汽车轻量化新材料应用

汽车轻量化新材料应用（精选6篇）

篇1：汽车轻量化新材料应用

汽车研发：轻量化之车身新材料简介及应用！

重要的事说三遍我很轻！我很轻！我很轻！我还省油、省材料……还像下面这位小姐姐一样省布料为什么轻而省呢？因为我们用新材料啊今天就和漫谈君一起来看看轻量化之车身新材料简介及应用漫谈君说

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一、汽车新材料简介现代对汽车性能要求越来越高，轻量化、节能降耗和降低排放污染是现在汽车发展的趋势，而轻量化必须从改进汽车的材料出发，研制性能更好更轻的汽车材料从而减少能源消耗，进而降低排放污染，汽车材料的发展是汽车技术发展的重要方面，新材料新工艺对于汽车工业的发展是至关重要的，而汽车车身轻量化并非是简单地将汽车重量减轻，而是在保证车身的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车车身质量，同时要保证汽车车身的制造成本在合理范围内。

二、车身新材料的种类1镀锌钢板随着汽车工业发展，为了提高车体使用寿命和增强车体材料的抗腐性能，镀锌钢板得到广泛使用。由于在目前汽车车身制造中，主要采用电阻点焊方法，与无镀层钢板相比，镀锌钢板的点焊过程中还存在一些问题：1）先于钢板熔化的锌层容易分流，致使焊接电流密度减小；2）锌层表面烧损、污染电极而使电极寿命降低；3）锌层电阻率低，接触电阻小；4）容易产生焊接飞溅、裂纹及气孔等缺陷。2高强度钢板从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的50%，故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达420N/mm2，是普通低碳钢板的2～3倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化的重要材料，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度IF冷轧钢板等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。1）含磷高强度冷轧钢板含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：A.具有较高强度，比普通冷轧钢板高15％～25％；B.良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；C.具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板提高20％；D.具有良好的点焊性能。2）烘烤硬化冷轧钢板经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一。3）冷轧双向钢板具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点，如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等。4）超低碳高强度冷轧钢板在超低碳钢（C≤0.005%）中加入适量的钛或铌，以保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。5）轻量化迭层钢板这种钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料，表层钢板厚度为0.2～0.3mm，塑料层的厚度占总厚度的25%～65%。与具有同样刚度的单层钢板相比，质量只有57%。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。3铝合金与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少135kg，比传统钢材料车身减轻43%，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从50个减至29个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高60%，还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用，深受环保人士的欢迎。

根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。4镁合金和钛合金镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35%，铝材密度的66%。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富，镁可从石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg，且刚度极高。随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。5泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为0.4～0.7g／cm3，弹性好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多，除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。6蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等；面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量减轻了50%～60%，且易于冲压成型。7工程塑料与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车，塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果。中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆，红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆，而日本轿车平均为14kg/辆，宝马则更高，为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产15，000吨高性能ABS工程塑料的能力。8高强度纤维复合材料高强度纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料（CFRP），因其质量小，而且具有高强度、高刚性，有良好的耐蠕变与耐腐蚀性，因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维复合材料在汽车上的应用，美国开展的最好。二十世纪八十年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计，在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33％左右，并继续呈增长态势，复合材料作为汽车车身的外覆件来说，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。上海通用柳州汽车公司和东风公司计划推出全复合材料车身的家庭用小轿车。9陶瓷材料由于陶瓷本身具有的特殊力学性能以及对热、电、光等的物理性能，陶瓷材料特别是特种陶瓷在汽车上的应用日益受到人们的重视。我国已成功研制钛酸铝陶瓷-铝合金复合排气管、氮化硅陶瓷柴油机涡轮增压转子和球轴承等汽车部件。

汽车的构造材料可反映人类所应用材料的技术水平。目前，6类主要材料如钢﹑铁﹑塑料﹑铝﹑橡胶﹑玻璃共占轿车质量的90%，其余10%为其他多种材料，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等），车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他油品和水基液等），油漆、纤维制品。

三、新型功能材料1稀土材料中国稀土资源丰富，居世界前列。世界已探明的稀土储量中国占世界已探明资源的80%，为我国大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。使用汽车废气净化催化剂是控制汽车废气排放、减少污染的最有效的手段。含稀土的汽车废气净化催化剂价格低、热稳定性好、活性较高，使用寿命长，引起了人们的广泛关注。

