鉛在汽車產品中的應用和未來使用趨勢研究

侯猛　李龍輝　莊夢夢

摘 要：隨著ELV等環保法規的實施，我國汽車產品有害物質管理取得階段性成果，有害物質削減使用和“兩率”水平不斷提升。本文系統分析了汽車有害物質鉛的分布，并從新能源汽車鉛含有情況以及有害物質替代技術路徑等角度，分析未來汽車有害物質鉛的使用趨勢，認為隨著新能源汽車占比的擴大以及替代技術規模化應用，鉛將從汽車產品中逐步退出，甚至零使用，實現汽車產品的真正綠色環保。

關鍵詞：ELV 有害物質 鉛 新能源汽車 替代技術

Research on Application of Lead in Automotive Products and Development Trend

Hou Meng Li Longhui Zhuang Mengmeng

Abstract：With the implementation of environmental regulations such as ELV， the management of prohibited substances in automobile industry has achieved remarkable results in China. Usage amount of prohibited substances has been reduced and the level of recycleability has been continuously improved in automobile products. This paper comprehensively analyzes the distribution of lead in automobiles and development trend in future from the perspective of application of lead in new energy vehicles and the development path of substitution and reduction technologies of prohibited substances， and believes that with the expansion of new energy automobiles and the scaled application of substitution technologies， Pb will gradually withdraw from automobile products ， or even no lead at all， to achieve real green development.

Key words：ELV，prohibited substances， lead， new energy vehicle，substitution technologies

1 前言

汽車工業造成的污染已開始威脅自然環境和人類生存，引起了越來越多的關注[1]。一方面是因為汽車是一個復雜的系統，包含眾多材料，其中不乏一些含有對環境和人類健康存在重大危害的物質，如當前ELV管控的鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯苯和多溴聯苯醚;另一方面由于我國汽車保有量巨大，有害物質總量殊為可觀，一旦處理不當污染環境，將造成災難性的后果。

鉛的污染是多方位的，包括土壤、水源等。我國飲用水中鉛含量限值為0.01mg/L，人體每周的鉛攝入量不應超過0.025mg/kg，且重金屬在土壤和生態系統中會進行殘留、累積和遷移，對植物、動物和人類造成嚴重的危害。鉛對人體的主要影響是神經系統、造血系統和腎臟的損壞，尤其對兒童危害極大，可造成兒童智力低下和多動癥等多種疾病。

為保護生態環境，降低報廢汽車對人體健康的危害，我國于2016年實施了《汽車有害物質和可回收利用率管理要求》，對汽車產品的有害物質使用進行限制，并取得了顯著成效。

本文通過對我國汽車產品鉛的使用現狀、有害物質替代及減量化技術開發及推廣情況的研究，結合新能源汽車發展態勢，分析我國汽車產品有害物質未來使用趨勢。

2 有害物質類型及分布

2.1 有害物質鉛相關豁免項清單

對于當前管控的汽車6種有害物質，大部分部件和材料能夠做到非有意添加，即有害物質主要以雜質形式存在，并符合標準限值要求。但是對于部分零部件和材料，由于技術和成本的原因，無法實現完全替代，因此，《汽車禁用物質要求》（GB/T 30512）給予豁免，目前仍屬于豁免清單如表1所示：

2.2 有害物質鉛主要分布

鉛是目前汽車產品中使用的主要有害物質，除了豁免項列出的蓄電池和減震器部件外，在發動機、變速器、車輪及氣門嘴、電器及控制單元、傳感器、線束、端子、儀表盤、后視鏡等部件也較為廣泛。表2為汽車常用的含鉛材料類型。

3 新能源汽車有害物質含量分析

3.1 新能源汽車發展趨勢

新能源汽車作為我國戰略性新興產業，逐步取代傳統燃油車已成未來發展趨勢，不同的僅是各個國家發展策略有所差異，主要汽車工業國家對新能源汽車發展路線如下：

（1）美國車企的技術路線主要是發展純電動和增程式混合動力汽車;

（2）日韓車企的技術路線主要是發展混合動力、純電動和燃料電池汽車;

（3）德國車企技術路線主要是發展純電動和插電式混動汽車;

（4）中國車企以純電動和插電混合動力汽車為主、兼顧燃料電池汽車路線。

另外，已有多個國家公布了傳統燃油車禁售時間表，如表3所示。

2017年9月，工信部啟動了停止生產銷售傳統能源汽車時間表的相關研究，將會同相關部門制訂我國的禁售時間表。因此，研究新能源汽車有害物質的分布特征和使用情況對掌握未來汽車有害物質的使用趨勢尤為重要。

