汽车轻量化材料的应用及发展

汽车轻量化材料的应用及发展

华振龙应银木

长城汽车股份有限公司河北保定071000

摘要：汽车轻量化，就是在保证汽车强度和安全性能的前提下，降低汽车整备质量，从而提高汽车动力性，降低能耗和污染物的排放。科学调查证明，汽车的重量每减少10.1%，燃油的经济性就会被提高8个百分点。油耗的降低，对于环境保护和节能减排的工作有重大的推动作用，这是世界汽车产业发展的大趋势。近年来，随着我国汽车保有量与日俱增，汽车尾气排放导致大气中PM2.5超标，能源紧缺与环境污染形势日益严峻，当前汽车轻量化，不仅是我国节能减排战略的紧迫需要，更是车企提高核心竞争力的现实需求。汽车用轻量化材料主要有两类：一类是高强度钢；另一类是轻质材料：主要有铝合金、镁合金、钛合金、塑料等。

1、高强度钢

板材作为制造车身的主材料,不仅要求其有良好的延展性,且还要满足车辆不同部件的刚度、强度、防腐防蚀能力等要求，虽然目前汽车上使用最多的材料仍是钢材，但现在所使用的钢材大部分已经是近些年来开发的新型钢材，其品质和性能较早期的钢材已有大幅提升。目前汽车中所使用到的新型钢材已经超过其材料总量的75%。以超轻超薄高强度钢最具代表性。车身用新型钢材主要有：

1.1冷轧钢板：其特点尺寸精度高、表面质量好、具有良好的延展性、成型性，作为汽车结构部件，这种材料多使用于冲压件。主要用于车身围板、车顶盖、车门板等车身覆盖件。

1.2高强度钢板：其特点在于其具有较高的拉伸强度和较高的屈服点。但其冲压成型性比普通钢材差。一般用于需要承受高强度碰撞的汽车结构部件。主要用于车辆保险杠、悬挂系统及车门、车顶横向防撞杆等。

1.3表面处理钢板：其特点是在普通钢材表面覆盖一层惰性金属，根据需求部位的不同，可以提高钢材的防腐蚀性、抗高温及抗氧化等特殊能力（表面覆盖金属常见的为锌、铝、铜及复合性材料等）。这类钢板主要用于底盘零件等。

1.4高强度拼焊钢板：其特点拼焊部件能够进行组装,在减轻车身质量的同时提高车身强度,实现各类特殊抗性的同时，降低材料、组装、生产成本，改善零件稳定性和抗疲劳性。主要用于车身侧围等冲压成形件。

1.5夹层钢板常见的分为钢夹层板（外层是钢、铝、镁及纤维复合材料,中间夹层是瓦楞型钢板）和铝夹层板（铝夹层板的外层与钢夹层板的外层材料相同,中间是发泡铝）两种：其共同的特点是强度和刚度高、质量小、吸音力强。主要用于汽车附件产品的延伸如车门。

2、轻质材料

目前，钢在汽车材料的主导地位已受到密度较小的有色金属和塑料的有力竞争，铝合金、镁合金、钛合金、塑料等轻质材料，由于密度较低，比刚度、比强度较高，在汽车轻量化中，发挥越来越重要的作用。

2.1铝及铝合金材料

铝合金使用范围广，主要性能是耐腐蚀、形成方法多、再利用程度高、强度大、质量轻，是代替钢铁降低汽车自重比较成熟的轻量化材料之一，是汽车上应用得最快最广的轻金属。近年来，随着铝合金制造工业的不断成熟和成本的不断降低，汽车工程中能应用铝合金的地方逐年增加，从底盘到车架，从车门到发动机都离不开铝合金的贡献，在发达国家已经出现了全铝车身的概念汽车，汽车上的铝合金可划分为３种：铸造铝合金，变形铝合金，铝基复合材料。

2.1.1铸造铝合金材料

汽车上的主要部件都已经采用了铸造铝合金材料，主要是发动机、变速器、传动系统、制动系统、各种助力装置，这种改良的材料在欧美汽车工业发达的国家和地区，早已经得到了普遍应用，铸造的铝合金已经逐步淘汰原有笨重的钢材料和铁质材料，而且炼铝业中铸造铝合金的产量，大部分被汽车制造行业所消化。在德国，铝铸件的67%，压铸件的78%都是汽车用材。同时，铝材料可以使用多种铸造工艺来铸造，常用的有沙漠铸造法、压铸制造法、硬膜铸造等方法。

