汽車常用材料的應用

劉小路

摘要：汽車行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的快速發(fā)展，推動了汽車材料制品行業(yè)的巨大變革。在“十二五”期間，汽車制品行業(yè)在結(jié)構調(diào)整、轉(zhuǎn)型和發(fā)展中不斷升級。汽車制品行業(yè)的迅速發(fā)展，先后涌現(xiàn)出了諸多新型材料和新技術。其中，以汽車輕量化材料和以塑代鋼材料為典型代表，因其擁有成型任意形狀、生產(chǎn)率高、成本低等優(yōu)點，推動了汽車領域的改性材料商業(yè)化的普及。結(jié)合汽車制品ISO質(zhì)量體系管控，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性及產(chǎn)品結(jié)構的合理性得到保證，有效的控制質(zhì)量成本、減少浪費和提高生產(chǎn)率。

關鍵詞：改性材料;質(zhì)量成本;

一、汽車常用材料PP和ABS的特點：

近年來，隨著對汽車燃料消耗和排放的規(guī)定日益嚴格，促進了汽車輕量化材料的快速發(fā)展，同時新能源汽車市場也應運而生并且發(fā)展迅速。非金屬材料在乘用車中的應用很常見，其應用比重在很大程度上也直接影響著汽車油耗（非金屬材料應用比重與燃油油耗成反比），隨著時代的變革非金屬材料的應用比重由原來的1/3逐年上升。其中，PP和ABS改性材料在汽車常用材料的應用中占據(jù)主導地位。

汽車常用材料PP、ABS材料特點如下：

聚丙烯（英文全稱：Polypropylene，簡稱PP）是一種半結(jié)晶的熱塑性塑料。它具有高抗沖擊性，強機械性能，耐各種有機溶劑和酸堿腐蝕。由于其低價格和優(yōu)越的性能，汽車內(nèi)外飾件的應用主要以PP材料為主，主要應用有：前后保險杠、主副儀表板、前后護板、下格柵、擋泥板、輪罩、導流板、A/B/C柱內(nèi)護板、門板等。

丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（英文全稱：Acrylonitrile Butadiene Styrene，簡稱ABS）是一種強度高，韌性好，且易于加工的熱塑性聚合物材料，是丙烯腈、苯乙烯、丁二烯三種單體的接枝共聚物，適于制作制造通用機械零件，減磨零件，傳動零件和電訊零件。它是一種用途極為廣泛的熱塑性工程塑料。汽車內(nèi)外飾裝飾件以電鍍、燙印、水轉(zhuǎn)印等工藝為主題的零部件應用材料主要為ABS材料，主要應用范圍有：上格柵、尾翼、高光注塑件、背門牌照、電鍍裝飾件、中控面罩、扶手面板等。

綜上所述，通過單位換算可知：

1Mpa=10.3Kg/cm2=0.103Kg/mm2

即PP-T20材料的拉伸屈服強度可承受1.96Kg/mm2（試驗方法：按GB/T1040.2-2006/IA/50采用1A型式樣170mm*10mm*4mm進行試驗），目前汽車零部件單體重量不超過15Kg，因此PP和ABS材料的產(chǎn)品結(jié)構強度均可滿足任意產(chǎn)品裝飾件的強度要求。

二、國內(nèi)汽車材料應用的現(xiàn)狀：

1）參考借鑒合資品牌車型材料的應用，盲目借用材料造成應用不合理，材料性能不符造成成本浪費同時也造成了生產(chǎn)成本的增加;

2）材料性能與結(jié)構設計不匹配，造成產(chǎn)品外觀不良，甚至造成產(chǎn)品的使用壽命不達標;

3）不同材料型號混用造成性能差異、不同材料批次保質(zhì)期不同混用造成產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，造成產(chǎn)品批量質(zhì)量問題;

4）對材料應用的剛度和強度的定義理解不透徹：

4.1）剛度是指材料或結(jié)構在受力時抵抗彈性變形的能力。是材料或結(jié)構彈性變形難易程度的表征;

4.2）強度是指在力學上，材料在外力作用下抵抗破壞（變形和斷裂）的能力。強度是機械零部件首先應滿足的基本要求。

材料應用現(xiàn)狀案例：前臉格柵類產(chǎn)品參考通用設計一般采用ABS材料進行制作，因ABS材料擁有良好的光澤、質(zhì)地較硬、韌性好、剛性強、機械性能適中等優(yōu)點，是制作格柵的一種良好的通用材料。當長頭式卡車前臉大格柵按照一般的通用設計采用ABS材料時，由于發(fā)動機帶來的高頻震動加上前進氣大格柵自身應力集中問題，導致前進氣大格柵出現(xiàn)頻繁開裂。

經(jīng)過對不同性能的ABS材料進行驗證、增加局部產(chǎn)品厚度（增加產(chǎn)品強度、去應力等方式）以及更改產(chǎn)品結(jié)構等方式進行產(chǎn)品試驗驗證，在同一工況下仍出現(xiàn)開裂，最終得出結(jié)論為ABS材料的剛度不能滿足于長頭式卡車工況。

