新型结构材料在汽车上的应用

中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM新型结构材料在汽车上的应用主讲人：祝磊资料准备：石泽民、林欢、平梦漠时间：2014/11/28中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM新型结构材料在汽车上的很多部件都有使用，但最主要的还是在汽车车身上的使用。汽车在给人们出行带来方便的同时也产生了油耗、环保、安全三大问题。着眼于可持续发展考虑,降低燃油消耗和减少排放污染显得尤为迫切。据国际权威部门统计，汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重。汽车每减轻10%的重量,废气排放量可减少10%,可降低油耗7%。由此可见,汽车减重、轻量化是实现上述目标的有效措施。1实现汽车轻量化的途径主要有两种:一是优化汽车框架结构;另一个是在汽车制造上采用轻质材料。中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM对汽车轻量化的主要新型结构材料有一下几种：1、高强度钢板2、铝合金3、镁合金和钛合金4、泡沫合金板5、蜂窝夹芯复合板6、工程塑料7、高强度纤维复合材料8、陶瓷材料2中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM1、高强度钢板高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的2~3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料。含磷高强度冷轧钢板烘烤硬化冷轧钢板冷轧双向钢板超低碳高强度冷轧钢板轻量化迭层钢板特点具有较高强度，比普通冷轧钢板高15%~25%;良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微;具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20%;具有良好的点焊性能。经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，经烤漆后强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。在超低碳钢(C≤0.005%)中加入适量钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合。迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.2~0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25%~65%。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57%。用途含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等。特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。表一高强度钢板的分类1中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM中国奇瑞汽车公司与宝钢合作，2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg，占车身钢板用量的46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。1、高强度钢板图1奇瑞汽车车身框架结构国际的高强度钢板标准，是屈服度400mpa，艾瑞泽7就是按照这个标准的，黄色-高强度：400-500mpa；紫色-中高强度：500-1000mpa；红色-超高强度（热成型）：1000mpa4中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM2、铝合金与汽车钢板相比，铝合金具有密度小(2.7g/cm3)、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。优点：铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、轿车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。用途：5中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM实例一：2、铝合金图2特斯拉轿车MODELS车身采用最先进的设计，主要采用铝材。重量轻这一特点使铝材成为自然选择。挤压件、冲压件和铸件的专业组合实现需要的刚度和强度。6中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM实例二：2、铝合金图3奥迪A8轿车全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。7中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM实例三：2、铝合金图4美洲虎铝合金车身XJ系列英国美洲虎在自2002年9月26日起向新闻界开放的巴黎汽车展上发表了车身为铝合金材料的新款高级轿车“XJ系列”。通过使用飞机所采用的能够保持轻量和高强度的技术，与以前使用钢板相比，车身重量减小了40%，强度则提高了60%。8中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM3、镁合金和钛合金镁合金镁是目前能够直接结构材料的最轻金属材料，其比重只有1.74，相当于铝的2/3，钢的1/4。由镁为通过添加其他元素而组成的镁合金具有比强度、比刚度高、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点，被称为“21世纪绿色工程材料”。镁合金在汽车上的应用：座椅骨架、仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳等。9中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM3、镁合金和钛合金实例一：图5镁合金仪表板第一代镁仪表板的设计壁厚约为3.5—4.0mm,重量约8.3kg；第二代镁仪表板，壁厚约2.7—3.0mm，重量约4.5—5.0kg。优点：压铸镁仪表板结构件与多件钢焊接件比，可减重约50%，提高尺寸稳定性，安装效率提高，满足减震降噪，防撞性能要求。10中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM3、镁合金和钛合金实例二：图6镁合金的直列6缸引擎2004下半年，BMW发布一款采用镁合金的直列6缸引擎。BMW设计师设计铝质的芯，这个芯构成一个核，周围再裹以镁质的外壳。同样采用这种“镁外壳铝内胆”的方法的部件还包括汽缸套、水冷套以及所有必须承受压力的螺栓连接件。正因如此复杂，使得铸造全新镁合金显得非常重要，工程师们甚至采用了太空研究中的超声技术，来检查零件中镁和铝的最佳配比。该引擎的排量为3.0L，最大输出功率为190kW（258bhp），最大扭矩为300N·m。与BMW原有3.0L直列6缸引擎相比，输出功率提高了12%。复合镁合金的曲轴箱的重量比全铝曲轴箱的重量轻了10公斤，新发动机仅重161公斤，是全世界同一性能等级的六缸发动机中重量最轻的11中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM钛合金优点：钛合金具有优异的综合性能,密度小,比强度高。钛的密度为4.51g/cm3,介于铝(2.7g/cm3)和铁(7.6g/cm3)之间。钛合金的比强度高于铝合金和钢,韧性也与钢铁相当。钛及钛合金抗蚀性能好,优于不锈钢,特别是在海洋大气环境中抵抗氯离子的侵蚀和微氧化气氛下耐蚀性好,钛合金的工作温度较宽,低温钛合金在-253℃还能保持良好的塑性,而耐热钛合金的工作温度可达550℃左右,其耐热性明显高于铝合金和镁合金。同时具有良好的加工性、焊接性能。在当前汽车市场上,钛制零部件逐年增加。1990年全球汽车用钛仅为50吨/年左右,1997年为500吨/年,2002年为1100吨/年,2009年为3000吨/年。由此可见,汽车行业用钛材进入加速阶段。12中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM钛合金钛在汽车上的用途主要分两大类,第一类是用来减少内燃机往复运动件的质量(对作往复运动的内燃机零件来讲,即使减少几克质量都是重要的);第二类是用来减少汽车总质量。根据设计和材料特性,钛在新一代汽车上主要分布在发动机元件和底盘部件上。在发动机系统,钛可制作阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等部件;在底盘部件主要为弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。据资料介绍,除了上述所举重点外,还有:发动机部件的摇臂、悬簧、活塞销、涡轮增压器转子、紧固件、挂耳螺帽、车挡支架、门突入梁、制动器卡钳活塞、销轴栓、离合器圆板、压力板、变速按钮等等。13中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM4、泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.4~0.7g/cm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。5、蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等;面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。14中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM6、工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果。零件钢制零件工程塑料零件重量减轻kgkgkg/台%车身2099311655车架123903327车门70.627.74260保险杠55.820.135.764前围43.513.330.270车轮4222.719.346发动机罩22.2814.264行李箱盖1961368其他32.416.216.250合计618.5297321.552表二福特LTD试验车的轻量化效果中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM6、工程塑料中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15,000吨高性能ABS工程塑料的能力。工程塑料用于汽车可实现轻量化和节能，且可回收和循环利用。目前六大类的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到广泛的应用，通常用于制造车身覆盖件、车门门褴、车身内外装饰件和水箱面罩、保险杠和车轮护罩等。16中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM7、高强度纤维复合材料复合材料是一种多相材料，是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料(CFRP)，因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33%左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。17中国石油大学（华东）CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM7、高强度纤维复合材料目前，欧盟开发新能源汽车厂商与日本三大碳纤维厂家及一家德国大丝束碳纤维厂家合作开发全CFRP汽车。表三欧日汽车