汽车用新材料的研究发展状况

汽车用新材料的研究发展状况摘要：本文主要介绍了国内外汽车用新材料发展状况，并针对发动机连杆、轮毂用新材料进行了分析，提出了今后汽车用新材料的发展趋势。关键词：汽车连杆轮毂1国内外汽车用新材料发展状况1.1国外汽车用新材料的发展现状与趋势当前世界汽车材料技术发展的主要特征如下:(1)轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向；(2)尽管近阶段钢铁材料仍保持主导地位,但各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化。主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量将有较大的增长,铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下降,但载重车的用材变化不如轿车明显；(3)轻量化材料技术与汽车产品设计、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；(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能材料的开发和应用工作不断加强。减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效措施之一。世界铝业协会的报告指出,汽车的自身质量每减少10%,燃油的消耗可降低6~8%,根据最新资料,国外汽车自身质量同过去相比减轻了20~26%。预计在未来的10年内,轿车自身质量还将继续减轻20%。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的开发与应用在汽车的轻量化中将发挥重大作用。可以看出,尽管钢铁材料在当前仍然占主导地位,但其份额却在逐年减少,而铝合金、镁合金、塑料等轻量化材料的用量则呈持续上升的趋势。在最近投产的某些新车型中,钢铁材料的比例更低,例如在奥迪A2中,钢材的比例仅为34%,轻质材料则高达52%。国外开发的全铝车身已经在AUDIA8、BMWZ8、FERRARI360等很多车型上使用,甚至全铝发动机、轮毂都已经开始实际应用。虽然联邦政府和欧共体有多种与材料有关的研究项目,但整体上主要还是体现在墓础研究方而。从汽车行业的应用性研究来讲,主要依靠企业的自身力量,这与美国汽车行业的情况很不相同,后者可从国家得到各种资助。不仅如此,德国政府在支持、促进和推广新材料在汽车行业的应用以及采用新材料的汽车的生产、销信等方而也没有任何鼓励的政策与措施。虽然从长远战略上说,汽车采用新材料具有多种重要意义,但就口前的实际而言,首要目的是减轻重量、提高效率、降低能耗、减少环境污染。从根木上来讲,汽车减轻屯量很有好处,既可增加使用面积,又可节省燃料消耗,减少环境污染。汽车能耗的70%与汽车重量有关,如中型轿车的自重每减少100公斤,每百公里的燃料消耗就可减少0.4公升。此外,自重减轻对加速和弹性等行驶效率也有积极影响,同时可使转动和振动部件的噪音明显降低。试验证明,假如负荷是单轴的或者在结构上可以沿纤维方向伸展的话,纤维强化的材料明显比金属优越。近年来,虽然日本汽车工业由于各种原因而陷于持续的不景气状况之中,但各汽车厂商从长远利益出发,仍继续着各种汽车用新材料及其相关伎术的研究开发,并取得品些进展。总的来看,这一领域研究开发的重点主要集中在三个方面。一是大力开发各类“低公害车”所需材料；二是继续发展汽车以铝、塑等代钢技术；三是提高汽车用材料再生利用率。一、“低公害车”所需材料的发展状况随着全球环保呼声日益高涨,电动汽车、甲醇汽车、天然气汽车等不以汽油为动力源的所谓“低公害车”展现出诱人的发展前景。但是,目前这类汽车离实用化都还相距甚远。其有待解决的主要问题之一就是所需的各种材料技术尚未过关。