汽車材料的輕量化前景分析

＊王 慧

（安徽省汽車工業學校 安徽 231131）

汽車材料的輕量化前景分析

＊王 慧

（安徽省汽車工業學校 安徽 231131）

隨著我國能源壓力的不斷加大，節能減排已經迫在眉睫。在這樣的情況下，在能源需求中占有巨大比例的汽車行業也面臨著前所未有的壓力。汽車想要節能減排，減輕自身重量無疑是一個好方法。在本文中，作者將客觀分析汽車與能源壓力之間日益突出的矛盾,以及汽車制造材料輕量化發展的必然趨勢。此外，還將對一些主要的輕量化材料在汽車工業中的應用現狀進行詳細的介紹。

汽車材料；輕量化；前景

1.汽車輕量化對汽車工業發展的意義

(1)有效地節能減排

經過一系列的研究，專家得出結論：汽車的油耗與其整體的重量密切相關。在發動機的功率相當的情況下，汽車的重量越大，油耗也就越大。從這個角度來說，減輕汽車的重量也是降低其油耗的一個十分有效的方法。同時，汽車重量減少，還可以降低了大氣中二氧化碳以及其他污染物的排放量，從而有效提高大氣質量，改善環境。

(2)有效提高汽車行駛過程中的安全性

汽車的重量減輕，則發動機和汽車整體所需要承擔的負荷就會比較小。在這樣的情況下，汽車在行駛過程中的安全性無疑可以得到更加可靠的保障。

(3)有效提高汽車性能

研究表明，汽車的重量減輕，對于汽車性能的提升也是一個很好的保障，具體說來，可以分為兩個方面：首先，汽車的重量減輕，可以使汽車加速需要的時間得到有效減少。其次，汽車重量的減少，可以有效降低發動機的運行負荷，減少故障的發生幾率。

2.汽車制造材料發展的輕量化趨勢

首先，隨著節能減排觀念的深入發展，汽車的輕量化已經受到越來越多的重視。正因為如此，目前世界上關于汽車輕量化的技術也取得了越來越大的進步。其次，在汽車輕量化技術的發展過程中，越來越多的新型材料正在被應用于汽車的生產過程中。

3.車用高強度鋼材的應用

與傳統的鋼材相比，鋁、鎂等輕質合金材料密度更小，質量更輕,因而在汽車的生產中的得到了越來越多的應用。從某種程度上說，這些新材料的應用已經對傳統的鋼材市場發出了挑戰。面對這樣的情況，世界上很多的鋼鐵企業迅速采取了一系列措施,開發出密度更小，強度更高的車用高強度鋼，以維護自身在汽車材料領域的主體地位。在1994年，國際鋼鐵協會在十八個國家中選取了三十五個較大的鋼鐵企業開展超輕鋼車身項目的研發。這種先進的高強度鋼是一種多相鋼，該組織主要由M和B組織按一定比例的組成，由于這種鋼材的曲幅比較低，因此具有更加優秀的應變硬化能力，更高的強度以及良好的成型性的匹配。在應用了一些新的材料處理技術對這種鋼材進行處理之后，就可以將其應用于汽車制造之中。而在汽車制造中應用這種鋼材，不僅可以保障車身的強度，而且可以降低車身的重量，這就意味著汽車生產中可以盡量避免使用一些更加難以獲取的材料，而在一定程度上達到降低汽車重量的目的。在這種情況下，車用高強度鋼材依然可以成為汽車制造的最理想材料。正是因為如此，雖然一些更加優質的輕質材料已經開始參與了競爭，然而車用高強度鋼材憑借其優良的性價比，在將來的而是到三十年內還將在汽車制造行業占據最重要的地位。與此同時，汽車中高強度和超高強度鋼的消耗量迅速增加，汽車車身、底盤、懸架和轉向等汽車部件的應用也在不斷擴大。從二十世紀九十年代的最后兩三年，車用高強度鋼材在汽車中的使用增加了150%以上，在不久的將來，車用高強度鋼材將在汽車制造中完全取代傳統鋼材。