3.2 新能源汽車有害物質分析

我國新能源汽車目前銷售的主要是純電動汽車和插電式混合動力汽車，燃料電池車型極少，本文暫不納入分析范圍。新能源汽車與傳統汽車在結構上存在明顯差異，也導致其有害物質使用情況與傳統汽車不同。特別是純電動汽車，其動力系統由動力電池、驅動電機、減速器和控制系統組成，與傳統汽車的發動機和變速器的組合方式存在較大差異。

圖1為傳統汽車和新能源汽車有害物質含量數據，從圖1可以看出，無論是整車含鉛量還是除蓄電池以外的含鉛，新能源汽車均明顯低于傳統汽車。

為進一步對比新能源汽車和傳統汽車有害物質分布的差異，我們對豁免項（除蓄電池）有害物質含有情況進行了對比，如圖2所示。

從圖2可以看出，豁免項有害物質含量差別較大的有鋁材、銅合金、焊料和電氣元件，其中鋁材含鉛量傳統汽車高于新能源汽車，而銅合金、焊料和電氣元件中的鉛含量則是新能源汽車高于傳統汽車。經對比分析，其差異原因如下：1）傳統燃油車中的發動機和變速器鋁材用量較大，如變速器殼體、差速器殼體、缸體缸蓋、活塞等，基本為鑄鋁部件，易含鉛，而新能源汽車沒有這些部件，代替的是動力電池、電機等，其鋁材使用量遠低于傳統汽車動力系統;2）純電動汽車電子電器部件的使用量要明顯高于傳統汽車，如高壓電纜，電池、電機控制系統、線束線芯、端子、銅箔等。這些部件使用了大量的銅合金，并且隨著電子電器部件的增加，PCB板及電氣元件的用量也會隨之增多。由于焊料和電氣元件是主要含鉛部件，因此導致純電動汽車在上述三個豁免項中的含鉛偏高。

4 有害物質替代技術應用情況

根據豁免項類別不同，本文分為兩種類型分析汽車有害物質替代技術當前應用情況。

4.1 材料類替代技術

（1）機械加工用鋼材和鍍鋅鋼。鋼材中含鉛類型主要為易切削鋼和鍍鋅鋼。易切削鋼是隨著零部件冷加工自動化、高速化和精密化要求而逐漸發展來的，含鉛易切削鋼中鉛的引入主要源于鉛的熔點較低，在切削時熔融滲出起到潤滑作用，從而提高切削性，且不影響常溫力學性能。除了含鉛易切削鋼外，還有含硫易切削鋼、含鉍易切削鋼、含鈣易切削鋼等，這些易切削鋼將替代含鉛易切削鋼應用在汽車產品上。

傳統熱鍍鋅工藝會在鋅鍋中加入一定量的鉛，以增加鋅液流動性，同時起到保護鋅鍋的作用，這也導致鍍鋅層中會引入部分鉛物質。目前隨著鍍鋅工藝設備的改進，如陶瓷感應鋅鍋使用等，鉛已逐步退出熱鍍鋅工藝。

（2）鋁材。鉛在鋁合金中的引入主要是為了改善切削性能，如2系和6系的鋁合金。鉛一般和鉍同時加入，二者在鋁合金中形成低熔點的組織組成物，在切削過程中由于摩擦生熱達到組織組成物熔點，使切屑易斷，進而改善表面質量[2]。除了含鉛易切削鋁合金外，目前已開發環保型含錫鋁合金及錫鉍鋁合金也逐漸在推廣應用，成為含鉛鋁合金的替代材料。鋁合金在汽車上主要應用在支架、殼體、管道、隔熱板等部件。

（3）銅合金。銅合金中添加鉛元素，主要是出于改善合金的加工性、耐磨性和獲得較高的表面質量的要求。汽車中常見的含鉛銅合金包括黃銅、鈹青銅和錫青銅，其中含鉛黃銅應用最為廣泛。更加環保的鉍黃銅目前已在氣門嘴等部件開始替代含鉛黃銅，是非常有前景的替代材料。銅合金在汽車上主要用于電氣部件、導熱部件以及一些精密部件，如線束、氣門嘴、端子、后視鏡和儀表板中的精密蝸桿、齒輪等部件。

