汽车制造材料的轻量化趋势
孙焕军1,刁国强2,郝晨声2(1鸡西市公安交警支队;2黑龙江工程学院)
摘要:客观地论述了汽车与能源消耗和环境友好之间日益尖锐的矛盾,分析了汽车制造材料轻量化的必然发展趋势,较为详尽介绍了高强度车用钢材、铝合金材料、镁合金材料、钛合金材料以及塑料在汽车上的应用现状,预测了轻量化汽车制造材料的发展前景。关键词:汽车制造材料;轻量化;能源消耗;环境友好中图分类号:U46304文献标识码:C文章编号:1008-3383(2006)03-0090-03
1汽车制造材料发展的轻量化趋势汽车材料是汽车品质的基础,在汽车产业中具有重要的地位。汽车发展,材料先行,汽车技术的发展,在很大程度上取决于汽车制造材料的不断进步。在结构材料体系中,钢铁因其卓越的使用性能和良好的加工工艺性,在汽车工业发展的初期,便居身于汽车制造材料的主导地位。尤其随着钢铁在各个工业领域中大规模应用,使其成本不断降低,钢铁在汽车制造材料领域的主导地位愈发巩固,使用总量保持在50%以上。20世纪末期,能源问题逐渐受到世界性关注,面对日益短缺的常规能源,作为生产能源消耗主要载体之一的汽车工业,开始做出积极的战略调整,以应对能源短缺所带来的不利影响,研发节能型汽车成为汽车工业发展的主题。而新型结构材料的应用,首先推动了节能环保型汽车创新性发展。针对最为突出的汽车轻量化要求,使用其他轻质结构材料替代传统的钢铁材料,有效减轻了汽车自重,科学实现了节省燃料的目的。据国际权威部门统计,汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重,汽车质量每减轻10%,可降低油耗6%~8%。测试表明,在经济行驶速度下,汽车质量每减少1kg,1L汽油可多运行11m。近20年来,汽车用结构材料在构成上有了明显的变化,轻质金属、合成塑料、陶瓷以及各类复合材料,逐渐被广泛地应用在汽车上,汽车质量不断减轻,满足了节能化需要,成为汽车发展一个重要方向。但应指出,汽车用结构材料的使用并不是笼统着眼于零部件质量的降低。如出于安全性的考虑,铝合金材料悬挂臂的应用增长并不明显,目前还倾向于钢铁材料的使用。在轮毂材料方面,1995年以来,铝合金的使用反而略有下降,原因是小型卡车大量使用复合钢。而保险杠的发展完全与轻量化趋势相反,1995年铝合金和塑料的使用比率占45%,到2001年比率降到20%,这是由于用钢的强度和冲击韧性的显著优势,更适合于作为保险杠材料。总之,就汽车整体结构而言,由于轻量化零部件的应用一直呈增长势头,使轻量化材料应用呈明显增长趋势。随着环境友好概念日益受到重视,使汽车节能降耗的要求不断高涨的同时,相关环保法规口趋严酷。实现汽车低尾气排放甚至零排放,已经成为环保型汽车发展的现实目标。制造商正努力将电动混合燃油汽车推向市场,这要求在汽车结构材料的使用上,向更具轻量化趋势发展。另外汽车用燃料电池技术的不断成熟,使车用燃料电池材料的研发不断突破,而未来完全由电池动力驱动的汽车将对材料提出更高要求。汽车用功能材料作为汽车制造材料的另一组成部分,同汽车用结构材料一样,有着服务于节能环保的轻量化要求。2轻量化结构材料在汽车上应用现状21车用高强度钢面对铝、镁等轻质合金材料在汽车减重方面发起的挑战,钢铁企业迅速采取行动,研究和开发车用高强度钢。1994年,国际钢铁协会联合18个国家的35家著名钢铁企业,开展超轻钢汽车车身项目(ULSAB)的研发。此后,在1998年开始实施先进汽车概念项目(ULSABAVC)研究,以开发新一代车用钢铁材料。此类先进的高强度钢(AHSS)为多相钢,其组织主要由M和B组织按一定比例构成,因具有较低的屈强比,使其具有较高的应变硬化能力,实现了较高强度和良好成型性的配合。可见,通过采用新热处理工艺等新技术,可以生产出综合性能更佳的高强度钢,在满足汽车使用要求的同时,可以减少其使用量。