在被认为是最理想的“低公害车”的电动汽车的研究中,目前面临的主要课题仍然是车体的轻量化和蓄电池的高性能化,而这都与材料技术密切相关。在东京电力公司和日产汽车公司分别开发的高性能电动汽车的概念车IZA和FEV,为了减轻车休重量,外板均采用了碳纤维强化塑料,底盘均采用了各种招合金材料。然而,这两种概念车的开发者一致认为,对批量生产而言,采用昂贵的CFRP材料是不现实的。出路在于能多大程度地采用铝合金材料。比车体轻量化更为重要、也更为复杂的问题是蓄电池的高性能化。在IZA和FEV中采用的是镍镉电池,它是已能实用的各种蓄电池中能量密度高的。但因镉资源很少,故对大批量生产电动汽车并不合适。据日本通产省估计,全球镉储藏量仅约97万吨,只能供制造1000万辆电动汽车使用。二、铝、塑代钢技术发展状况从80年代起,主要为了减轻汽车重量以降低耗油量、节约能源、保护环境,在汽车制造中以铝、塑代钢技术开始发展起来,但至今仍未出现成热的批量生产车型。其重要原因是以铝、塑代钢并不仅仅意味着材料的替换,还意味着汽车的设计、加工、装配各个环节都必须进行大幅度的更动,因而风险很大。目前,除马自达公司外,日本各大汽车厂商都还只在少量零部件或特殊车种（如运动车）试制中应用铝、塑代钢佼术。三、汽车用材料再生利用发展状况为了节省资源、保护环境,日本于1992年10月开始实施“关于促进再生资源利用的法律”。汽车是该法律适用对象之一,要求制造商在设计阶段就对再生利用作出评价,并从材料、结构、拆分等各方面进行积极研究。该法实施以来,日本有关汽车用材料再生利用的研究进一步受到重视,取得了一些新进展。丰田、日产、本田等公司均已开始通过各自的销售网来系统地回收在维修中换下的保险杠,经洗净、粉碎后,加工成货物周转箱（丰田）、通风管迸（日产）、换气口（本田）等等重新加以利用。为了进一步提高由高级聚丙烯材料制成的保险杠的再生利用率,各汽车公司正在加紧研究能完全消除旧保险杠表面油漆的影响,从而用旧材料制造新保险杠的有关技术,升已取得阶段性成果。如日产公司的“有机盐系溶剂分解、剥离法”、富士重工业公司的“微粉碎法”、丰田公司的“加压水分解法”等,在不远的将来,即可望获得实际应用。汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应,是汽车轻量化的重要途径。车身轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前,节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势,尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。汽车油耗与车重关系密切,汽车行驶过程中受到空气阻力、轮胎阻力、加速阻力和爬坡阻力等,其中后面三项均与车身本身的重量成正比,这直接影响轿车的油耗,因此,降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减小汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。尤其是当前全球能源缺少的危机之下,轻量化技术对于未来轿车发展有着巨大的意义。实现轻质车身,最主要就是大量应用使车身轻量化的材料,同时进行车身轻量化的结构设计等。目前,车身轻量化的主要途径有2条:效果比较明显的是用轻型材料(如镁、铝、塑料盒复合材料等)替代车身骨架及内、外壁板原有的钢材,目前已制造出部分产品;另一种有效的方法是通过优化车身结构实现轻量化,其代表性成果为ULSAB(UltraLightSteelAutoBody)项目112。现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外,还应该满足基本性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。