汽车废气净化稀土催化剂所用的稀土成分主要是氧化铈、氧化镧和氧化镨等。用于汽车废气净化催化剂的载体通常为蜂窝陶瓷，稀土还可以作为陶瓷载体的稳定剂以及活性涂层材料等。2纳米材料纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一，它是高度交叉的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系。纳米技术将在汽车上的结构材料、节能、环保等方面获得广泛的应用。纳米陶瓷材料的耐磨性和质量减小、稳定性增强。纳米陶瓷轴已经应用在奔弛等高级矫车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强、使用寿命延长；纳米汽油是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂，纳米汽油可以降低油耗10%-20%，可降低废气中有害气体含量50%-80%；纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的石油产品，它不对任何润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂或减磨剂等产生不良作用，只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。纳米增强增韧塑料可以代替金属材料，由于它们比重小重量轻，因此广泛用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的。可以用于汽车上的保险杠、座椅、翼子板、顶蓬盖、车门、发动机盖、行李舱盖以及变速器箱体、齿轮传动装置等一些重要部件。抗紫外线老化塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上，能有效延长其使用寿命。无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24h接触杀菌率达90%，无副作用，可以用在车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污部件。

四、新材料应用的发展趋势1新材料回再用性的研究研究汽车新材料的最终处置问题至关重要，从某种程度上讲，关系到它的生存与发展。目前，汽车上约占自重25%的材料无法回收再用，其中三分之一为各种塑料，三分之一为橡胶，还有三分之一为玻璃、纤维。鉴于这种情况，世界各国都花费大量的人力、物力进行材料的回收再生问题的研究。现在可以通过三种途径进行回收：1）颗粒回收，重新碾磨；2）化学回收，高温分解；3）能源回收，将废弃物作为燃料。2减少材料的品种未来汽车在工程塑料类型的选择上将会发生巨大的变化。目前汽车使用的塑料由几十种高分子材料组成，当前世界各大汽车公司致力于减少车用塑料种类，并尽量使其通用化。这将有利于材料的回收再生和生态环境的保护。3降低成本制约汽车车身新材料应用的重要因素是价格。作为主要新材料的高强度钢、玻璃纤维增强材料、铝和石墨增强，其成本分别为普通碳钢的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低这些新材料的制造成本，才可能使诸多新材料进入批量生产。如玻璃纤维增强材料将在成本上成为钢材的有力竞争者，虽然它的重量减轻有限，但价格却能为用户接受。石墨合成材料尽管性能良好，但因其成本居高不下，目前它在汽车工业上很难有所作为。

五、结语伴随着我国工业汽车的全面发展，社会拥有量的大量增加。汽车在国民中的地位显得越来越重要，汽车新材料的发展和应用是促进汽车工业技术发展的重要因素。由于大量采用新型材料，传统的车身结构及其设计方法可能不再适用，取而代之的是一种基于生物学增长规律的形状优化设计法，这种设计方法即能减少零件质量，又延长了零件的使用寿命。

篇2：汽车轻量化新材料应用

2011-7-6 15:55| 发布者: admin| 查看: 90| 评论: 0|原作者: admin|来自: 中国汽车材料网

杜明义（东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060）

摘要：介绍了铝合金在汽车上应用的实例，分析了汽车轻量化的发展趋势，揭示了铝合金材料在汽车上良好的应用前景与应用空间。

关键词：汽车；铝合金；轻量化

节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的趋势，尤其是节能和环保更是关系到人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减少汽车自身质量（汽车轻量化）是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。汽车轻量化的途径有两种：一是优化汽车框架结构；另一个是在车身制造上采用轻质材料。而目前常用的轻质材料为铝合金。

目前，世界交通运输业用铝为铝产量的26%，而我国仅为5.7%。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对交通工具的需求越来越多，因此，铝合金材料在我国交通运输业上的发展空间还很大。

现代轿车发动机活塞几乎都用铸铝合金，这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并需要材料有良好的导热性，较小的热膨胀系数，以及在350℃左右有较好的力学性能，而铸铝合金能符合这些要求。同时由于活塞、连杆采用了铸铝合金件，减轻了质量，从而减少发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合汽车的发展趋势。

