現代汽車制造金屬材料的應用及發展方向

隨著科學技術的飛速發展，現代汽車制造材料的構成，發生了較大的變化，高密度材料的比例下降，低密度材料有較大幅度的增加，可以說，從90年代開始，汽車材料向輕量化、節省資源、高性能和高功能方向發展。 一、汽車制造的金屬材料 長期以來，鋼鐵一直是構成汽車的主要材料，在汽車用鋼中，合金鋼比例較高。國外不少汽車采用含Cr、Ni、Mo等元素的結構鋼和含Co量很高的永磁材料，而這些元素的資源都較稀缺，節約合金資源成為指導汽車材料開發和應用的方針之一。 構成汽車的零件約有兩萬多個，在這些零件中，使用了各種各樣的材料(見圖)。其中約86%是金屬材料，而在金屬材料中，鋼鐵材料占了80%。在90年代日本的消費量中冷軋薄板占37%，熱軋薄板33%，特殊鋼24%;另外鋁鑄材料的83%都是用于汽車制造上， 這對日本經濟界的發展產生了很大的影響。 鋼鐵材料的理論強度約為14000MPa，直徑為1～2μm的鐵單晶體試棒可接近這個理論強度，而實際使用材料的最大強度只有2000MPa。從宏觀上看是由于材料的缺陷，在微觀上看是由于結晶的缺陷，所以，為得到強度高而便宜的鋼鐵材料，應盡量減小這些缺陷，并進行各種各樣的研究。 汽車的車體鋼板，以前使用的是容易成型的軟質鋼材。為適應輕量化的需求，以后開發了高張力鋼板。這種鋼板具有成型性好、強度高，并可使板厚減薄的優點。高張力鋼板是在原有鋼板基礎上添加固溶強化型元素(硅、錳等)和析出強化型元素(鈮、鈦等)，并在鋼鐵廠退火爐內連續退火而得到。它有著屈服點低的、復合成分多的特點。 車身外板用的鋼板使用最多的是加磷的抗拉強度為350～400MPa的鋼板，特別是轎車上使用的鋼板，20%～50%都是高張力鋼板。目前，正在進行研究將以前鑄造的一體成型的發動機氣缸體改用鋼板沖壓成型，可大幅度減輕重量而制成輕量化(約33%)的鋼板制氣缸體。另外，驅動系統齒輪由于高功率輸出、輕量化、降低噪聲等的需要，對驅動系統齒輪提出了嚴格的質量要求:強度好，熱處理變形小。為達到這一要求，在鋼鐵材料的制造過程中，采用了連續鑄造法。這種方法跟以前的鑄錠法相比，具有冷卻速度快、成分偏析少的優點，它與制鋼時的真空脫氣技術組合，可以滿足齒輪所要求的強度。進而，為縮小對熱處理變形影響大的鋼的淬透性的偏差，制造出高品質的連續鑄造鋼，現在鑄造的鋼可將日本工業標準規定的淬透性規格限制在1/3上。連續鑄造法具有提高制鋼時的材料利用率和降低制造所耗能源的優點，且由于制造工藝合理化也使成本有了降低。 降低成本是和提高質量同等重要的課題，降低成本主要有兩個手段:一是減少合金元素的添加量和降低替代材料的成本。可將價高而且價格不穩定的含Mo的Cr～Mo鋼改用鉬添加量只有其一半的半Mo鋼和硼鋼。二是降低零件制造成本。在這里為降低零件制造所消耗的能源而采用非調質鋼，為提高加工能力，也有采用易切削鋼。因非調質鋼添加了釩，控制了熱鍛后的冷卻速度，省去了淬火、回火的熱處理，故確保了強度。它可在汽車的曲軸、連接件、FF車的車輪等部分使用，其用途可望得到進一步擴大。另外，對于易切削且強度降低少而用于齒輪的低鉛、易切削鋼是一種新的易切削鋼材。它可用于小型車的變速器，并具有降低制造成本的效果。 新型彈簧鋼 新型彈簧鋼主要指汽車懸掛系統的彈簧用鋼，目前用的最廣的鋼板彈簧是Si鋼，其性能基本上能滿足使用要求，近年來，變截面少片彈簧在汽車上的應用越來越多，使用這種彈簧可以節約l/3左右的材料，并使汽車的平順性等性能得到改善，同時有顯著的技術經濟效益，但其生產工藝發生了相應的變化，含Si量較高的彈簧鋼具有較高的脫碳傾向，故應發展低Si或無Si的彈簧鋼，以滿足生產的需要。 