在九十年代以前,以轿车为例,其整车质量中,钢铁占有80%,铝占3%,树脂占4%。由于能源价格不断上升,作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板用量逐年上升,有色金属材料的用量也在不断增加,其中,铝合金材料的应用明显增加,非金属材料也逐步增加。本文主要就车身轻量化材料的发展做研究。1.2国内汽车用材料发展状况分析我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的。尤其是在/七五0至/九五0期间,我国通过合资的方式引进了国外先进的汽车产品技术,缩短了与发达国家之间的差距。在引进技术的带动下,/九五0期间/轿车新材料技术开发0被列入国家科技攻关计划,同时在国家863高技术计划新材料领域的支持下,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,同国外相比,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。主要表现为:企业开发能力不足,缺乏创新、竞争能力;技术与管理水平落后,生产规模小,劳动生产率低,产品质量差;产品结构不合理,技术含量低,低档产品过剩,高端产品依靠进口;汽车行业采用的材料系列与品种繁杂、数量少,使汽车专用材料的产量难以达到经济规模;汽车材料基础技术研究薄弱,缺少材料评价技术与体系,材料技术标准混乱,基础数据贫乏。从总体上看,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。国内汽车工业的迅速发展以及加入WTO,使我国汽车材料领域面临着前所未有的机遇与挑战。不仅汽车材料的需求量持续增长(预计从现在起到2020年,年均增长率可达20%以上),而且对材料的品质提出了更高的要求,这为我国汽车材料领域的发展创造了十分有利的条件。2汽车发动机连杆新材料新工艺的应用研究当今，汽车工业的主体技术正步入转型换代的新时期，轻量化、智能化、节能、安全和环保是重要的发展方向。汽车用材料属于技术含量高、性能指标高、附加值高的三高产品，代表着材料发展的最高水平。连杆是发动机主要零件之一，是传递动力的重要运动部件，又是发动机的安全件，所以连杆的质量直接影响发动机的使用性能和安全。连杆从结构上看并不复杂，但其精度要求特别高，因此连杆加工工艺比较复杂。传统连杆材料为高强度碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr或40MnB等，其加工工艺是连杆体和连杆盖分别加工，该工艺对连杆体和连杆盖接合面要求比较高，至少需要3-4道工序，然后合体加工。连杆新材料主要是高碳钢和粉末冶金，其塑性变形非常小，连杆毛坯整体加工，利用撑断技术，使连杆体和连杆盖分开，断面整齐、变形小，利用断口进行定位，无须再加工。1.连杆的功用、结构特点及主要技术要求连杆功用是将活塞的力传给曲轴，变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。连杆的小头随活塞作往复运动，大头随曲轴作回转运动，杆身在大小头运动的合成下作摆动，所以，连杆除承受周期性变化的气体冲击外，还要承受较大的惯性力。这就要求连杆耐疲劳、抗冲击，并具有足够的强度、刚度及较好的韧性。由于发动机的结构不同，连杆结构略有差异，但基本上都由活塞销孔端（小头端），曲轴销孔端（大头端）及杆身三部分组成（如图1所示）。大头与曲轴的连杆轴颈相连，一般做成分开式，即连杆体大头和连杆盖连杆杆身和盖用螺栓连接。小头用来安装活塞销，以连接活塞。杆身常做成“工”字形断面。连杆大小头端的高度根据结构的不同，有等高和不等高两种，在V型发动机中，为了使结构紧凑，连杆经常采用不等高结构。