新型材料和工藝在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用

杜行

摘? 要：車(chē)身的輕量化是汽車(chē)節(jié)能減排的重要途徑，也是當(dāng)前汽車(chē)工業(yè)發(fā)展研究的重要課題，而輕質(zhì)新材料開(kāi)發(fā)、輕量化工藝的應(yīng)用是輕量化的主要實(shí)施途徑。文章主要介紹了研究車(chē)身輕量化意義，綜述了新型輕質(zhì)材料和先進(jìn)工藝的研究進(jìn)展，總結(jié)出了我國(guó)汽車(chē)輕量化發(fā)展中所面臨的主要難題及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：輕量化;新材料;工藝;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）05-0148-03

目前，國(guó)內(nèi)外紛紛出臺(tái)關(guān)于安全、排放、油耗等方面法規(guī)來(lái)強(qiáng)制規(guī)范汽車(chē)產(chǎn)品的安全及環(huán)保性能，隨著能源的不斷開(kāi)發(fā)和消耗，我國(guó)對(duì)汽車(chē)的節(jié)能減排要求也變得日益嚴(yán)格，安全、節(jié)能和環(huán)保顯然已成為汽車(chē)領(lǐng)域研究學(xué)者最為關(guān)注的性能指標(biāo)，如何開(kāi)發(fā)出更加環(huán)保、節(jié)能的汽車(chē)已然成了當(dāng)今汽車(chē)研究領(lǐng)域最為重要的方向之一。汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)、排放量與汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量息息相關(guān)，研究數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)的質(zhì)量越輕，與之對(duì)應(yīng)所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷就可以相應(yīng)的降低，當(dāng)車(chē)重每減輕10%時(shí)，油耗則可降低6%～8%。由于普通白車(chē)身占整車(chē)質(zhì)量的20%～35%，所以車(chē)身的輕量化對(duì)于整車(chē)的輕量化至關(guān)重要[1-3]。

由于傳統(tǒng)的鋼材工藝優(yōu)化空間有限、加工設(shè)備也難以適應(yīng)新的車(chē)身材料，采用新型材料和工藝是實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的主要途徑。新型輕量化材料主要可以分為低密度和高強(qiáng)度兩類(lèi)材料，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的低密度輕質(zhì)材料有鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等，而高強(qiáng)度的材料主要指高強(qiáng)度鋼[4-5]。

1 新型材料在輕量化中的應(yīng)用

1.1 高強(qiáng)度鋼材料

一般規(guī)定，將屈服強(qiáng)度介于210-550MPa間的鋼稱(chēng)之為高強(qiáng)度鋼，其特點(diǎn)是價(jià)格低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗疲勞性能優(yōu)良以及易于沖壓和焊接，能夠充分的利用傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)輕量化的首選材料。目前，高強(qiáng)度鋼材料主要用在車(chē)身的加強(qiáng)件上面，如側(cè)圍的AB柱、地板邊梁、車(chē)門(mén)防撞桿等特殊重要部位。其減重的主要機(jī)理是充分利用自身超高強(qiáng)度來(lái)減薄鋼板的厚度，在實(shí)現(xiàn)車(chē)身減重的同時(shí)，也提高了車(chē)輛的安全性能。高強(qiáng)度鋼材料在歐美國(guó)家車(chē)身的應(yīng)用比達(dá)到了55%以上，我國(guó)自主品牌的應(yīng)用也占到了45%左右。

1.2 鋁合金材料

鋁合金密度低、抗沖擊性能好，與鋼相比，鋁合金的密度只有鋼的35%，而吸能性卻是鋼的兩倍，因此，在安全碰撞性能方面，具有很大的優(yōu)勢(shì)，此外鋁合金儲(chǔ)量大、回收利用率高，作為新型輕量化材料，目前已在汽車(chē)制造領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)研究數(shù)據(jù)可知，鋁制產(chǎn)品在車(chē)身應(yīng)用減重率可以達(dá)到 50%左右，在滿足車(chē)身性能條件下，大大減輕車(chē)身的重量，實(shí)現(xiàn)車(chē)身的輕量化。鋁制與鋼制機(jī)蓋重量比較如表1。

表1 鋁制和鋼制機(jī)艙蓋重量比較

目前應(yīng)用較為廣泛的主要是5系和6系的鋁合金材料，5系列主要用于車(chē)身加強(qiáng)件，6系列主要運(yùn)用在車(chē)身的框架和外覆蓋件。奧迪A8、捷豹XJ等車(chē)型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全鋁車(chē)身，其車(chē)身采用鋁材制造，框架為立體結(jié)構(gòu)，外覆蓋件為鋁板沖壓，與同類(lèi)的鋼制車(chē)身對(duì)比，車(chē)身質(zhì)量減輕了30%-50%，油耗降低了5%-8%。

1.3 鎂合金材料

鎂合金作為所有的金屬材料中密度最小的一種，其比強(qiáng)度和比剛度都高于鋁合金和鋼，此外，還擁有很好的吸能、散熱和降噪的特點(diǎn)，是鑄造件最好的材料之一，目前運(yùn)用較為廣泛的是鑄造變速箱殼體、轉(zhuǎn)向盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)托架等等，具有很大的輕量化應(yīng)用前景[7]。但是由于鎂元素熔點(diǎn)小、凝固結(jié)晶范圍大，不易形成熔池，接頭可靠性不高，加上化學(xué)活性高，制造生產(chǎn)中危險(xiǎn)性大，這些都很大程度的制約了鎂合金輕量化材料發(fā)展，現(xiàn)階段的應(yīng)用范圍要低于鋁合金材料。