汽车车身约占汽车总质量的30%，对汽车本身来说，约70%的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身铝化对提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi80和Audi100上采用了铝合金车门，然后不断扩大应用。1994年奥迪公司斥资800万欧元建立的铝材中心（1994年～2002年），两年前被更名为“奥迪铝材及轻量化设计中心”。1994年开发第一代Audi A8全铝空间框架结构（ASF），ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平。但汽车自身质量减轻了大约40%。随后于1999年诞生的Audi A2，成为首批采用该技术的批量生产轿车。2002年，奥迪铝材及轻量化设计中心又实现了第二代Audi A8的诞生。

在此期间，美国铝业公司开发了全新的汽车生产技术。如今，铝制车身制造的自动化操作程度已达80%，赶上了传统钢制车身生产的自动化水平。奥迪公司与美国铝业公司一直保持着良好的合作关系，双方合作的目标是共同开发一款全新的可以批量生产的全铝车身汽车。

美国铝业公司为全球汽车制造商提供品种繁多、性能优异的汽车部件和总成，包括车身覆盖件的铝板、压铸轮毂、配电系统、底盘和悬架部件，以及保险杆、发动机支架、传动轴、车顶系统等总成；包括Audi A8的第二代ASF框架结构、宝马5和7系列的铝制悬架、日产Altima的发动机罩和轮毂、法拉利612 － Scaglietti的全铝车体结构，以及捷豹XJ采用的真空压铸技术。美铝公司的产品和解决方案使这些车型向着更轻量化、更技术化的方向发展。

目前，制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一是其价格比钢材的高，为了促进铝合金在汽车上的大量应用，必须降低材料成本。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成形工艺外，回收再生技术可进一步降低铝合金的生产成本。扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种连接技术，今后发展的多材料结构轿车要求连接两种不同类型的材料（如铸铁一铝、钢一铝、铝一镁等），对这些连接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术，是今后扩大铝合金在汽车上应用的重要课题。

汽车广泛应用的铝制轮毂是铝合金在汽车上应用的一个例子，铝合金轮毂的优点是：

（l）省油。平均每个铝合金轮毂比相同尺寸钢轮毂轻2 kg，一台轿车用5个便节省l0kg质量。根据日本试验，5座位轿车质量每减轻l kg，－年约节省20L汽油，而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出，铝合金轮毂价格虽然比一般钢轮毂的高，但每辆汽车行走2万km，所节省的燃料费便足够抵回其增加的成本。

（2）增加发动机寿命。根据发动机负荷与功率曲线图，当负荷增大至某一程度后，其功率反呈降低趋势，此边际表示此时每一单位负荷发动机将特别耗油。发动机负荷减轻．自然减少故障，延长寿命。

（3）散热好。铝合金的传导系数为钢的3倍，散热效果好，长途高速行驶时也能使轮胎保持在适当的温度，使刹车鼓及轮胎不易老化，增加寿命，降低爆胎的机会。

（4）真圆度好。真圆度精度高达0.05mm，运转平衡性能好，有利于消除一般车身超长时方向盘抖动现象。

（5）坚固耐用。铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及耐热能力较钢轮的好。

（6）美观。一般钢轮毂因生产工艺所限，形式单调呆板。铝合金轮毂则有各式各样的设计，加上光泽、颜色效果好，从而提高了汽车的价值与美观。

篇3：汽车轻量化新材料应用

1 化工新材料应用推动汽车轻量化的现状

为了适应可持续发展道路的要求, 我国的汽车行业逐渐向轻量化进行转变。即在保证汽车性能和质量的条件下, 对相关设备的质量进行降低, 进而促使汽车动力性得到提升, 有助于降低废弃对环境的污染。目前, 我国将化工新材料积极运用到汽车轻量化中, 鼓励企业生产并使用复合材料, 通过计算机对企业的结构进行优化, 在保证性能的基础上实现汽车规格的缩小等。通过近几年的努力, 我国在能源节约、降低污染等方面获得了一定的成果。但从具体来看, 仍旧存在一定的问题。