4.其他車用輕質材料的應用

(1)鋁合金材料

在汽車制造行業中，鋁是最早得到應用的一種輕質的金屬材料,也是各種結構材料中一種性價比較高且具有較強競爭力的車用輕金屬材料。無論從生產成本、零件質量還是材料的利用率來看,鋁合金材料所具有的優勢都十分明顯。此外，鋁合金材料的密度比較小,用鋁合金來替換傳統鋼鐵來生產一些汽車的部件,可以使汽車的整體重量得到有效減少。而且鋁合金材料還具有很高的回收率,僅次于鋼鐵,因而比較符合環保和資源可持續利用的要求。另外，鋁合金良好的加工性能,也在不斷的生產實踐中為越來越多的汽車生產企業所認可。在當今的汽車制造企業中,車用鋁合金材料中有70%以上都是鑄造鋁合金,而且主要應用于發動機部件、傳動系部件以及底盤行走系零部件。變形鋁合金材料則主要用于熱交換器系統、車身系部件等。預計在未來十年中，鋁合金材料在其中制造中的應用將會越來越廣泛，甚至肯在汽車制造材料中占據舉足輕重的地位。而這一舉足輕重的地位，不僅表現在單輛汽車中鋁合金材料的比重，更表現在汽車制造行業整體的鋁合金材料利用率中。

(2)鎂合金材料

在當下的工業生產中，鎂是能夠應用到的最輕的金屬材料。隨著汽車排放法規的逐步完善，這種質量更輕的金屬材料正在受到越來越多的汽車制造企業的關注。實驗表明，鎂合金材料的密度僅僅相當于鋁合金材料的66%左右,因此在降低汽車重量方面，使用鎂合金材料可以達到比鋁合金材料更好的效果。此外，鎂合金材料的強度也比較高,雖然其剛度比鋼材和鋁合金稍遜一籌,但是已經足夠承受一定程度的負荷，將其應用在一些不太緊要的位置上也不會對汽車的使用壽命造成危害。此外，在地球上已知的各種金屬中，鎂的出儲量還是比較大的，這也為其更廣泛地應用提供了充足的保障。在汽車制造中應用到的鎂合金材料多以壓鑄件為主,其中一種屬于非結構性鑄件,應用這種類型鑄件的零部件對于材料的抗沖擊性能要求不高，但要求加工的尺寸精確，且具有良好的密封性能,其主要包括變速箱殼、氣閥/凸輪罩蓋、離合器殼、電動機/發電機罩、進氣歧管和油底殼等。另外一種就是結構性鑄件,這種材料可以比非結構性鑄件承受更大的載荷,而且具有較強的抗沖擊性能,主要包括方向盤、儀表板、座椅、車門框架、制動/離合器支架、轉向柱部件和安全氣囊底座等。目前，在汽車制造企業中，應用鎂合金材料制造的汽車零部件已經達到接近七十種，即使保守估計也有六十余種，而且，在汽車制造行業中，鎂合金材料的應用范圍已經呈現出越來越廣的趨勢。而且隨著材料科學的發展，相信鎂合金材料的應用潛力將會得到越來越深入的挖掘。然而與越來越大的鎂合金材料的需求量相比，鎂合金材料的制造工業的發展還有待加強，這也導致了鎂合金材料的價格比鋼材和鋁合金材料更貴，這在一定程度上限制了鎂合金材料的應用。

(3)鈦合金材料

在各種車用輕量化材料中,鈦合金無疑更加吸引人們的關注。與其他材料相比，鈦合金材料的強度無疑更大，甚至可能超過一部分合金鋼。此外，鈦合金材料還具有更加強大的耐腐蝕性、抗氧化性以及高低溫性能，使之可以在一些惡劣的工作條件中保障汽車的性能。如果說在汽車制造行業中，哪種輕量化材料可以取代鋼材，那無疑就是鈦合金材料。然而，由于目前市場上的鈦合金材料價格偏高，對加工條件的要求也比較高，因此其在汽車工業中的應用范圍依然無法做到最大。正因為如此，汽車行業中的科技人員一直在試圖研究出更加廉價的鈦合金材料，并通過改進加工工藝降低鈦合金零件制造成本，從而達到降低鈦合金材料應用門檻的目的。目前，在汽車制造過程中，很多需要承受高溫和高負荷，并需要具有抗氧化與抗腐蝕性能的零部件他依然在用鋼材生產，而與鈦合金相比，鋼材的各方面性能明顯處于劣勢。如果選用強度較高的鈦合金材料來生產這些零部件，就不僅能夠保證汽車的使用性能，而且可以更加有效地減輕汽車的重量。在汽車制造中，一般將高強耐熱鈦合金用來生產發動機配氣系統、曲軸連桿機構和底盤零件，例如氣門、氣門彈簧、凸輪軸、連桿、渦輪轉子和緊固件等。與鋼材相比，鈦合金材料的重量要少掉接近三分之一，因而具有更小的運動慣性，擁有更好的使用性能。在過去一段時間，鈦合金材料主要應用于賽車的制造中，然而目前，鈦合金材料的應用范圍已經從逐步拓展到了批量生產的大眾用途汽車中，并且在未來有望在汽車制造領域中得到更加廣泛的應用。