图1连杆结构现代的高性能发动机对连杆的要求是重量轻、强度高、刚度好、惯性力小且尽量采用强化工艺，其发展趋势是采用短连杆结构。发动机运动部件重量的减轻有助于降低能耗和噪声，可以改善发动机的排放。对短连杆的需求是因为发动机正朝着体积小和功率大的方向发展。连杆机械加工的主要技术要求见表一表一连杆机械加工的主要技术要求2.连杆材料及毛坯汽车发动机连杆材料及其选择标准连杆在工作中承受多向的交变载荷，要求有很高的强度，因此毛坯大都采用高强度碳钢和中碳合金钢模锻而成。近年来，由于在连杆加工中所采用得撑断新工艺和粉末冶金技术的发展，高碳钢、可锻铸铁和粉末冶金材料也被广泛应用。特别是粉末冶金锻造工艺的应用使粉末冶金件的密度和强度都大大提高，其密度可达7.8克/厘米3，抗拉强度可达140~240公斤/毫米2。粉末冶金零件毛坯的尺寸精度高，可以减少机械加工量和材料浪费，从而能降低成本。另外，一些具有新型组成或微观结构的材料，如复合材料、铝纤维增强合金材料等也有应用。连杆的毛坯形式有两种，一种是体、盖分开锻造，另一种是先将体、盖锻成一体，在加工过程中再切开后一种具有材料损耗少，锻造工时少等优点，故其应用愈来愈多，成为一种主要的毛坯形式。为了保证连杆的质量和加工精度，各厂对连杆毛坯都有较严格的要求，连杆毛坯必须达到一定的技术要求并经过严外观检查毛坯表面应光洁，非加工表面不允许有凹陷、飞刺及分层，并通过磁力探伤以检查是否有裂纹。此外，我们还要对毛坯的总重量及大小头重量也有严格的要求，对毛坯重量的公差也有相关规定。3.连杆的机械加工典型工艺路线连杆形状复杂不易定位和夹紧，其刚性差、容易变形，因此其加工精度较高。3.1.连杆体检查及验收毛坯→粗磨大小头两平面（半自动双头立轴圆台平面磨床）→钻铰小头孔及一面倒角（钻铰组合机）→小头孔倒角（立式钻床）→拉半圆、结合面、两侧面及倒角（连续拉床）→拉螺栓座面（20T双溜板拉床）→拉小头去重面（20T双溜板拉床）→钻铰连杆体的螺栓孔、铣轴瓦锁口槽、精铣结合面以及钻油道阶梯孔（13工位自动线）→清理毛刺→清洗并吹净（清洗机）→检查零件。3.2.连杆盖检查及验收毛坯→拉连杆盖两平面（连续拉床）→拉半圆、结合面、两侧面及倒角（连续拉床）→拉螺母座面及去重块三面（连续拉床）→钻铰螺栓孔、铣轴瓦锁口槽、精铣结合面（13工位自动线）→清理毛刺→清洗并吹净（清洗机）→检查零件。3.3.连杆总成装配连杆体及盖→拧紧连杆螺栓并保证力矩（螺栓拧紧机）→精磨大小头两平面（半自动双头立轴圆台平面磨床）→粗镗大头孔（单面卧式金刚镗床）→大头孔倒角（立式钻床）→半精镗、精镗大小头孔并两面倒角（11工位镗孔自动线）→清理毛刺→称重、精铣连杆大小端凸台至规定重量（去重平衡铣）→中间检查→清理毛刺→零件清洗（清洗机）→珩磨连杆大小头孔（单轴液压珩磨机、珩磨自动线）→零件清洗（清洗机）→复检重量并分组（连杆总成专用秤）→修磨重量（砂轮机）→去净连杆总成全部毛刺→最终检查。4.连杆主要部位的加工工艺分析4.1.两端平面的加工连杆加工的首道工序就是加工两端平面。在大小头孔精加工前，往往还要对此两平面进行精加工。连杆端面加工一般采用磨削工艺。在连杆毛坯锻造时，对这两端面进行精压，尺寸精度可达±0.15～±0.20mm。精压的目的就是提高毛坯精度，减少余量，使其不再经过车、铣粗加工就可直接磨削。4.2.体盖分合面及其它平面的加工连杆除了两端面以外的其它平面，也包括体盖分合面及作定位用的大小头侧面，以及整体连杆毛坯的体盖切开和切开后的半圆面，大多在连续式拉床上拉削。4.3.螺栓孔的加工连杆螺栓孔一般分为定位部分和紧固部分，定位部分为光孔，紧固部分为螺孔，因此，螺栓孔的尺寸和位置精度要求都比较高。作为定位的光孔，在钻孔后还要进行铰孔。为了提高尺寸精度，螺栓孔采用枪钻和枪铰加工。在大规模自动化生产及近年来所建立的自动系统中，组合机床自动线用得越来越多，并且作为整个综合加工系统的一部分，纳入一条组合自动线中，或成为一条长自动线中的组合部分。