汽车轻量化材料技术

汽车轻量化材料技术当前，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。因此，降低燃耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的方向。人们现已熟知的美国PNGV计划，预计到2004年或2005年，美国轿车将达到每升汽油可行驶约34km（3倍燃料效率）。减小汽车自重是汽车降低燃耗及减少排放的最有效措施之一。美国的PNGV计划要求轿车自身质量减小40％。1材料技术在轻量化汽车中的作用福特汽车公司负责人在一次国际材料学会议上强调指出，21世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。RNGV:计划中明确提出选用新材料（包括高强度钢、铝、镁、钛合金、塑料及复合材料等）来实现减小汽车自身质量的目的，并把先进的轻质材料作为急需开发的技术领域。铝、镁合金的优越性与竞争力迫使钢铁企业迅速发展高强度材料，于是引发了一场“金属材料之战”。钢铁业、铝业、镁业都纷纷制定出为汽车减小质量的计划。国际钢铁协会（InternationalIronandsteelInstitute）首先开展了超轻钢汽车车身（UltraLightSteelAutoBody）项目，简称UISAB。参加该项目的有来自5大洲18个国家的35家国际著名钢铁企业。该项目于1994年启动，1998年结束。该项目的主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。与UISAB相关的项目还有UISAC（UltraLightSteelAutoClosures）和UISAS（UltraLightSteelAutoSuspension）两项目，前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后一项目是采用高强度和超高强度钢板、钢管、棒材以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统。其目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架质量减小20%，不增加成本，达到铝材的减小质量标准，而成本与铝相比下降20％。UISAB计划后，钢铁企业又于1998年3月开始在全球实施UISAB－AVC计划，即先进的汽车概念项目（AdvancedVehicleConcept）。该项目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、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件），于2004年可研制出概念车并满足2004年汽车碰撞安全标准要求，明显改善燃油效率，材料可回收，排放减少并能降低成本，可大批量生产。与此同时，世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟（AutoAluminumAlliance），其中包括铝协的汽车及轻卡集团、美国汽车材料合作伙伴（USAutomotiveMaterialsPartnership，简称USAMP）。2轻量化汽车材料技术的发展趋势由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越，其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。但高强度钢和超高强度钢的应用，如汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。铝镁合金在汽车上的用量将明显增加。工程塑料、复合材料所占比例将有明显增长。德国Paderbom大学O.Habn等人提到“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。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。要实现多材料轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”。1高强度钢板1）ULSAB项目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。与ULSAB相关性的ULSAC的创新成果有如下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）。2）ULSAB－AVC项目ULSAB－AVC项目的目标如下：——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。3）高强度钢板的定义与分类ULSAB－AVC联合会认为对钢种分类的规范化非常重要。按习惯定义屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）。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。2其它轻量化材料铝具有高的导电性和导热性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。铸、锻、冲压工艺均适合于其零件制造，在汽车上的用量将明显增加。镁的密度为铝的2/3、钢的1/4。镁具有较高的比强度和比弹性模量、良好的刚性和抗电磁干扰屏蔽性、高的阻尼性能和减震抗冲击能力，其切削加工性和尺寸稳定性优于铝。镁合金易于回收利用，其应用极为广泛，也是汽车工业中最有发展前景的轻金属结构材料。