第3讲：现代汽车用材料技术

TSINGHUAUNIVERSITY第3讲现代汽车用材料技术TSINGHUAUNIVERSITY一、汽车材料构成现状二、铝、镁轻金属的应用状况三、汽车用钢铁材料现状四、塑料及其它轻量化材料五、汽车材料的再生TSINGHUAUNIVERSITY一、汽车材料构成现状TSINGHUAUNIVERSITY汽车的材料构成•一辆汽车由上万个零部件组装而成，而上万个零部件又是由上千种不同材料、几千种不同的规格品种加工制造出来。•据统计，钢材的1/4、橡胶的一半以上用于汽车生产。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•汽车用四大类工程材料及其选用–首先考虑采用金属材料•金属材料属于全能材料，能够满足承载和其它要求，也符合经济要求。•金属在静态和动态条件下，具有适当的强度、刚度和韧性。其它物理特性也满足要求。•金属有众多成形及制造工艺和庞大的设计特性数据库。•有完善的报废和再循环利用行业–只有在极特殊的性能需要时，才会考虑如聚合物和陶瓷等非金属材料。–除了直接的工程应用问题外，材料选择还需考虑污染和再循环利用这样的政治问题。TSINGHUAUNIVERSITY汽车材料选择需要考虑的因素•适用性：材料的性能必须满足具体要求。–必须与部件或者装置要完成的任务相匹配；–要考虑整个使用要求，如力学载荷、载荷范围、硬度、刚度及柔性、汽车设计对质量的特别要求、各种物理特性等。–质量和样式要求作为性能要求的扩展，也需要考虑。•噪声、振动•美学特点、静态造型、色彩、纹理、感觉和气味。•经济性：经济因素和商业因素至关重要。–常规的或标准化的形式提供。•可行性：–要考虑加工过程。–部件和产品的制造方法和规模对材料也有较大的影响。•环境相宜性：法规的要求对汽车部件的和选择也有影响。–健康和安全因素制约着一些项目；–对于处理方法、垃圾成本及再循环经济的必要性。单一组成的材料部件的再循环利用相对容易；TSINGHUAUNIVERSITY系统材料应用目标常用材料传动系统及车身和底盘增强汽车安全性和减轻车重，以改进燃油经济性。铝合金、镁合金、金属基复合材料、纤维增强聚合物基复合材料。电子系统减少电子组件的重量和体积，降低成本，加强功能集成，以及增强可靠性。某些关键电子模板可靠度要求与航空工业的要求相当，而在制造成本方面却要由于家用电器相竞争的能力。材料种类繁多，包括集成电路用的硅、片状元件和后模底板用的陶瓷材料、印刷线路板用的玻璃纤维增强环氧树脂、引线框架和连接器泳的金属材料、电子器件终端材料、焊料、塑料封装组件用的塑料、胶粘剂和覆盖件中的聚合物。难题是材料的相容性。空调系统由蒸发器、冷凝器、压缩器和加热器组成。减少部件重量和体积，降低原材料和制造成本，提高部件运行效率和可靠度铝合金和铜合金。金属腐蚀为热交换器部件可靠度的主要影响因素。装饰材料被用户直接接触，对用户直接观感影响最大。降低材料和制造成本，减少重量。塑料具有可再用性，注射成形。由于塑料的许多性能和特征随着时间和温度而变化，使材料的可靠度保证变得很复杂。其他零部件和子系统电池、轮胎、车头灯、仪表显示、缓冲器、消声器、火花塞、制动器、油箱、液体导管、紧固件等采用标准通用件，有助于降低原材料成本和减少制造过程的复杂性。挡风玻璃和车窗玻璃，玻璃涂料涂漆耐用的油漆和高效喷漆设备系统TSINGHUAUNIVERSITY•最终材料的选择经常是折中的–在某些情况下，功能要求占主要地位。–在某些方面，成本和法规是主要因素。–只有对所有方案进行比较后，才能做出满意的材料选择决策，TSINGHUAUNIVERSITY案例：制动系统的材料选择分析•在制动系统操纵机构作用下，摩擦副的相对旋转使车速降下来的摩擦阻力矩。•多数摩擦副是由相对较硬的金属旋转部件和相对较软的制动块或制动蹄组成。TSINGHUAUNIVERSITY转子材料选择•转子材料要求：–必须有足够的刚度和硬度，能够把摩擦力矩传递到轮毂，而不会产生过多的变形和热效应。