(4)塑料

與金屬材料相比，塑料更輕的質量與更好的耐腐蝕性能，而且其成型工藝比較簡單，價格也比較低廉，因而在汽車制造領域得到了越來越普遍的認可與越來越廣泛的應用。在汽車生產中，使用塑料來替換各種昂貴的有色金屬材料與合金材料，不僅可以大大提高汽車整體造型的美觀性和設計靈活性，而且能夠有效降低零部件加工、裝配與維修的難度和成本。最重要的是，使用塑料可以有效降低汽車的整體重量，減少汽車行使過程中的能耗。在當下，有一種觀點已經被越來越多的人所接受，即汽車中各種零部件的塑料化程度越高，則其汽車工業的發展水平也就越高，而越來越快的汽車輕量化趨勢無疑加快了汽車中各種零部件塑料化的發展速度。在目前，不僅傳統的座椅、內飾等部位應用了不少塑料部件，而且在一些汽車生產企業中，油箱、水箱、發動機蓋等組件也越來越多地開始使用塑料進行制造。此外，汽車上保險杠、導航設備、乘員安全保障工具等系統的廣泛應用，也導致了塑料在汽車制造中的應用越來越多，總而言之，在當下的汽車制造企業中，車用塑料的應用無論是用量還是品種都正在持續而高速地增加，以普通的小汽車為例，在上個世紀八十年代，每輛小汽車中塑料零部件的重量絕對不會達到汽車整體重量的十分之一，而到了九十年代初，小汽車中車用塑料的平均使用量就已經可以占到整車質量的十分之一左右了。而到了2000年左右，這一比例已快速擴大到五分之一左右了。而未來，這一比重無疑將會繼續增大。

5.總結

由于目前我國的汽車數量越來越多，因此帶來了越來越嚴重的能源消耗與大氣污染問題。為了改善這一現狀，就必須進行汽車制造的輕量化。目前，在汽車制造領域中，汽車制造輕量化的趨勢已經越來越明顯，其發展前景也十分可觀。在汽車制造的過程中，使用車用高強度鋼材、鋁合金、鎂合金、塑料等材料來降低汽車整體的重量，不僅可以提高汽車的使用性能，降低油耗和環境污染，而且可以有效提高汽車行駛過程中的安全性。

[1]鄭暉,趙曦雅．汽車輕量化及鋁合金在現代汽車生產中的應用[J]．鍛壓技術,2016(02)．

[2]趙君,彭慶豐,方運舟,李敬華．輕量化及塑料玻璃在新能源汽車上的應用分析[J]．合肥學院學報(自然科學版),2012,01:57-61+79．

王慧（1983～），女，安徽省汽車工業學校，研究方向：機械制圖課程教學教研。

(責任編輯 高鎮峰)

Analysis of the Lightweight Prospect of Auto-material

Wang Hui

(Automobile Industry School of Anhui, Anhui, 231131)

With the constant increasing of China’s energy pressure, the issue of energy conservation and emissions reduction becomes extremely urgent. In such cases, the the auto industry, which covers a large percentage of the energy demand is also facing the unprecedented pressure. For the automobile, if we want to achieve the purpose of energy conservation and emissions reduction, reducing its weight is undoubtedly a good way. In this paper, the author will take an objective analysis of the increasingly prominent contradiction between automobile and energy pressure, as well as the inevitable developing trend of automobile manufacturing lightweight materials. In addition, the author will also make detail introduction of the current application situation of the main light weight materials in the automotive industry.

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T

A