现代汽车制造金属材料的应用及发展

LOGO一、汽车制造的金属材料LOGO现代汽车制造金属材料发展方向概述随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，可以说，从90年代开始，汽车材料向轻量化、降成本、高性能和高功能方向发展。LOGO指导汽车材料开发和应用的方针汽车制造的金属材料长期以来，钢铁一直是构成汽车的主要材料，在汽车用钢中，合金钢比例较高。国外不少汽车采用含Cr、Ni、Mo（铬、镍、钼）等元素的结构钢和含Co（钴）量很高的永磁材料，而这些元素的资源都较稀缺，节约合金资源成为指导汽车材料开发和应用的方针。LOGO钢铁材料及其持续研究在汽车制造中的重要性各种各样的材料。其中约86%是金属材料，而在金属材料中，钢铁材料占了80%。在90年代日本的消费量中冷轧薄板占37%，热轧薄板33%，特殊钢24%;另外铝铸材料的83%都是用于汽车制造上。钢铁材料的理论强度约为14000MPa，直径为1～2μm的铁单晶体试棒可接近这个理论强度，而实际使用材料的最大强度只有2000MPa。从宏观上看是由于材料的缺陷，在微观上看是由于结晶的缺陷，所以，为得到强度高而便宜的钢铁材料，应尽量减小这些缺陷，并进行各种各样的研究。LOGO汽车材料的轻量化（一）——高张力钢板构成汽车的零件约有两万多个，在这些零件中，使用了汽车的车体钢板，以前使用的是容易成型的软质钢材。为适应轻量化的需求，以后开发了高张力钢板。这种钢板具有成型性好、强度高，并可使板厚减薄的优点。高张力钢板是在原有钢板基础上添加固溶强化型元素(硅、锰等)和析出强化型元素(铌、钛等)，并在钢铁厂退火炉内连续退火而得到。它有着屈服点低的、复合成分多的特点。车身外板用的钢板使用最多的是加磷的抗拉强度为350～400MPa的钢板，特别是轿车上使用的钢板，20%～50%都是高张力钢板。LOGO采用高强度钢板，既可以减少汽车车身的重量，又可以提高汽车的安全性和可靠性，含磷深冲压高强度钢板主要应用在车身、驾驶室上的深冲压件，使用得当，可降低材料消耗10％，高强度钢板有较低的屈服强度和高的加工硬化能力，比较适宜于制造变形程度大的冲压或拉延深件，根据成形特点，可使零件质量减轻30％一60％。目前，正在进行研究将以前铸造的一体成型的发动机气缸体改用高强度钢板冲压成型，可大幅度减轻重量而制成轻量化(约33%)的钢板制气缸体。LOGO汽车材料的轻量化（二）——铝合金材料铝合金材料铝是轻量化首选材料。在轻量化材料中，铝起了特别重要的作用。由于铝的比重只有铁的1/3，由铁向铝转换也比较容易，所以把活塞、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，保险杠、油箱也将钢板改用为铝合金。保险杠用的新铝合金也多次被开发。但在日本，主要使用的是钢板和塑料，这是因为欧美等国和日本的铝价格差异较大。因此，未来汽车的材料构成比例中，欧美地区的铝将成为主要比率。如在德国的试验车中，铝合金使用率已达到全体材料的30%。LOGO汽车材料的轻量化（二）——铝合金材料另外，由于不稳定的铝价格和强力塑料的推出，每辆汽车中铝使用量的增加势头比以前有所减弱，从精炼铝在价格来看，铝仍将是轻量化首选材料。LOGO汽车材料的轻量化（二）——镁合金材料镁比铝更轻，且资源丰富。对于易氧化的镁，由于已开发出效率高的锻造工艺，使镁的制造成本下降，但其精炼能源为电力，所以其成本比铝高。镁能否在汽车零部件上大量使用，镁和铝的价格差成为关键。