–应该有较高的容积热容量和良好的导热性，以吸收和传递摩擦面产生的热量，没有过多的温度升高。–摩擦材料的最高工作温度应比预期的最高温度高，以确保转子在最恶劣的环境下完好。–较低的热膨胀系数，使热变形最小。–较低的密度，以使簧下质量最小。–应耐磨，因为更换摩擦块或制动蹄更容易、更便宜。–应当便宜并且容易制造。•转子材料选择–铸铁：便宜，具有较好的热特性和高温强度保持性，但是密度较高。–铸铁替代材料：•铝金属基复合材料，碳－碳复合材料。•趋势：减轻簧下质量，减少对道路的损坏；减少污染，改善总体汽车燃油消耗。TSINGHUAUNIVERSITY摩擦材料选择•制动块或制动蹄：车轮总成的静止部分。通常复合摩擦材料粘接到钢底板或制动蹄架上。•摩擦材料要求–应产生稳定和可预测的摩擦系数，以使汽车在整个工作范围有效可靠地制动。–与转子匹配，减缓整体失效，摩擦材料自身和支撑其钢结构之间的粘接很重要。–应有相对高的温度，以防止摩擦表面产生热衰减，由于复合材料的性质，制动块材料的工作温度始终低于最高温度。–衬片和制动蹄材料的较低传导性将有利于减小热传递到其它系统部件，特别是液压油。–应有合理的耐磨性，但不能过大，因为磨损将会促进均匀的接触压力分布，防止“热点”产生。–弹性模数应相对较低，以便与粗糙的热变形的转子相适应。–应当便宜和便于制造。•复杂的复合材料，由各种纤维（目前大多采用石绵纤维）、颗粒物和填充物一起粘接到聚合体基体中，如酚醛树脂。TSINGHUAUNIVERSITY•德国Paderbom大学O.Habn等人提出“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。TSINGHUAUNIVERSITY趋势：轻量化已经成为政策性行为•轻量化作用：不但可以减轻车身质量、节约能源、降低油耗、减轻污染，也可以降低成本、提高企业竞争力、增加企业利润。–汽车的一般部件质量每减轻1%，可节油1%；运动部件每减轻1%，可节油2%。–据测算，如汽车自重减少50kg，则每升燃油行驶距离可增加1km；换言之，若自重减轻10％，则燃油经济性可提高约5.5％。TSINGHUAUNIVERSITYTSINGHUAUNIVERSITY•汽车轻量化的发展方向：–基于改善汽车燃油效率的轻量化•70年代的石油危机导致引擎相关部件的铝化（铸件、压铸）；•车重每降低10%，燃油效率可提高6~8%。–基于提升性能及安全性的轻量化•80年代之后高性能车的普及带来的车体相关部件的铝化（板材、挤型）；•运动性能、乘坐舒适感、操纵性的提升；•冲撞能量的吸收。TSINGHUAUNIVERSITY•汽车轻量化的途径：–对汽车底盘、发动机等零部件进行结构优化•前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法；–在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化。•使用铝镁轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；–采用先进的制造工艺，使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材•如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。TSINGHUAUNIVERSITY•美国政府于1993年推出的PNGV（PartnerofNewGeneralVehicle）计划：要求轿车的整备质量降低40%，使轿车每加仑汽油可行驶80英里（三倍燃料效率）及有效降低排放。–福特公司的Synergy2010概念车采用了高强度铝合金车身，使质量降低了1/3；–通用公司的Precept采用铝合金车身及骨架，其质量降低了45%；–克莱斯勒公司的未来型道奇IntrepidESX概念车采用的全铝合金车身质量比钢板车身轻272kg。