采用组合机床自动线更便于多件多面加工，有利提高生产率。连杆新材料和新工艺已经在国内各大汽车厂（奇瑞/上海大众/上海通用等汽车厂）新建的发动机厂得到应用；芜湖市的奇瑞汽车有限公司第二发动机厂也建了一条连杆线，连杆材料为C70，加工工艺采用最新的激光撑断技术，规划中的发动机三厂准备用粉末冶金作为连杆材料。3汽车轮毂材料的发展现状及制备工艺轮毂作为汽车一个重要部件,对汽车节能、环保、安全性、操控性都有重要的影响,因此如何选材及加工成型,达到轻量化,意义深远。优质汽车轮毂包括以下基本条件[1]:1质量轻,价格低,表面质量高,易于成型；2具有良好的静力学、动力学以及耐腐蚀特性；3具有良好的回转特性和导热特性；4具有良好的回收能力,符合环保要求。对于性能例如强度,目前可以采用专业工具进行分析,如美国MSC公司的MSC.NASTRAN,同时进行尺寸优化[2],但所有这些都基于选材。轮毂材料可以粗略分为钢铁材料、合金材料、复合材料等三大类别,同时结构上分为一件式、两件式、三件式,因此其加工制备工艺多种多样。1钢铁材料钢制辐板式轮毂的最早记录是1905年[3],由于其强度高、散热性能好、耐磨损等特性,在很长时间里被轿车采用。尽管70年代以来,各种新型材料如轻质合金等相继问世,但该种轮毂仍以其成熟简单的工艺,低廉的成本和优良的性能在汽车市场占据一定的份额[4]。1.1碳素钢碳素钢主要用于规则成型钢轮毂,该轮毂是由坚固的圆柱形轮辋和碳素钢轮盘焊接而成。为了改善刹车轮盘的通风情况,在轮毂上加工一定数量的圆孔,但这不会降低使用期内对外来受力的抵抗程度。尽管具有价格优势以及一般动力性能机车上的满意度,但对于一些特定类型的汽车而言,仍然具有许多缺点,故不推荐使用。首先,由于该轮毂是由廉价的低抵抗力的碳素钢制作而成,对于刹车盘不能大面积冷却,因此,在高性能和安全性的车辆中不使用该类型轮毂。第二,由于该轮是由低强度材料制造而成,轮盘和轮毂的厚度要达到相当大的程度,导致重量增加。在现有制造工艺中,几乎不可能满足良好性能要求,更为重要的是,冷却刹车盘不会制作更多大面积的圆孔,而这又降低了减重的可能性。由于重量增加,轮毂具有较大的惯性,对于无悬浮结构支持的轮子来说,无疑增加了刹车和操控系统的阻力,难以掌握车子的运动方向,结果使刹车系统、悬浮系统、操控系统的改进尽数消除。因此,在高性能车中不使用该种轮毂。第三,该轮毂生产构成不允许在表面之上装饰各种精美的图案,使其不可能装备豪华车和运动跑车,因为购买者不会接受因装该轮而缺乏美感。1.2球墨铸铁球墨铸铁以其优良的综合力学性能应用在轮毂上,如铁素体球墨铸铁、高韧性球墨铸铁等。但是,由于类似碳素钢轮毂的缺点,以及铸造过程的复杂性和铸造模型所限,轮毂形状难于控制,限制了其应用。1.3其他钢铁材料一些合金钢如加入钛元素的低合金钢,合金元素可以细化晶粒,提高钢的力学性能,使钢具有强度高、塑韧性好、加工成形性和焊接性良好,可以作为轮毂用钢[5]；此外,低合金高强度F+B双相钢,如低碳含铌钢,提高贝氏体含量,可以提高屈服强度,提高扩孔率,也可以用作轮辐和轮辋用钢[6]。在实际应用中的多数钢制轮毂是通过已成型的轮缘和轮盘焊接而成,尽量使自重降低。国外许多发明创新采用钢板冷变形加工而成轮辋与轮盘,并且在焊接方法上采用了一定的技术创新,如:US6052901等专利。2合金材料2.1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100kg,可减重225kg,按一辆轿车使用10年、行驶400km计算,可节约6.3t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A356.2、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(