这意味着可以不用求助于其他材料,而在一定程度上达到减轻汽车质量的目的。不可否认,钢铁材料强度高、塑性好、抗冲击性强、价格低,非常适用于汽车制造。因此,尽管其他轻量化材料已经开始与其竞争,但钢铁在未来30年仍将是汽车工业中最主要的材料。目前普通钢材用量不断下降的同时,高强度和超高强度钢材在汽车上的用量高速增长,在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的应用不断扩展。从1997~1999年,高强902006年第3期(总第145期)黑龙江交通科技HEILONGJIANGJIAOTONGKEJINo.3,2006(SumNo.145)度钢在汽车上的用量增加了162%,未来将完全取代现有传统钢铁材料。22车用轻质金属材料(1)铝合金车用结构材料铝是最早用于汽车制造的轻质金属材料,也是结构材料中最为经济实用、最具竞争力的汽车用轻金属材料。从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看,铝合金具有多种优势,如密度小,用其替代传统钢铁,可减小整车质量的30%~40%。回收率高,仅次于钢铁,目前可达87%,符合环保要求。良好的压力加工和铸造加工性,也为汽车生产企业所认可。目前,汽车用铝合金材料的3/4为铸造铝合金,主要是发动机部件(如缸盖、缸体、活塞等),传动系部件(如变速器壳),底盘行走系零部件(如转向机壳、车轮等)。变形铝合金主要用于热交换器系统(如各种散热器、空调冷凝器等),车身系部件(如发动机罩、车体框架等)。预计10年内95%的气缸盖和50%的轿车发动机气缸体将用铝合金制造。据预测,2005年全球每辆汽车的平均用铝量将提高到140kg,全球汽车用铝量将达到900万t。根据国际权威部门统计,2002年全球范围内,在每辆汽车中各零部件的用铝量如表1所示。表1汽车零部件用铝量统计零部件北美欧洲日本发动机部件423644变速箱和动力传动281520车轮231218刹车、悬架、方向盘等884车身、保险杠、覆盖件等361(2)镁合金镁是目前工业上应用最轻的金属,随着汽车排放法规日趋强化、节能降耗日趋迫切,镁合金材料愈发受到汽车业的关注。镁合金材料密度仅为铝合金的2/3左右,因此汽车使用镁合金材料,可在铝合金材料减轻汽车自重的基础上再减轻15%~20%。镁合金具有较高的强度和刚度,其比强度高于铝合金和钢,比刚度接近铝合金和钢,能够承受一定程度的负荷。另外镁的地球储量丰富,在金属中居第三位,也是其具有广泛应用前景的因素之一。汽车用镁合金材料多以压铸件为主,一类是非结构铸件,不需要承受大的冲击,但要求部件的尺寸精确、密封性好,主要包括变速箱壳、气阀/凸轮罩盖、离合器壳、电动机/发电机罩、进气歧管和油底壳等。另一类是结构铸件,要求承受特定的载荷,而且应具有一定的抗冲击能力,主要包括方向盘、仪表板、座椅、车门框架、制动/离合器支架、转向柱部件和安全气囊底座等。目前汽车用镁合金压铸零部件至少已超过60种,具体情况如表2所示。表2镁合金压铸件的开发和应用状况产品状态镁合金压铸件已经在用或近期将推广轮毂、仪表盘、座椅框架、变速箱壳体、转向系统、汽缸盖、进气歧管和刹车踏板架等正加紧开发门框、大的车体外部件、支撑住、发动机箱体、油底盘、镁合金方向盘等据国际镁材料学会(IMA)统计,2000年全球镁合金压铸件需求量已上升到115万t。其预测到2005年,全世界对镁合金压铸件的需求量将增加到1775万t,每年平均增长91%。2000年末,由美国三大汽车公司和联邦政府组成的美国汽车研究委员会(USCAR)着手进行镁合金在汽车上应用的项目,研究的焦点集中在中高强度的汽车底盘结构上,如发动机支架和后支柱。其目标之一是使中型车的每百公里耗油量降到3L以下。目前,镁合金在全球汽车工业用量的年均增长率一直保持在15%以上,此增长趋势预计至少会持续到2010年以后。