1.4 塑料和復(fù)合材料

在目前的車(chē)身材料應(yīng)用中，為了滿足輕量化、防腐、美觀性等要求，非金屬材料越來(lái)越受到汽車(chē)開(kāi)發(fā)人員的青睞，應(yīng)用于車(chē)身的輕量化非金屬材料主要有工程塑料和復(fù)合材料兩類(lèi)。

工程塑料材料主要包括PE、PVC、PA等，由于這類(lèi)材料密度低、防腐、防震效果好、成型優(yōu)良等特點(diǎn)，通過(guò)氣輔成型（GAM）、水輔成型（WAM）、雙組份注塑成型（DAM）等成型技術(shù)的加工制造，使其在車(chē)身材料中得到較大的應(yīng)用，比如保險(xiǎn)杠、翼子板及整車(chē)內(nèi)外飾等汽車(chē)零部件。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料組合，通常由基體和增強(qiáng)體兩部分構(gòu)成，增強(qiáng)材料主要包括纖維類(lèi)和高分子類(lèi)材料。由于復(fù)合材料的低密度、高強(qiáng)度和較好的耐高溫、耐腐蝕性特點(diǎn)，主要運(yùn)用在汽車(chē)的懸架、車(chē)架等車(chē)身構(gòu)件上。

2 新工藝在輕量化中的應(yīng)用

2.1 激光拼焊成型技術(shù)

激光拼焊（TWB）將厚度、材質(zhì)、沖壓性能、強(qiáng)度和表面處理等狀況不同的板坯先拼焊在一起，然后進(jìn)行整體的沖壓成型的一種加工方法[6]。1985年，德國(guó)大眾汽車(chē)最早采用激光拼焊技術(shù)，接著，北美在1993年也普及了此項(xiàng)技術(shù)。我國(guó)于上世紀(jì)90年代末引進(jìn)激光拼焊技術(shù)，目前，寶鋼是我國(guó)最大也是亞洲最大的激光拼焊公司，擁有二十余條激光拼焊線，年產(chǎn)板坯可達(dá)兩千多萬(wàn)片，市場(chǎng)占有率70%以上。激光拼焊技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于車(chē)門(mén)內(nèi)板、車(chē)身側(cè)框架、地板和輪罩等車(chē)身部件。激光拼焊成型工藝見(jiàn)圖1。

2.2 熱沖壓成型技術(shù)

對(duì)于高強(qiáng)度鋼板而言，隨著材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的不斷增大，板材回彈也會(huì)變得嚴(yán)重，成型性能會(huì)明顯下降，零件的尺寸精度難以得到保證，特別是對(duì)于強(qiáng)度超過(guò)1000MPa且形狀復(fù)雜的零件，一般的沖壓工藝較難成型，此時(shí)高強(qiáng)度鋼的熱沖壓成型技術(shù)就能較好的得到運(yùn)用。熱沖壓成型技術(shù)主要通過(guò)熱處理和高溫成型結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)板材加工制造，工藝過(guò)程主要包括板材下料、加熱到奧氏體狀態(tài)、沖壓成型、冷卻淬火，最終獲得均勻馬氏體組織的高強(qiáng)度成型零件。由于成型的材料具有高強(qiáng)度、無(wú)回彈、輕量化的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍非常廣泛，最典型的為側(cè)圍的AB柱，前后保險(xiǎn)杠等加強(qiáng)件。熱沖壓成型工藝見(jiàn)圖2。

2.3 其他成型技術(shù)

除了上述成型技術(shù)外，目前應(yīng)用較為廣泛的還有液壓成形工藝、不等厚度軋制工藝、復(fù)合材料注射成型工藝等等，這些先進(jìn)的成型工藝很好的滿足了新型輕量化材料和結(jié)構(gòu)的要求，為實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化道路開(kāi)辟了廣闊的途徑。

3 我國(guó)車(chē)身輕量化面對(duì)的難題和挑戰(zhàn)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)制造取得巨大的成績(jī)，然而在輕量化研究領(lǐng)域仍然面臨著較多的難題，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。首先，我國(guó)的汽車(chē)行業(yè)沒(méi)有完整的關(guān)于汽車(chē)輕量化部件的技術(shù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)整車(chē)企業(yè)在車(chē)身開(kāi)發(fā)項(xiàng)目上一直沿用著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念;其次，我國(guó)的輕量化材料研究起步較晚，材料在車(chē)身的應(yīng)用不夠深入，輕質(zhì)材料的種類(lèi)、性能與國(guó)外還有很大的差距;最后，由于技術(shù)不成熟，新型材料的開(kāi)發(fā)、制造和加工成本很大，短期難以形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈，致使車(chē)身應(yīng)用成本明顯上升。

汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展為我國(guó)制造業(yè)提供了新的機(jī)遇，也帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。任何新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展都不是一蹴而就，涉及到眾多領(lǐng)域和學(xué)科的車(chē)身輕量化技術(shù)亦是如此，相信在輕量化浪潮的推動(dòng)下，更多的輕量材料和技術(shù)將得以應(yīng)用。

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