部位当代汽车(吨)新一代汽车目标(吨)重量减轻(％)车体0.5100.25550底盘0.4950.24850动力系统0.3910.35110燃料／其它0.0620.02855合计1.4580.88240TSINGHUAUNIVERSITY•2008年1月，我国汽车轻量化技术创新战略联盟在宁波成立。–作为我国汽车行业的第一个技术创新战略联盟，其中长期发展目标是，开展汽车轻量化材料应用共性关键技术研究，攻克和自主掌握轻量化核心关键技术，提升汽车行业轻量化材料应用水平。–该联盟由中国汽车工程学会、中国第一汽车集团公司、东风汽车公司、浙江吉利控股集团有限公司、奇瑞汽车有限公司、重庆长安汽车股份有限公司、中国汽车工程研究院、吉林大学、哈尔滨工业大学、华东理工大学、宝山钢铁股份有限公司、西南铝业集团有限责任公司等12家单位共同组成。TSINGHUAUNIVERSITY•驱动汽车材料发展的原动力是社会对汽车的安全性、节能性和环保性、舒适性和低成本等要素的需求。•汽车相关材料产品正在向高性能、轻量节能和环保方向发展。TSINGHUAUNIVERSITY二、铝、镁轻金属的应用状况TSINGHUAUNIVERSITY镁合金产业化表1物理、机械特性比较材料比重熔点(℃)导热率(W/m)抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)延伸率(%)比强度(/)弹性模量(GPa)镁合金AZ91D1.8159854250160713845AM60B1.8615612401301313345铝合金A3802.70595100315160311671钢铁碳素钢7.861520425174002280200塑料ABS1.030.9966093PC1.231182.795镁合金、铝合金、钢铁、塑料的物理和力学性能TSINGHUAUNIVERSITY各种轻型材料与钢材具有相同弯曲刚性和弯曲强度时的厚度比与质量比值材料名称弯曲刚性相同弯曲强度相同厚度比质量比厚度比质量比Mg(AZ91)1.670.391.120.26Mg(Am50)1.670.381.260.29Mg(AZ80-T5)1.670.380.850.20Mg(AZ31-H24)1.670.380.950.22Al(A380)1.430.491.120.38Al(A356-T6)1.430.501.040.37Al(6061-T6)1.450.500.850.30Al(5182-H24)1.440.500.920.32塑料（Pulse2000）4.500.651.940.28TSINGHUAUNIVERSITY1.铝合金在汽车中的应用状况•铝合金零部件生产采用的主要成型工艺为铸造和变形。TSINGHUAUNIVERSITY•铸造铝合金–铸造铝合金的优点：•流动性好：这对铸件薄壁部位的充填非常重要；•熔点低：与其它许多金属相比，铝合金只需要较低的熔化和浇注温度；•密度小：与铸造黑色金属相比，铝合金的重量较轻，铸造操作方便；•热交换快：铝液与模具之间传热快，金属型铸造生产节奏快；•化学稳定性相当好；•铸态表面质量好：表面有光泽且无缺陷。TSINGHUAUNIVERSITY•几种部件所选用的铸造铝合金牌号TSINGHUAUNIVERSITY•铸造工艺主要包括：压力铸造、金属型重力铸造、低压铸造、砂型铸造、消失模铸造、半固态压力铸造、挤压铸造等等；•以铸造工艺生产的铝合金零部件约占汽车总用铝量的2/3左右。主要用于汽车发动机部件、离合器壳体、变速器壳体、后桥壳、转向器壳体、正时齿轮壳体等壳体类零件；也可用于制造保险杠、车轮、发动机框架、转向节液压泵总成、刹车钳等零部件。•2001年北美用于发动机支座的铝合金达4082t，共生产铝合金发动机支座255万件；每辆轿车用于罩盖、后行李箱盖、发动机等零部件的铝合金质量达223kg。TSINGHUAUNIVERSITY变形铝合金•形变铝合金与铸造铝合金相比，强度、韧性都大为优越。•变形工艺主要包括卷制、锻造、冲压等。主要包括