（4）電路板及其他電氣部件用焊料。鉛在傳統的電氣焊料中是主要構成元素，如用于電路板焊接的鉛錫共晶焊料，含鉛達37%左右，而電氣部件使用的封裝焊料有些含鉛可能高達90%以上。無鉛焊料經過多年的推廣應用，目前已較為成熟，尤其是其中的Sn-Ag系，Sn-Ag-Cu系和Sn-Cu系等二元和三元焊料，性能和價格已較為接近傳統鉛錫焊料，是目前無鉛焊料的主力，被認為是傳統鉛錫焊料的最佳替代材料;高溫焊料也有相應的無鉛替代焊料，如Au-20Sn焊料，其部分性能甚至優于高鉛焊料[3]，但是由于Au含量過高，降低無鉛高溫焊料的成本是未來需要解決的主要問題。

4.2 部件類替代技術

（1）蓄電池。蓄電池是汽車的一個重要部件，主要負責汽車起動、照明以及各種電器用電等。當前汽車主流的起動電池仍為鉛蓄電池，盡管該電池從開發到現在已有150多年的歷史，但鉛酸蓄電池憑借其一系列優勢，如電壓特性平穩、溫度適用范圍廣、安全性高和原材料豐富且可再生利用、價格低廉、技術成熟等，目前仍是全球應用范圍最廣的化學電源。鉛蓄電池中的含鉛部件主要是電池的正負極和板柵，荷電狀態下正極為二氧化鉛，負極為鉛，板柵材料有鉛鈣基合金、鉛銻基合金等，其鉛含量均較高，是整車最主要的含鉛源頭，大約占整車含鉛總量的95%以上[4]。

鋰離子電池替代鉛蓄電池作為汽車起動電池一直是行業研究的熱點，也被認為是必然的一個方向。目前行業已有部分純電動汽車和混合動力汽車的起動電池采用磷酸鐵林電磁，實現了鉛蓄電池的替代，是汽車有害物質替代技術發展的重要階段，極大地降低了汽車產品中有害物質鉛的使用，降幅超過98%。據了解，傳統燃油汽車目前還未見這一技術的應用，主要源自成本問題，而非技術問題。

（2）減震器。減震器作為一個總成部件，含有鋼材、銅合金、橡膠、塑料以及液體等多種材料。根據目前行業用材分析，汽車減震器基本不含有害物質，少量的引入主要源于易切削鋼、銅合金、鋁合金以及鍍層等材料中的鉛。

（3）燈泡玻璃和火花塞釉層除外的具有含鉛玻璃或陶瓷基復合材料的電氣元件。汽車電氣元件種類繁多，其中很多涉及鉛元素，除了焊料，鉛主要存在于無機陶瓷電氣部件中，典型部件如壓電陶瓷。傳統壓電陶瓷采用的是鋯鈦酸鉛型（PZT），其氧化鉛含量在60%左右[5]。無鉛壓電陶瓷的發展方向主要有如下三大類：鈮酸鉀鈉系、鈦酸鉍鈉系和鋯鈦酸鋇系[6]，并已開始商業化應用，如鋯鈦酸鋇壓電陶瓷。壓電陶瓷主要應用部件為胎壓監測系統、超聲波傳感器以及蜂鳴器等部件[7]。

5 結論

本文對包括新能源汽車在內的汽車產品有害物質鉛的使用和分布情況進行了詳細分析，并闡述了汽車行業有害物質鉛的替代技術情況，認為當前鉛在汽車上使用主要集中在起動用鉛酸蓄電池，少部分存在于鋁材、焊料等豁免零部件，隨著新能源汽車的發展及有害物質替代技術規模化應用等，鉛在汽車上的使用將逐步削減，最終實現汽車產品環保水平的大幅提升。

參考文獻：

[1]Zhang Hongshen Chen Ming. Inventory Analysis on the Effect of End-of-Life Passenger Vehicle Plastic Bumper Recycling in China [J]. Progress in Rubber，Plastics and Recycling Technology，2013，29：21-38.

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[3]曾秋蓮，顧小龍，趙新兵等.高溫高鉛焊料無鉛化的研究進展[J].電子元件與材料，2008，08（27）：16-19.

[4]張淳，姚姝，吳剛等.鉛合金板柵的電化學腐蝕現象研究[J].電源技術，2015，39（8）：1694-1696.

[5]王珂，沈宗洋，張波萍.鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的現狀、機遇與挑戰[J].無機材料學報，2014，1（29）：13-19.

[6]沈宗洋，李月明，王竹梅等.三大無鉛壓電陶瓷體系的最新研究進展[J].人工晶體學報，2012，41：309-313.

[7]侯猛，李龍輝，徐樹杰等.汽車產品禁用物質及替代技術使用現狀[J].時代汽車，2016，10：17-18.