁，五大总成落地，打孔切割，存照片备案可用件，零部件外售。我国废旧汽车拆解业现状在废旧汽车处理上，传统的切割、砸碎再分89废旧汽车回收再利用的评价采用再利用率的指标。2006年2月，国家发改委、科技部、环保总局联合发文制定了《汽车产品回收利用技术政策》对国产和进口汽车所用材料的可回收再利用及国内报废汽车的回收工作做出了具体的规定，并强调国家逐步将汽车回收利用率指标纳入汽车产品市场准入许可管理体系。从2010年起，汽车生产企业或进口汽车总代理商要负责回收其销售的汽车产品及其包装物品或委托相关机构企业负责。需要从循环经济和节约型社会发展高度来制定汽车产品回收处理的管理规定并要建立与之配套的企业资质及相应的设备、工艺、质检管理运行条件。规定到2012年报废汽车的可回收再利用率质量部分达到90%，材料部分达到80%，到2017年报废汽车的叫回收再利用率质量部分达到95%，材料部分达到85%，要达到这目标报废汽车可分为使用年限报废车和事故报废车，在报废处理工艺上应有科学检测，视情拆解的处理过程，这样有利于汽车零部件丙制造和可再生材料的精料回收。废旧汽车回收再利用的评价采用再利用率的指标。90汽车产品从使用到报废，每15年左右一个循环。用汽车的废钢铁炼钢比用矿石炼铁再炼钢可节省能源60%，节水40%，并大大减少废渣、废气和废水的污染。按组成汽车的材料质量划分，钢铁约占80%；按材料组成成份划分，除钢铁，石化产品(如塑料、橡胶)，有色金属、非金属等也都是重要组成部分。并且汽车上许多的零件的材料是紧缺的高性能钢，比如铬轴承钢，高强度冷热轧板等。如果分类回收，对废钢加工也能达到精料入炉。此外，这种材料分类回收也可以从废旧汽车中回收相当数量的有色金属、非金属以及贵金属材料一。汽车产品从使用到报废，每15年左右一个循环。用汽车的废钢铁炼91产品的可回收性设计产品报废后的回收利用能有效地节省原材料，减少废弃物对环境的危害。欧美、日本等发达国家制定的回收法规已引起了学术界和工业界的高度重视，Alting提出了面向回收的设计的概念，即在产品设计时，就考虑到产品未来的回收及再利用问题，从而大大提高产品、零件的回收利用率，节省资源和能源，并对环境影响最小。可回收性设计主要包括：可回收材料及标志、回收工艺及方法、回收经济性及可回收产品及零部件的结构设计等等。美、德、日等西方发达国在汽车、家电等行业应用面向回收的产品设计思想，取得了良好的社会、经济效益。柯达公司采用可回收性设计思想开发的“相迷救星”相机销量最大，赢利最高。另外，欧委会还成立了有政府和工业界代表组成的工作组，着手提高废旧汽车的回收利用率。产品的可回收性设计产品报废后的回收利用