微合金非調質鋼 在鋼中加入微量V、Ti、Nb等元索、經鍛造或軋制冷卻后在鐵索體、珠光體中析出碳化物或碳氮化物而達到強化，不需要調質，可以減少熱處理工序和設備，避免熱處理變形和淬火裂紋造成的廢品，降低能耗和生產成本。 高強度鋼板 采用高強度鋼板，既可以減少汽車由身的質量，又可以提高汽車的安全性和可靠性，含磷深沖壓高強度鋼板主要應用在車身、駕駛室上的深沖壓件，使用得當，可降低材料消耗10％，雙相鋼板其有較低的屈服強度和高的加工硬化能力，比較適宜于制造變形程度大的沖壓或拉延深件，根據成形特點，可使零件質量減輕30％一60％。 鍍覆鋼板 鍍層鋼板和鋼管的研制與應用，是為了改善耐腐蝕性等性能。國外在汽車上大量使用覆層鋼板。鍍鋁或滲鋁鋼管主要用來制造消聲器，排氣凈化裝置的接觸容器和反應器部件。鍍鋅鋼板用來制造車身、車架、駕駛室、油箱等零件。含鋅、鉻的高分子化合物涂層鋼板，主要用于防腐蝕要求高和不便于涂裝的車身、駕駛室零件。 傳動系材料 齒輪是汽車的重要基礎零件，應按其模數和工況選用不同級別的齒輪鋼。在我國目前變速器和后橋齒輪大都使用2OCrMnTi，需仿制國外成熟的先進鋼種，形成汽車齒輪用鋼系列化。 擴大應用有色輕金屬 有色輕金屬的應用范圍在不斷擴大，鋁的密度為鋼的l/3，用鋁代替鋼可以減少質量50％左右，但鋁的強度低，體積較大。鎂合金的強度比鋁合金高、而與高強使合金結構鋼相近，所以，沖壓鋁、鎂合金作汽車材料，是使汽車減輕質量和節能的一條有效途徑。用鋁合金板可制造發動機罩、行李箱蓋、保險杠、車身內外板件、散熱器，用鎂合金制造操縱桿托架、大粱、離合器殼和變速器殼等。 粉末冶金合金 燒結金屬，是以金屬粉末為原料，作金屬模具內壓縮成形，后燒結而成的，無需加工，材料的成分配制能自由控制，它已應用于軸承、排氣門座、凸輪、齒輪、支架上。這種材料也可以用來制造連桿、消聲器、離合器、轉向系及制動系部件。
隨著粉末冶金工藝和技術新發展，高強度、高耐磨性、耐熱、形狀復雜的燒結結構零件和高性能減摩材料將大量應用于汽車制造中。所以，高強度燒結合金鋼、燒結不銹鋼等結構材料、低噪聲軸承材料、高溫高真空減摩材料、半金屬減摩材料等將進一步得到發展和應用，這將對汽車制造產生巨大的影響。 鋁合金材料 鋁是輕量化首選材料。在高張力鋼板、鋁、塑料與一種稱為FRP的輕量化材料中，鋁起了特別重要的作用。由于鋁的比重只有鐵的1/3，由鐵向鋁轉換也比較容易，所以把活塞、進氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。 在美國和歐洲，保險杠、油箱也將鋼板改用為鋁合金。保險杠用的新鋁合金也多次被開發。但在日本，主要使用的是鋼板和塑料，這是因為歐美等國和日本的鋁價格差異較大。因此，未來汽車的材料構成比例中，歐美地區的鋁將成為主要比率。如在德國的試驗車中，鋁合金使用率已達到全體材料的30%。另外，由于不穩定的鋁價格和強力塑料的推出，每輛汽車中鋁使用量的增加勢頭比以前有所減弱，從精煉鋁在價格來看，鋁仍將是輕量化首選材料。 鎂合金材料 鎂比鋁更輕，且資源豐富。對于易氧化的鎂，由于已開發出效率高的鍛造工藝，使鎂的制造成本下降，但其精煉能源為電力，所以其成本比鋁高。鎂能否在汽車零部件上大量使用，鎂和鋁的價格差成為關鍵。鎂的比重只有鋁的0.64;因此價格差如能控制在1.7倍以下，才有可能使用鎂。據此，從目前輕量化材料的現狀出發，還不如把鋁改換成塑料。但也存在制造設備的供給能力和再循環問題。而在環境問題上，也將會帶來新的問題。 