镁的比重只有铝的0.64;因此价格差如能控制在1.7倍以下，才有可能使用镁。据此，从目前轻量化材料的现状出发，还不如把铝改换成塑料。但也存在制造设备的供给能力和再循环问题。而在环境问题上，也将会带来新的问题。LOGO汽车材料的降成本（一）新的铸造法——连续铸造法驱动系统齿轮由于高功率输出、轻量化、降低噪声等的需要，对驱动系统齿轮提出了严格的质量要求:强度好，热处理变形小。为达到这一要求，在钢铁材料的制造过程中，采用了连续铸造法。这种方法跟以前的铸锭法相比，具有冷却速度快、成分偏析少的优点，它与制钢时的真空脱气技术组合，可以满足齿轮所要求的强度。进而，为缩小对热处理变形影响大的钢的淬透性的偏差，制造出高品质的连续铸造钢，现在铸造的钢可将日本工业标准规定的淬透性规格限制在1/3上。连续铸造法具有提高制钢时的材料利用率和降低制造所耗能源的优点，且由于制造工艺合理化也使成本有了降低。LOGO汽车材料的降成本（二）常用手段——降低材料成本减少合金元素的添加量和降低替代材料的成本。可将价高而且价格不稳定的含Mo（钼）的Cr～Mo钢改用钼添加量只有其一半的半Mo钢和硼钢。LOGO汽车材料的降成本（三）常用手段——降低零件制造成本在这里为降低零件制造所消耗的能源而采用非调质钢，因非调质钢添加了钒，控制了热锻后的冷却速度，省去了淬火、回火的热处理，故确保了强度。它可在汽车的曲轴、连接件、车轮等部分使用，其用途可望得到进一步扩大。为提高加工能力，也有采用易切削钢，对于易切削且强度降低少而用于齿轮的低铅、易切削钢是一种新的易切削钢材。它可用于小型车的变速器，并具有降低制造成本的效果。LOGO汽车材料的降成本（四）新材料——新型弹簧钢新型弹簧钢主要指汽车悬挂系统的弹簧用钢，目前用的最广的钢板弹簧是Si钢，其性能基本上能满足使用要求，近年来，变截面少片弹簧在汽车上的应用越来越多，使用这种弹簧可以节约l/3左右的材料，并使汽车的平顺性等性能得到改善，同时有显著的技术经济效益，但其生产工艺发生了相应的变化，含Si（硅）量较高的弹簧钢具有较高的脱碳倾向，故应发展低Si或无Si的弹簧钢，以满足生产的需要。LOGO汽车材料的降成本（五）新材料——微合金非调质钢在钢中加入微量V、Ti、Nb（钒、钛、铌）等元素、经锻造或轧制冷却后在铁素体、珠光体中析出碳化物或碳氮化物而达到强化，不需要调质，可以减少热处理工序和设备，避免热处理变形和淬火裂纹造成的废品，降低能耗和生产成本。LOGO高性能和高功能汽车材料（一）——镀覆钢板镀层钢板和钢管的研制与应用，是为了改善耐腐蚀性等性能。国外在汽车上大量使用覆层钢板。镀铝或渗铝钢管主要用来制造消声器，排气净化装置的接触容器和反应器部件。镀锌钢板用来制造车身、车架、驾驶室、油箱等零件。含锌、铬的高分子化合物涂层钢板，主要用于防腐蚀要求高和不便于涂装的车身、驾驶室零件。LOGO高性能和高功能汽车材料（二）——传动系材料齿轮是汽车的重要基础零件，应按其模数和工况选用不同级别的齿轮钢。在我国目前变速器和后桥齿轮大都使用2OCrMnTi，需仿制国外成熟的先进钢种，形成汽车齿轮用钢系列化。LOGO高性能和高功能汽车材料（三）——粉末冶金合金烧结金属，是以金属粉末为原料，作金属模具内压缩成形，后烧结而成的，无需加工，材料的成分配制能自由控制，它已应用于轴承、排气门座、凸轮、齿轮、支架上。这种材料也可以用来制造连杆、消声器、离合器、转向系及制动系部件。