探析新材料在汽車輕量化技術中的應用

徐佳良

摘 要：汽車輕量化是在保證汽車安全性能前提下，降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，實現節能減排的目的。尤其是“碳達峰”和“碳中和”被提出后，對汽車節能減排的需求更為迫切。對于燃油車，汽車質量每減少10%，汽車燃油效率將會增加6%～8%[1]；而新能源汽車每減重10%，續航里程可提升5%～6%，由此可見，無論是在提高汽車性能，還是在實現汽車節能、降耗、增加續航里程方面，輕量化都是汽車的重要技術路徑之一。

關鍵詞：汽車；新材料；輕量化；成形技術

引言

在智能、電動及軟件重新定義汽車工業的今天，傳統的汽車設計及制造手段受到了前所未有的挑戰。在新型汽車介入汽車工業的背景下，大量的新車型被研發，行業的革命往往帶來技術的革新，以往我國在汽車覆蓋件設計制造上所采用的逆向工程已經難以符合目前行業的發展潮流。所以，正向設計開發才是傳統汽車工業轉型的最佳方案。設計的創新意味著制造成本的提高，類似鋁合金等非傳統汽車覆蓋件的開發目前尚存在較多缺陷。若僅由設計部門單獨進行覆蓋件的開發，則難以規避由零件先天缺陷所帶來的工藝風險。因此，新型汽車覆蓋件的開發需要借助同步工程實現一體化考慮鈑金結構、沖壓工藝及模具結構等問題。

1輕量化工藝技術

汽車輕量化相關的工藝技術主要有熱沖壓成形、激光焊接、液壓成形、結構膠粘接等，熱成形和液壓成形零部件應用較為廣泛。在汽車制造中，熱沖壓成形工藝主要用于鋼鐵材料的加工，Mn-B系鋼應用最為廣泛，如22MnB、38MnB5等；液壓成形主要應用于管類零件的生產加工。熱沖壓成形工藝是將熱沖壓成形用鋼加熱至奧氏體化，在奧氏體溫度區間保溫一段時間后，快速轉移至熱沖壓模具中進行成形和淬火。最終零件組織一般為完全的馬氏體組織，抗拉強度可達到1500MPa甚至更高。熱沖壓成形工藝結合了沖壓和熱處理過程，奧氏體組織塑性好、變形抗力小，在零件成形后奧氏體轉變為馬氏體，使零部件回彈小、強度高。目前，熱成形件主要應用在汽車安全件上，如車門防撞梁、B柱加強板、地板縱梁、門檻梁等零部件。

2新材料在汽車輕量化技術中的應用

2.1高強度鋼材料

高強度鋼材料是汽車制造應用范圍最廣的一種材料，我國在該領域已取得了一系列成就，但仍應圍繞高強度材料加大技術研發，在降低成本的同時實現減輕車輛質量。（１）加大對高強度鋼材料的開發。目前所使用的一系列高強度鋼，如雙向鋼、低合金鋼等需要用化學方法改進其冶煉技術，實現貴重合金元素使用量的不斷減少，在提升其強度同時增加其塑性韌性，使高強度鋼具有更好的性能使之具有較高的成形性的高強鋼。（２）采用更先進的研發技術，確保成形效果。高強度鋼的成形目前主要依靠延展、拉伸、彎曲等技術，受到一定的局限，因此要研發一些先進的成形技術，如液壓、輥壓等，不斷豐富成形技術。另外，要主動探究研發高強度鋼焊接技術，引入更先進的激光拼焊技術，全面開發高強度鋼的連接技術，這也是今后運用高強度鋼材的重點內容。（３）運用計算機輔助工程（ＣＡＥ）分析技術進行成形研發，推動高強度鋼材料成形技術的發展。由于高強度鋼的強度高，因此其成形難度更大，而且高強度鋼存在容易發生開裂、回彈等問題，借助于ＣＡＥ分析能夠不斷地優化其成形路徑，有效杜絕開裂問題的發生，確保成形一次成功。同時，也能夠模擬分析回彈，對回彈進行預測，進而能夠有針對性地補償回彈，使成形效果得到保證。

2.2鋁合金

鋁合金的密度約為鋼的1/3，且具有高比強度和優秀的防腐性能，在車輛結構件上的應用逐漸增多。汽車制造中使用的鋁合金主要有鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金是將加熱至液態的鋁水注入鑄造模具中冷卻，然后加工成汽車零部件。鋁合金鑄件質量穩定且易于大批量生產，已被車企廣泛使用在輪轂、發動機缸體、變速器殼體、懸架擺臂、發動機懸置等零部件。在車輛中常用的變形鋁合金主要有軋制和擠壓鋁合金，軋制鋁合金主要為5系合金，多為板材，主要用于汽車覆蓋件沖壓成形等。擠壓鋁合金主要為6系和7系合金，多為型材，主要用于車身骨架。

2.3碳纖維增強樹脂基復合材料

碳纖維增強樹脂基復合材料性能獨特、優勢明顯，已經成為當下汽車輕量化研究的重點材料。碳纖維增強樹脂基復合材料優勢較多：①力學性能優異。碳纖維增強樹脂基復合材料密度低，是碳鋼密度的１／１０，質量也是相同體積鋁合金質量的２／３左右，但其性能要遠遠高于鋁合金材料，抗拉強度更是其他鋼材的數倍。碳纖維增強樹脂基復合材料的動阻尼特性優異，是其他輕金屬所不可比擬的。通常鋁合金的動阻尼時間為９ｓ，碳纖維增強樹脂基復合材料的動阻尼時間為２ｓ。②實現了一體化制造。今后汽車制造發展的趨勢是一體化制造，采用碳纖維增強樹脂基復合材料能夠一次性地制作成不同形狀的曲面，實現一體化制造所有的汽車零部件，可有效減少汽車零部件制造的空檔，提高了工作效率。③抗沖擊吸能性能好，材料可塑性強，可實現外部負荷壓力的轉換，特別是由碳纖維增強樹脂基復合材料制作的零部件具有良好的抗沖擊吸能性能。

結束語

擠壓是鋁合金重要的加工方式，鋁型材具備較好的力學性能，因此部件的截面剛度較高。同時由于截面可變，鋁合金可實現多部件功能的復合，是實現汽車輕量化較好的材料。但其廣泛應用中存在鋁合金貨柜設計能力欠缺、成形及焊接問題、新產品開發時間及推廣費用等瓶頸，最主要原因還是鋁合金回收生態未成熟前鋁合金成本比鋼材高。總之，鋁合金在汽車上的應用范圍將越來越廣，使用量也日漸增加。在當前節能減排、汽車新能源行業發展潮流中，隨著人們對鋁合金性能了解的深入及對鋁合金應用問題的有效解決，鋁合金擠壓材將會更加廣泛地應用于汽車輕量化。

參考文獻：

[1]熊雪嬌，汽車輕量化橫向穩定桿連接桿.河北省，保定市格瑞機械有限公司，2021-03-17.

[2]郭營利，汽車輕量化沖壓橋殼用中板研究與應用.甘肅省，酒泉鋼鐵，2020-12-21.

[3].輕量化材料成新能源汽車“減重”突破口[J].橡塑技術與裝備，2020，46（24）：57-58.