2 化工新材料应用推动汽车轻量化存在的问题

2.1 轻量化技术有待提升

化工新材料在汽车行业中的运用, 对轻量化技术提出了更高的要求。但目前我国的轻量化技术能力有限, 导致汽车轻量化的发展进入了一个瓶颈期。将化工新材料运用到汽车生产中, 虽然质量有所降低, 但汽车的强度并没有得到有效提升, 与国家标准仍旧有所差距。并且, 化工新材料在冲压技术方面也需要一定的提升, 材料的裂纹难以有效减少。同时, 复合材料的研发和生产技术也需得到提高, 对关键技术的掌握程度也比较有限, 许多现今的技术产品仍旧依靠进口。

2.2 新材料推广效率较差

新材料的推广效率不高, 导致汽车轻量化中, 化工新材料的运用十分有限。与其他国家相比, 我国的化工新材料在汽车中的运用大多以零部件的形式呈现, 并且难以担当汽车的主要部件, 对汽车质量的降低作用有限。运用范围和运用程度的有限, 导致汽车轻量化的效率并不高, 轻量化难以实现有效的发展。同时, 新材料的推广成本较高, 资金有限也是导致推广效率较差的原因之一。

2.3 后期维护工作不到位

汽车行业的维修和后期服务十分重要, 后期维护工作的不到位, 导致轻量化汽车的受众范围较小。同时, 对化工新材料的后期服务也应得到一定的重视。但实际上, 由于新材料的维护成本较高, 使得许多企业忽视对新材料的后期维护工作。另一方面, 我国在对新材料的维修方面的工艺也有限, 难以保证充分满足客户的要求, 导致维护工作不到位, 汽车的轻量化难以得到有效提升。

3 化工新材料应用推动汽车轻量化的措施

3.1 推动新材料种类的丰富

我国的汽车行业发展较快, 新材料的推广以及种类的丰富也应充分适应汽车行业发展的节奏。从目前的情况来看, 推动化工新材料种类的丰富, 是实现节能减排, 加强其在汽车轻量化中的运用的重要措施。一方面, 对新材料的开发, 可不仅仅局限于对铝等合成材料的生产, 还可对纤维等高分子材料进行研发和运用;另一方面, 在对密度较低、质量较轻的材料进行生产和运用的过程中, 还应考虑到材料的强度问题, 并重视对高强度材料的研发和运用。此外, 政府积极推进新材料的研发和试用, 也是促进新材料种类逐渐丰富的有效措施, 对新材料的运用有着重要的意义。

3.2 扩大新材料的运用范围

在我国汽车轻量化的发展中, 对化工新材料的运用始终比较有限, 运用范围较小。所以, 扩大化工新材料在其中的运用范围, 提高其对汽车轻量化的适应性, 是推进轻量化进程的重要方式。包括对新材料的种类的扩大, 以及运用范围的扩大两个方面。例如, 针对汽车的轮胎、方向盘等部件, 可适当进行新材料的运用, 并对不适应的地方及时进行改进和创新。同时, 还可加快新材料的研发速度, 以满足汽车轻量化的新的要求。扩大新材料在汽车轻量化中的运用范围, 不仅能促进汽车性能的提升, 还能实现能源节约的目的。

3.3 掌握新材料的关键技术

我国的化工新材料在汽车轻量化中的运用之所以难以得到有效提升, 其本质原因是对新材料的关键技术的掌握程度有限, 难以实现技术的创新和研发。技术的传统导致材料的性能有限, 难以满足汽车性能的要求。所以, 掌握新材料的关键技术, 是促进汽车轻量化发展的重要环节。一方面, 相关部门可加大研发资金的支持, 投入更多的优秀人才进行新技术的研发;另一方面, 还可充分借鉴国外的先进经验, 并与国外的相关机构进行合作, 对其优秀的研发经验和理论进行吸收和运用。通过这样的方式, 逐渐拥有自己的核心技术, 并形成自主的研发、生产以及运用体系, 提高化工新材料的促进作用。

4 结语

据上述的分析可知, 通过推动新材料种类的丰富、扩大新材料的运用范围, 以及掌握新材料的关键技术等方式, 对当前的化工新材料运用于汽车轻量化中提出了一些建议, 以推动我国汽车轻量化的进程, 倡导环保理念。另外, 加大资金投入、积极借鉴优秀技术等也是汽车轻量化发展的有效方法。