后通過更換材料將ABS材料更換為PP材料，再進行產(chǎn)品試驗驗證（同一工況下），開裂現(xiàn)象解決。

由此可知，PP材料受力時抵抗彈性變形的能力比ABS材料強，雖然PP材料與ABS材料都是常見的汽車常用材料，但是根據(jù)產(chǎn)品所處工況，挑選恰當?shù)膽貌牧鲜潜匾模粌H能有效的確保產(chǎn)品質(zhì)量同時還能有效的控制成本（PP材料價格成本低于ABS材料的價格成本），失敗的項目策劃包含的時間成本和質(zhì)量成本，對項目造成了不可預估的損失。

三、汽車材料應用的發(fā)展形勢：

1）汽車輕量化材料技術及以塑代鋼是當今國際汽車制造業(yè)的發(fā)展趨勢;

2）材料回收二次開發(fā)，在滿足產(chǎn)品材料需求的性能外，可降低原料成本壓力，減少環(huán)境污染，為可持續(xù)發(fā)展做貢獻;

3）積極響應國家“節(jié)能減排”政策標準，向著節(jié)能、降耗的方向發(fā)展，提高材料性能的同時嚴格管控成本，促進了汽車材料應用的快速發(fā)展。

四、汽車材料改性的應用：

為了實現(xiàn)汽車輕量化目標，降低車身零部件的重量，通過將原材料PP進行改性優(yōu)化、提升性能，研發(fā)了玻璃纖維增強塑料PP+30%GF，成功驗證了前端模塊以塑代鋼的可行性。

以塑代鋼除了重量減輕之外，其他零部件也可充分利用玻璃纖維成型允許的高度造型自由度，將具有不同厚度的部分削弱區(qū)域集成在一起，進一步減輕重量的同時仍可實現(xiàn)所需的功能特性。利用玻璃纖維代替鋼制前端模塊，使其減重達到30%。

五、汽車材料與工藝：

傳統(tǒng)儀表板制作一般采用注塑成型方式，注塑成型因材料、工藝的限制，存在劃痕、粒料熔融痕、熔接線等缺陷，針對劃痕、粒料熔融痕、熔接線等缺陷一般采用特殊的涂料配方來滿足儀表板的外觀質(zhì)量。相對應產(chǎn)品就會存在色差風險同時也增加了成本。

通過材料改性及工藝調(diào)試和驗證：

1）通過將原材料進行改性，添加0.2～0.5%潤滑劑（增加材料表面潤滑性），1.2～2.0%滑石粉（通過減小滑石粉顆粒尺寸來增強材料致密性，從而提高產(chǎn)品的耐刮擦性），1.0～2.0%TiO2（增加材料硬度、彈性模量最大化），優(yōu)化了模具零件生產(chǎn)外觀，減少了劃痕風險;

2）通過產(chǎn)品模流分析，采用順序閥澆口成型并優(yōu)化模具溫度，優(yōu)化成型工藝和澆口配置，最大限度地消除了粒料熔融痕外觀;

3）綜合分析添加劑的負載和類型與物理性能和材料成本之間的平衡，成本增加最小，且規(guī)避了色差風險。

4）通過配方優(yōu)化，開發(fā)出用于儀表板的高耐刮擦聚丙烯材料：①耐刮擦性能由3N提高到17N;②模具特性不受影響;③物理特性不受影響;④零部件整體性能不受影響;⑤零件耐刮擦性能提升，整體零件合格率上升80%，間接的降低了生產(chǎn)成本。

六、汽車材料回收與二次開發(fā)應用

汽車材料回收主要針對同一類型的材料回收，因回收材料較之原材料性能會有所降低，以保險杠材料回收為例，二次開發(fā)應用需強化材料性能滿足單個零件要求，如：①擋泥輪罩;②發(fā)動機下?lián)跄喟?③蒸發(fā)器箱體;④前后保險杠裝飾板等，可通過：

1）添加低分子添加劑改善粒料熔融流動性;

2）加入化學粘合填料和基體樹脂添加劑，提高彎曲強度;

3）添加高彎曲模量的填料和樹脂，收縮性能得到改善，彎曲模量增加;

4）添加彈性體增容劑改善拉伸伸長率等。

實現(xiàn)了保險杠材料回收以及二次開發(fā)應用，有效的減少了材料浪費，降低了原料成本壓力。

結(jié)語

通過材料改性來提高一些物理性能，已經(jīng)開發(fā)出長玻纖增強材料、免噴涂材料、微發(fā)泡材料等汽車領域應用材料，擴大了汽車常用材料的應用范圍，逐步實現(xiàn)汽車輕量化目標，降低燃油消耗，并提高汽車舒適性和安全性。

參考文獻：

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（作者單位：柳州安美科技有限責任公司）