LOGO高性能和高功能汽车材料（三）——粉末冶金合金随着粉末冶金工艺和技术新发展，高强度、高耐磨性、耐热、形状复杂的烧结结构零件和高性能减摩材料将大量应用于汽车制造中。所以，高强度烧结合金钢、烧结不锈钢等结构材料、低噪声轴承材料、高温高真空减摩材料、半金属减摩材料等将进一步得到发展和应用，这将对汽车制造产生巨大的影响。LOGO二、汽车金属材料的应用和发展LOGO汽车板料成形的发展趋势为满足较高的安全标准及乘坐的舒适性，就必须增加轿车的质量，但轿车的质量又极大地影响着轿车的油耗及尾气的排放量，因此，汽车工业正努力采用轻型结构来减轻汽车质量。这就涉及到对材料及生产工艺的战略决定。而占整车质量20％～25％的白车身无疑具有很大的减轻质量潜力。为不同的车身结构对减轻车身质量的潜在能力起决定性的作用，这些方法一类为分开的生产方式(自支撑底盘及独立车身和承载构架及独立车身)，另一类为集成式的加工方法。(金属板材整体式车身和无车架车身)。LOGO汽车板料成形的发展趋势如今金属板材整体式车身在大批量生产中已广泛使用。中型车质量经50％～60％由钢组成，车身中铝的结构比仅限于3％～7％(质量)、集中于发动机及底盘生产中。塑料约占10％～15％(质量)。在当今大批量生产中，白车身的主要材料是钢，但其他材料如铝合金及塑料正显得愈加重要，过去白车身材料采用常规低碳钢，然而为了减轻质量及增加结构性能，高强度钢(HSS)已变得愈加有前景了。在可靠的生产工艺下，采用高强度钢可减轻质量。在大多数情况下，结构板件要求更大的拉深深度以及更加复杂的负载。大批量生产中，屈服强使高达42OMPa的微合金钢和含磷合金钢，在结构部件中(防撞击部件)，如车体内侧板、内侧柱等，已广泛的应用。LOGO汽车板料成形的发展趋势在金属车身面板和结构面板的生产成形中，深冲压为主要的生产工艺。然而在材料成形方面仍然可以进一步改进。生产工艺必须根据生产规模划分。白车身内面板和外面板的大规模生产通常由冲压线和多工位压机生产，因为这些生产方式可以满足批量的要求。而材料(尤其是超高强度钢)对压力机最大许可压力和单位工件生产时间有很大影响。LOGO泡沫金属在未来汽车中的应用制造从泡沫塑料在建筑中广泛使用中得到启发，科学家们考虑在汽车业中使用“泡沫金属”。目前汽车工业是消耗金属最多的工业之一，金属制造业虽然能生产2500多种性能各异的钢材和千百种有色金属，但仍然满足不了汽车制造业的特殊需要。如果“泡沫金属”能研制出来，它将成为未来汽车的最佳材料，这种泡沫金属零件的结构是:外表用薄钢制成，中心则用泡沫金属填充。LOGO泡沫金属在未来汽车中的应用目前德国科学家已经成功地研制出“泡沫铝”--将铝粉和钛氧化合物粉末相混成，填放到钢皮制成的模型中，然后再把这充满混合物的模型加热到铝的熔点，这时，氢气会从氢化合物中分解而逸出，从而使熔化的铝产生泡沫，当钢皮模型完全冷却后，便形成了固体“泡沫铝”。这种“泡沫铝”具有整体结构，其质量轻而均匀，强度比铝更高，其外覆的钢皮模型更增强了部件的强度和刚度。LOGO新型钢质结构材料报载欧洲目前已经研制出一种新型钢质结构材料，它比普通钢质材料轻10％。主要是靠粘结钢质零件和采用减震材料新结构而制成。同时还研制出“精确钢坯”组合新结构，能使所有部件相互巧妙配合。这样，在汽车制造中，就可以机动而广泛地选用应力强度恰好合适的组合部件，如在车门铰链部位，其零件除外形合理、美观外，还需具备结构稳定性。LOGO未来对汽车性能的要求为了提高汽车的安全性和可靠性，需要从设计上、制造上，特别是材料方面考虑。例如，提高汽车结构材料的强度和