摘要：随着化工业进程的加快, 自然环境遭到了一定的破坏。为了倡导环境保护理念, 实现可持续发展, 汽车行业成为能耗控制的重要行业。本文简要阐述了化工新材料的应用推动汽车轻量化的现状, 以及其中存在的部分问题, 并在此基础上, 详细分析了化工新材料应用推动汽车轻量化的措施。

关键词：化工材料,汽车,轻量化,推动作用

参考文献

[1]王萍.化工新材料应用推动汽车轻量化的思考[J].化工管理, 2015, 20:212+214.

[2]罗礼培.化工新材料应用推动汽车轻量化进程[J].化学工业, 2014, Z1:19-23.

篇4：汽车轻量化新材料应用

镁及镁合金的优势

镁合金是最轻的金属结构材料，镁的密度每立方厘米只有1.74克，是铝的2/3，钢的2/9。采用镁合金能减轻整车重量，可在铝轻量的基础上再减轻15%~20%。镁合金的比强度和比刚度远高于铝和钢，镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加，对用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利。镁合金的减振系数远高于铝和钢铁，具有优良的抗冲击性能，有利于减振降噪，选用镁合金作为汽车结构材料能有效降低汽车振动和噪声，受冲击时能吸收更多的能量。镁合金的散热性好，抗电磁干扰性高，使汽车更为安全舒适。此外，镁合金具有良好的铸造性能和加工性能，同时有优异的回收再生利用的特性，其循环使用并不影响材料的性能，且再生熔解时的能耗比新材料制造所消耗的能源少得多，仅为矿石冶炼能耗的百分之几，更有利于环保和资源节约。

镁合金在汽车工业中的应用

20世纪20年代，德国率先把镁合金应用于汽车制造业；50~60年代，德国大众汽车的甲壳虫汽车大量使用镁合金作为结构零件。此后，欧美汽车制造企业纷纷应用镁合金零部件。自1990年以来，镁在汽车中的应用就一直以较快的速度增长，汽车用镁正以年均20%的增长速度迅速发展，镁合金已经成为汽车材料技术发展的一个重要领域。目前，国内外汽车企业正致力于研究占车重比例大的车身（约30%）、发动机（约18%）、传动系统（约5%）、行走系统（约16%）、车轮（约5%）等钢或铝零部件的镁合金化。

到目前为止，汽车上共有60多个零部件采用镁合金，主要用来制造以下汽车零部件：传动系统（齿轮箱外壳、离合器外壳、变速器外壳）、发动机系统（汽缸盖、油泵外壳、汽缸体、油盆、阀盖、轮盖）、车体系统（仪表扳、座椅架、移动式车顶架、车门内衬、安全气囊外壳、加油箱盖、车灯外壳、引擎盖、车顶扳、前簧架支撑组件、车身骨架）、底盘系统（转向架、锁架外壳、方向盘、轮圈、刹车及离合器踏板托架）。

国外镁合金在汽车上的应用

（1）北美 北美是镁合金用量最多的地区，其年发展速度为30%。加拿大Noranda技术中心研发的一种高温抗蠕变镁合金，已经用在宝马发动机组。在美国，许多汽车零部件采用镁合金铸造生产，在一些车型上每辆的镁合金用量大约为5.8~26.3千克。著名的汽车公司如福特、通用和克莱斯勒，在过去的十几年里一直致力于新型镁合金和镁合金离合器壳体、转向柱架，加气管及照明夹持器等汽车零部件的开发与应用，福特公司采用了30个镁合金压铸件、通用公司45个、克莱斯勒20个，单车用镁合金20~40千克，替代效果十分明显。福特用镁合金AM60生产车座支架安装在微型货车上，取代钢质支架，使座椅质量从4千克降低至1千克；用AZ91D制作锁套，比用锌减少质量75%；其载货汽车离合器壳改用AZ91D镁合金压铸件耐海水腐蚀性也比铝合金壳体好，延长使用寿命。福特2004年推出全新的F-150，将散热器支架做成镁合金铸件，不仅减轻质量，并为发动机仓节省了更大的空间，减少装配量。通用公司于1997年成功开发出镁合金汽车轮毂，并在Cadillac DeVille车上用AM50镁合金铸造仪表板，重6.8千克，比以前散件组装的钢结构轻20.4千克。