中国钢铁新闻网为了达到进一步减小质量及降低成本的目的，除了开发高强度钢、铝、镁轻合金材料外，近年来还将一系列新工艺应用于高强度钢和轻质材料的开发，如激光拼焊、液压成形、半固态金属成形、注射成形和喷射成形技术等。下面将简单介绍半固态金属成形技术和喷射成形技术。1半固态成形技术1）半固态金属成形技术的产生与发展20世纪70年代初．以Flemings教授为首的美国麻省理工学院的研究小组偶然发现了机械搅拌下的半固态金属组织和流变性特点。随后，Flemings教授及其助手在此方面进行了深入、系统的基础和技术研究，提出了半固态金属成形或加工技术（Semi-SolidFormingorProcessingofMetals，简称SSF或SSP）的概念，开创了金属材料成形加工技术的新领域。与过热液态金属铸造相比，半固态金属（Semi-solidmetal）含有一定体积分数的球状初生固相，半固态金属成形零件致密性好、力学性能高、机加工量少、模具寿命长；与固态金属锻造相比，半固态金属含有一定体积分数的液相，半固态金属成形零件形状复杂、易于近终成形、变形抗力低，因此，半固态金属成形技术研究及应用引起世界各国的高度重视。2）半固态金属成形技术及其分类所谓金属半固态成形或半固态加工，就是在金属凝固过程中，对其施加以剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，得到一种液态金属母液中均匀的悬浮一定体积分数的类球状初生固相的固—液混合浆料，利用这种固—液混合浆料直接进行成形加工，或将这种固—液混合浆料完全凝固成坯，根据需要将坯料切分，再将切分的坯料重新加热至固液两相区，利用这种半固态坯料进行成形加工，这两种方法均称之为金属的半固态加工。相反，在金属凝固过程中，若不对其施以强烈的搅拌或扰动，此时析出的初生固相将是树枝状晶体，它们互相搭接，形变阻力很大，在半固态下加压成形时固液相容易分离，造成严重的宏观偏析，成形件也容易开裂。目前，半固态金属成形技术主要分为两类：流变成形和触变成形。半固态金屑的流变成形。利用剧烈搅拌等方法制备出预定固相分数的半固态金属浆料，井对半固态金属浆料进行保温，将该半浆料直接送往成形设备进行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态金属的流变成形。根据成形设备的种类，半固态金属又可分为流变压铸、流变锻造、流变轧制、流变挤压等。半固态金属的触变成形。利用剧烈搅拌等方法制备出球状晶浆料，将该半固态金属浆料进一步凝固成锭或坯料；再按要求将金属坯料切分成一定大小，把这种切分的固态坯料重新加热到两相区，然后利用机械搬运将该半固态坯料送往成形设备进行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态金属的触变成形。根据成形设备的种类，半固态金属又可分为触变压铸、触变锻造、触变轧制、触变挤压等。3）金属半固态非枝晶组织形成机理金属凝固过程中结晶体的形貌取决于晶体的长大方式，以及固液界面前沿温度梯度、溶质浓度梯度、热流方向和散热强度等。如果固液界面前沿温度梯度为负，且传热无方向性，晶粒一般生长为等轴树枝晶。如果对其施加强烈搅拌，传统的树枝状初生晶粒最终会转变为花瓣状、椭球状甚至球状。许多学者提出了描述这种转化机制的假设，但尚未得出统一确定的理论。正常熟化引起的枝晶根部熔断假说认为，正常熟化引起枝晶臂根部熔化，而搅动引起的流变改变或促使了熟化时溶质的扩散，并带离熔断的枝晶，而这些熔断的初生枝晶臂进一步枝晶化，并随着持续的搅拌剪切，熔断的初生枝晶臂之间以及液相间的摩擦和冲刷，和自身的熟化，熔断的枝晶臂渐变为蔷薇状，并逐渐密实，当搅拌剪切速率较高而冷却速率较低，初生枝晶臂就会转化为椭球状或球状。枝晶臂机械折断假说认为机械搅拌引起的流体粘性力使金属熔体的枝晶臂折断，出现晶粒细化和增值，因此需要强烈的机械搅拌。枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润假说假设初生枝晶臂具有一定的塑性，使其在搅拌的紊流中只产生塑性弯曲，当弯曲角度达到一定程度，弯曲部位的附加位错经过回复和再结晶形成晶界，由于大角晶界能高于固液界面能，弯曲枝晶臂的这种大角晶界终会被液相薄膜完全浸润而逐步剥离。此外，现有的假说还有电磁搅拌下的枝晶臂根部熔断机制、电磁搅拌下的枝晶循环熔断机制、高剪切速率下的球状晶形成机制和重结晶机制等。4）半固态金属浆料或坯料的制备技术电磁搅拌制备技术在连铸过程中利用单相或多相线圈绕组通过交流电流产生的感应旋转电磁场搅拌金属液，加速液相流动，可以改善杂质分布，从而得到具有圆整性较好的固相颗粒的半固态金属浆料。根据旋转磁场的产生，电磁搅拌可分为交流感应电磁搅拌、交流感应行波电磁搅拌、交流无芯感应器法搅拌和永久磁铁旋转法搅拌。在目前的半固态金属浆料或坯料制备技术中，电磁搅拌是最成功的一种，在实际应用中也占主导地位。分为连续搅拌和非连续搅拌，其中非连续机械搅拌是最早应用于半固态金属浆料制备的方法，利用机械旋转的叶片、搅拌棒等改变凝固中金属初生晶粒的生长，获得球状或类球状的初生晶粒的半固态浆料。该方法设备简单、造价低、操作方便，但产量小，浆料易被搅拌装置污染，例如铝合金浆料的制备就不能用铁质的搅拌棒或叶片。变形诱导激活方法，即Strain-inducedMeltActivationProcess，简称SIMA，利用传统连铸方法预先连铸出晶粒细小的金属坯料，将坯料在回复再结晶温度范围内进行大变形量的挤压变形，破碎铸态组织，而后再对坯料进行小量的冷变形，最后按照需要将坯料切成一定大小，快速加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的半固态坯料。且坯料纯净，生产效率高。除了制备铸造铝合金外，还可制备变形铝合金、铜合金以及黑色金属的半固态坯料。利用超声机械振动波扰动