2.1.2变形铝合金材料

汽车制造材料的强度和韧性要在传统材料基础上有很大提高，需要对上述的铸造铝合金进行优化，而变形铝合金的出现填补了这项技术缺陷，汽车制造中可以使用的部位，主要在车辆骨架、汽车引擎的散热器、汽车轮毂、空调部件和悬架中的关键零件。变形铝合金主要优点是解决了汽车轻量化的问题，所以，许多汽车厂商开始采用这种材料。

2.1.3铝基复合材料

目前，金属复合材料中应用最广泛的是铝基复合材料，这种材料有很多的优点，比强度、比模量都很高，抗热、抗疲劳、耐磨，之所以没有形成一定的规模，是因为其产能问题和重要材料的成本问题，这种材料主要运用到汽车的刹车盘、活塞和活塞连杆中，并表现出良好的性能。

3、镁及镁合金材料

镁及镁合金相对于钢材、铝材的强度、刚度都是最高的，其密度为1.8g/cm3,仅是钢的1/5,铝的2/3。其优势显而易见。但由于镁金属化学结构不稳定，,存在易腐蚀、易变形、燃点低等问题，导致镁材料在汽车机构部件中的应用程度极低，但随着科学技术的发展，近年来镁合金及其成形技术已取得重要进展，研发各类耐热、耐腐蚀、阻燃、超轻等新型镁合金,大大提高了镁及镁合金材料的使用效率，从九十年代至今在世界等发达汽车制造企业中，镁合金在汽车零部件中使用的数量逐步递增。拒不完全统计，欧洲的镁合金汽车零部件已超过60多种,北美的镁合金汽车零部件已多达100多种。其中福特汽车公司单车采用30个镁合金压铸件,通用公司采用45个镁合金压铸件,克莱斯勒公司采用20个镁合金压铸件,单车用镁合金量为20～40kg。镁成为铜铝铅锌之后的第五大金属。

4、钛合金材料

钛材料的轻质、高强度等性能，早已为汽车制造商所注目。目前的赛车几乎都使用了钛材。汽车用钛部件主要包括：阀、悬架弹簧和气门弹簧、气门、连杆等。钛基合金材料最早由丰田公司研发，这种材料的基体是以Ti-6A1-4V合金，增强体是TIB，生产的工艺采用粉末冶金法，大大提高了性能，降低了成本，在发动机连杆的重量减轻上有重要作用。用钛基合金制作的工业元件抗拉强度高于普通高强大钢材料20％，目前，钛基合金的研发制造成本居高不下，是限制企业使用该种材料的重大瓶颈，所以，降低钛合金的制造成本是今后的重点工作。

5、塑料

塑料是当前最重要的汽车轻质材料。塑料具有质量轻、防锈防腐蚀、易于加工等特点，它不仅可降低汽车零部件的质量,而且还可以降低生产制造成本。同时塑料力学性能好、强度高,具有良好的表面着色、电镀、植绒、铆接等性能,为汽车饰件的舒适化起到了重要的作用。塑料材料主要使用在汽车的内和外饰件上，常见的有保险杠外包围。车内侧围内衬板、车门防撞条、仪表板、车窗等都几乎都是塑料件。

结语：

高强度钢由于其良好的安全性，低成本等因素，在今后的一段时间内还将是降低汽车质量的主要材料；铝、镁合金、钛合金材料，在未来的汽车领域将有很大的发展潜力。但在综合考虑到市场，研究各个方面，轻金属材料与钢铁材料会复合起来使用。塑料及其复合材料，碳纤维复合材料等新型车身材料，将会随着其成形技术等方面问题的解决，在轻量化材料方面会有很大的上升比例。

参考文献：

[1]郭玉琴，朱新峰，杨艳，熊倪.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J].锻压技术，2015，（03）：1-6.

[2]李传福，张丽萍.浅谈铝合金材料在未来汽车轻量化中的应用与发展[J].装备制造技术，2015，（04）：143-145.

[3]侯猛.汽车中轻量化与轻金属材料的采用[J].科技资讯，2015，（22）：78-79.