（2）欧洲 欧洲的镁合金用量仅次于北美，部分车型上的镁合金用量约为9.3~20.3千克，其年增长速度为60%。早在20世纪中期，德国就出现了镁合金压铸件。尤其20世纪90年代，德国在镁合金压铸领域一直在世界处于领先地位，以大众汽车公司最为突出。在汉堡举行的42届大众公司股东年会上，大众展出了世界上最经济的1L小车，其中车身空间框架采用镁合金比铝车身轻13千克，此外其燃油泵壳、变速器壳、座椅框架等也是采用镁合金制成。奥迪汽车公司第一个推出镁合金压铸仪表板。AudiA6 2.8上使用的Audi multitronic手动一体式变速器采用镁合金外壳，总重量比Tip tronic轻27千克。目前德国大众Passat、AudiA2、A4和A6的镁合金用量达到了每台14千克。奔驰公司最早将镁合金铸件用于汽车座支架。而宝马全面使用镁合金轮毂，不但每个比铝制品轻3.8~5千克，比钢制品轻8千克，同时抗振能力也有很大提高。不久前宝马推出镁合金制的发动机，使镁合金在汽车上的应用达到一个新台阶。可以说德国是推动镁合金压铸技术发展的先去与主动军。而英国罗孚集团在其2009年陆虎新美洲虎上使用了铸造镁合金前端。

（3）日本 就镁合金在汽车上的应用而言，日本要落后于欧美国家，最早仅限于汽缸盖、座椅架、仪表板等。但近年来发展迅速，如丰田公司首先开发使用了镁合金转向盘、轮毂、凸轮罩等，之后又推出了前排座椅为镁合金骨架的网状结构。丰田汽车的方向盘加装安全气囊后质量增加，采用AM60B镁合金压铸件后，质量比过去的钢制品、铝制品分别减少45%和15%，并降低转向系振动。而三菱公司与澳大利亚工业科技部合作，开发出超轻量发动机。目前，日本的各家汽车公司都生产和应用了大量的镁合金壳体类压铸件。

2. 国内镁合金在汽车上的应用

我国汽车工业用镁较晚，多处于研究开发阶段。上汽率先将镁合金用于桑塔纳轿车的变速器壳体、壳盖和离合器外壳；一汽已试制开发发动机罩盖、离合器壳、齿轮室和齿轮盖等小批量样件；二汽镁合金研发体系也已形成，近期投产的630、800和1600型镁合金压铸件生产线，可批量生产载重车的变速器上盖、脚踏板、真空助力器隔板、制动阀体等16种零件，并已大批量装车进入市场销售。

北京广灵精华科技有限公司专业从事镁合金制品的研发、生产和销售，一直致力于镁合金汽车零部件的生产和应用研发，镁合金件产品主要有方向盘骨架、扶手管、顶横梁、前防护总成和车桥减速器壳盖等。同时与北京现代、长安及北汽福田汽车等单位合作研发镁合金汽车壳类零件，主要有发动机气门室罩盖、仪表板横梁骨架总成、缸体罩盖等。

综上所述，在未来的发展中，镁合金除了在目前的应用领域（如车轮、发动机汽缸盖及进气管、变速器等）继续改善其性能并拓展其在不同轿车车型中的应用之外，在一些大型铸件上，也将拓展其应用范围，如顶盖、发动机罩盖、后备箱盖、内门板及框架、仪表板等。目的是不仅减轻质量，而且可以使几个零部件优化设计成一个镁合金铸件，节省加工工具的成本，提高装配效率。另外，随着镁合金挤压及冲压技术的不断开发应用，不仅能进一步减轻重量，而且使产品的综合性能大大提高，尤其冲压生产效率高、工装简单、成本低，因此为镁合金在汽车上的应用发展提供了新的机遇。