二、汽車金屬材料的應用和發展 汽車板料成形的發展趨勢 為滿足較高的安全標準及乘坐的舒適性，就必須增加轎車的質量，但轎車的質量又極大地影響著轎車的油耗及尾氣的排放量，因此，汽車工業正努力采用輕型結構來減輕汽車質量。這就涉及到對材料及生產工藝的戰略決定。而占整車質量20％～25％的白車身無疑具有很大的減輕質量潛力。 不同的車身結構對減輕車身質量的潛在能力起決定性的作用，這些方法一類為分開的生產方式(自支撐底盤及獨立車身和承載構架及獨立車身)，另一類為集成式的加工方法。(金屬板材整體式車身和無車架車身)。如今金屬板材整體式車身在大批量生產中已廣泛使用。 減輕車身質量的方法 大最使用輕質材料是車身減輕質量的主要手段。如今，中型車質量經50％～60％由鋼組成，車身中鋁的結構比僅限于3％～7％(質量)、集中于發動機及底盤生產中。塑料約占10％～15％(質量)。在當今大批量生產中，白車身的主要材料是鋼，但其他材料如鋁合金及塑料正顯得愈加重要，過去白車身材料采用常規低碳鋼，然而為了減輕質量及增加結構性能，高強度鋼(HSS)已變得愈加有前景了。 在可靠的生產工藝下，采用高強度鋼可減輕質量。在大多數情況下，結構板件要求更大的拉深深度以及更加復雜的負載。大批量生產中，屈服強使高達42OMPa的微合金鋼和含磷合金鋼，在結構部件中(防撞擊部件)，如車體內側板、內側柱等，已廣泛的應用。 對大批量和小批量生產的影響 在金屬車身面板和結構面板的生產成形中，深沖壓為主要的生產工藝。然而在材料成形方面仍然可以進一步改進。生產工藝必須根據生產規模劃分。白車身內面板和外面板的大規模生產通常由沖壓線和多工位壓機生產，因為這些生產方式可以滿足批量的要求。而材料(尤其是超高強度鋼)對壓力機最大許可壓力和單位工件生產時間有很大影響。 泡沫金屬在未來汽車中的應用 制造從泡沫塑料在建筑中廣泛使用中得到啟發，科學家們考慮在汽車業中使用“泡沫金屬”。目前汽車工業是消耗金屬最多的工業之一，金屬制造業雖然能生產2500多種性能各異的鋼材和千百種有色金屬，但仍然滿足不了汽車制造業的特殊需要。如果“泡沫金屬”能研制出來，它將成為未來汽車的最佳材料，這種泡沫金屬零件的結構是:外表用薄鋼制成，中心則用泡沫金屬填充。 報載歐洲目前已經研制出--種新型鋼質結構材料，它比普通鋼質材料輕10％。主要是靠粘結鋼質零件和采用減震材料新結構而制成。同時還研制出“精確鋼坯”組合新結構，能使所有部件相互巧妙配合。這樣，在汽車制造中，就可以機動而廣泛地選用應力強度恰好合適的組合部件，如在車門鉸鏈部位，其零件除外形合理、美觀外，還需具備結構穩定性。 目前德國科學家已經成功地研制出“泡沫鋁”--將鋁粉和鈦氧化合物粉末相混成，填放到鋼皮制成的模型中，然后再把這充滿混合物的模型加熱到鋁的熔點，這時，氫氣會從氫化合物中分解而逸出，從而使熔化的鋁產生泡沫，當鋼皮模型完全冷卻后，便形成了固體“泡沫鋁”。這種“泡沫鋁”具有整體結構，其質量輕而均勻，強度比鋁更高，其外覆的鋼皮模型更增強了部件的強度和剛度。 為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設計上、制造上，特別是材料方面考慮。例如，提高汽車結構材料的強度和韌性，使之更堅固可靠，一旦發生撞車、翻車等交通事故時，能最大限度地減輕損傷程度，保證人員的乘車安全。與此同時，大力發展各種汽車用的具有特殊功能的材料，以提高汽車的自控能力，進一步改善汽車的性能。 汽車所用的材料，由于節省能源、節省資源、輕量化的需要而有所變化，新材料相繼被推出、應用。在比較成熟的金屬材料中，鋼鐵材料和輕金屬材料也出現了新的發展趨勢。

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