(3)钛合金在汽车用轻量化金属材料中,钛合金最为人们所关注。主要因其强度大大高于其他轻量化材料,甚至可与合金钢的强度相比较,加之其所具有的优良的耐蚀性、抗氧化性和高低温性能,使其在一些恶劣的工作条件下,具有铝、镁合金材料无法满足的汽车服役性能要求,因此钛合金将是取代钢材的最佳轻量化材料。但目前由于钛合金材料价格高,加工条件复杂,极大限制了钛合金在汽车上的应用。汽车行业一直在为钛元素寻找适合且廉价的合金化元素,以获得经济型钛合金,并通过改进加工工艺降低钛合金零件制造成本。目前汽车上承受高温和高负荷,并有抗氧化和腐蚀性要求的零部件都用钢材制造,如果选用高强钛合金材料制造这些零部件,可以在保证汽车使用性能的基础上,达到很好的减重效果。高强耐热钛合金可用于制造发动机配气系、曲轴连杆机构和底盘零件,如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆、涡轮转子和紧固件等。钛合金连杆比相同钢质零件轻30%,运动惯性小,转速高,有很好的综合使用性能。钛合金气阀弹簧质轻负荷小,可降低机械摩擦,改善凸轮轴工作条件,提高燃料效率。钛合金气门和阀座可减轻质量40%,使气门系统的运动惯性降低。此外,钛合金板材和管材还可用作消音器及车轮。目前钛合金材料的应用范围已从赛车逐渐扩大到批量生产的轿车。预计在今后5年左右时间内全球的钛合金在汽车上的用量,将达到5000t。随着钛合金材料的生产和加工成本将不断降低,有望在汽车领域得到更大的应用。(3)塑料塑料因其质量轻、耐腐蚀、成型工艺简单,及其低91第3期汽车制造材料的轻量化趋势总第145期廉的价格所具有的显著优势,使其当前在汽车工业领域已获得大量使用,替代各种昂贵的有色金属和合金钢材料,提高了汽车造型的美观与设计的灵活性,降低了零部件加工、装配与维修的费用,同时降低了汽车重量,减少了汽车的使用能耗。汽车零部件塑料化程度已成为衡量汽车工业发展水平的标志之一。汽车轻量化趋势加快了塑料在汽车领域的应用,油箱、水箱、发动机盖等组件越来越多地使用塑料,而汽车的内饰化则加快了汽车塑料化的进程。此外,汽车上防撞、导航、乘员安全辅助等高科技化系统的应用,使塑料在汽车上的应用范围日益广阔,如表3所示。表3不同类型塑料在汽车上的应用塑料品种应用实例PP保险杠、空气滤清器、壳体、导管、容器、侧遮光板PE燃油箱、冲洗水水箱ABS内饰车轮罩、散垫器格栅PA发动机上盖、进气管、车轮罩、插头PVC地板护板、防撞系统、电缆线、绝缘介质、驾驶室内饰PMMA尾灯散光玻璃PC前大灯散光玻璃、保险杠外包皮、车身覆盖件PET纺织物、盖、皮带、气囊壳体PBT电子器件外壳、保险杠外包皮、车身覆盖件、杠头POM绒夹、杆塞连接件、支承元件总之,汽车用塑料无论在用量还是品种上都呈快速增长趋势。以普通轿车为例,20世纪80年代,每辆轿车用塑料为50~60kg,占整车质量的5%~6%;20世纪90年代初,每辆轿车塑料的平均用量为100~130kg,占整车质量的7%~10%;而到2000年,这一比例已增至20%左右。预计未来汽车塑料用量将以年均10%左右的速度增长。3结论如何控制和改善汽车保有量的逐年攀升所带来的能源加速消耗,大气污染的急剧恶化,使汽车在为人类生产和生活领域良好服务的同时,有效地降低能耗和减少污染程度,实现汽车使用与人类发展和自然环境高度和谐,已经愈发成为世界性关注的能源环保课题。实践证明,汽车制造材料的创新性开发与应用,改善普通车用钢材,研发轻质高强度汽车用钢材,科学的使用铝合金、镁合金、钛合金以及塑料等轻量化汽车制造材料,已经成为减低汽车车身自重,以减少汽车耗能和尾气排放有效的根本性控制方式。随着汽车轻量化材料的逐步开发,相应技术的加速完善,势必为汽车节能环保性能不断改善,汽车的环境友好性能的不断提升,提供根本性支撑。收稿日期:2006-02-11