各国汽车制造商积极进行汽车轻量化，欧美各车厂计划到2020年，汽车减重15%左右；美国汽车材料协会预计到2020年北美生产的每辆汽车镁合金用量达到约160千克。相对于欧美等国，我国自主轿车平均比发达国家同类轿车重8%~10%，汽车轻量化的潜力更大。镁合金具有其他材料无可替代的密度和比强度、比刚度优势，具有优异的回收再利用性，以及良好的铸造及尺寸稳定性、抗振等特性，是汽车轻量化技术中替代钢材、铝材、塑料复合材料的理想和首选材料，其在汽车轻量化上的应用空间非常广阔。同时我国镁资源丰富，镁合金的发展有可靠的原料来源，依据目前镁合金在汽车中应用开发情况，镁合金材料势必将广泛应用于汽车工业。

篇5：汽车轻量化新材料应用

AT&M记者:谈谈您对电动汽车轻量化问题的 看法。

陈一龙:电动汽车作为未来汽车的发展方向,受 到各国政府的高度重视,我国政府亦将其纳入战略新 兴产业,发布了鼓励电动汽车产销的政策,并作出产 业化的规划,这无疑是汽车工业发展的大好机遇。然 而,产业化的电动汽车与轻量化的关系问题却一直没 有受到各方面的足够重视,值得认真探讨。

2011年第4期《中国汽车参考》刊登了 “德国 国家电动汽车平台报告” ,介绍了德国国家电动汽 车平台灯塔项目的内容。显然,德国把电动汽车的轻 量化列为实现产业化的关键技术之一。2011年的奥 迪A3e-tron纯电动汽车自重1 592 kg,只比125 kW的奥迪A3sportback2.0 TDI quattrro 略重,在达到这 种轻量化水平下,仍在轻量化上投入大量资金作为单 列重大项目进行研究与开发,值得深思。据“报告” 所说,轻型车身立项原因很简单,就是要平衡电池引 起的质量增加。其作用定位是,使德国电动汽车和 国际竞争对手在技术上平起平坐,更可能使德国在电 动汽车技术上获得领先优势。这句“和国际竞争对手 在技术上平起平坐”是我们必须考虑的。解析一下就 是,没有一定轻量化水平的电动汽车是没有市场竞争 力的,是不可能实现产业化的,只能做示范用。在这种认识下,我们看一看国内电动汽车的质量 控制情况。目前国内自主品牌电动汽车的质量变化, 与同类对标燃油汽车相比,增重均在30%以上;而 合资品牌的增重在6%16%,不要与国外“略微增 重”(5%相比,已是大大落后了。如果再考虑碰 撞安全性,国外电动汽车均达到欧洲NCAP五星碰撞 标准,自主品牌电动汽车能得几个星呢?

由此看出,电动汽车的轻量化问题必须敲起警钟 了。其实张小虞先生2010年就讲过,轻量化问题已 经成了横亘在电动汽车发展过程中的鸿沟和大课题。其含义有三:一是受电池水平影响,电动汽车更需要 轻量化;二是没有相当轻量化水平的电动汽车由于缺 乏竞争力,不可能实现产业化;三是电池、电机、电 控系统的成本居高难下,国家已拿出巨额资金补贴电 动汽车的销售,电动汽车轻量化面临成本控制的巨大 压力。无论如何,电动汽车应当是具有相当轻量化水 本刊记者 纪维萍

平的汽车,而不是单纯靠电池驱动的汽车,它们应当 有轻量化的定位,达不到定位的电动汽车应当暂停开 发和补贴,否则是对资源的浪费(不可能实现产业 化。人们应当知道,汽车轻量化技术是共性基础应 用技术,是各种汽车不可绕开的技术。

总之,电动汽车列为国家战略新兴产业是汽车工 业发展的重大机遇,但实现电动汽车的轻量化又面临 巨大的挑战。因此,电动汽车轻量化技术路线问题理 应受到行业和政府有关部门的高度重视。

AT&M记者:请您预测一下未来汽车车身的主体 材料。

柏建仁:为了说明这一问题,先看一下目前应用 现状及各种材料的优势与劣势。车身轻量化途径包括 车身设计、材料技术与制造技术三个方面。从材料技 术而言,车身应用的材料有钢铁、铝合金、镁合金及 树脂基复合材料。依据车身应用的材料构成,将车身 分类为钢车身、以钢为主多种材料混合车身、铝车身 及复合材料车身。选择材料与相关的制造技术取决于 车的技术目标及成本结构。目前,市场上有多种车身 概念。

钢车身:通过应用更多的高强度钢及先进制造 技术减重,与软钢相比高强度钢一般减重10% 25%。应用高强度钢及先进制造技术,可提高燃油 经济性,提高被动安全性。与其他材料相比,钢的 价格也较低。典型例子为大众汽车的Passat CC , 高强度钢应用比例为 81%,其中超高强度钢应用比 例为29%。

多种材料混合车身:车身材料以钢为主,其次是 铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分 挖掘了各种材料的潜力,如铝保险杠梁改善了低速碰 撞性能,铝发动机罩改善了行人保护性能。典型例子 是大众汽车Bentley Continental GTC ,发动机罩及 门防撞梁用铝合金,行李箱盖外板用热固性复合材料 SMC,行李箱盖内板用镁合金。

铝车身:铝密度小,铝零件与钢件相比减重可 达50%以上。如果对零件简单地以铝代钢,减重可达 40%50% ,比以变强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高,铝车身一般用于高级轿车,目前 新能源汽车应用铝车身也是一种趋势。铝车身包含全 铝车身及以铝为主的车身。典型例子是Audi R8用铝 100%,Audi TT用铝69%。在用铝很多的车身中,也 发挥其他材料改善车身性能的优势。如Audi A8用铝比 例 92% ,部分采用了钢板,如侧面碰撞的关键零件 ——B柱使用钢板。

复合材料车身:以复合材料为主的车身。复合材 料也是轻质材料,减重效果明显。典型例子是丰田汽 车Lexus LFA车型,应用纤维增强复合材料41.3%、SMC13.7%、铝40.4%。

在欧洲车身会议文献中,自2006年至2011年发 布了72个车身,其中有32个钢车身、30个以钢为主 多种材料混合车身、8个铝车身及2个复合材料车身。从上述可见,在相当长的时间里,钢作为车身主 体材料的地位会继续保持;多种材料混合车身是发展 趋势,钢的用量会逐渐减少;高价格车、新能源车车 身应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。

AT&M记者:谈谈您对高强度钢应用现状的看法。柏建仁:从上世纪70年代石油危机开始应用高 强度钢,初始目的是提高燃油经济性。伴随着汽车工 业发展,环保及安全日益重要,高强度钢应用也越 来越多。以日本轿车车身高强度钢板应用比例进展说 明:1980年为8.7%、1992年为23.3%、2000年左右 为40%、2002年达到50%。高强度钢应用进展主要 表现在以下几个方面:车身设计理念变化、应用比例 增加、钢的强度提高、零件制造技术发展。最近几年 国外开发的新车,乘用车车身高强度钢应用比例平均 约为60%,多的达到80%以上。第一代先进高强度 钢应用比

例增加,应用比例高的大约为20%。热成形 钢抗拉强度达到1 500 MPa、1 800 MPa。

2007年,成立轻量化技术创新战略联盟的时 候,对自主品牌车作过调查,高强度钢应用比例平均为25%,AHSS、UHSS应用少。这几年变化很 大,新开发车高强度钢应用比例超过45%,高的达到

60%,AHSS、UHSS 应用比例增加。

建议把轻量化纳入设计规范,同时注重安全性, 应用先进的制造技术。AT&M记者:请您谈谈辊压成形技术的应用现状 与发展。

柏建仁:辊压成形技术是一个很老的技术,说它 老,应用了很多年,但一直是等截面辊压。它又是一 个很新的技术,说它新,最近几年开发了变截面三维 辊压技术。其技术优势:生产成本低、生产效率高、材料利用率高、模具磨损低;即使材料为高强度钢, 成形后零件回弹较小;能成形复杂的截面形状,比普 通弯曲成形有更小的圆角半径;柔性,适合同系列车 型开发(零件只是长度、厚度变化;材料抗拉强度 超过1 200 MPa时,冷成形无能为力。制造的主要零 件有门窗框、保险杠梁、门槛、门防撞梁、顶盖横梁 等。欧洲汽车公司辊压零件与车身质量比约为5%, 预计将来可达到20%。最近几年开发了变截面三维 辊压技术。变截面零件合理设计型材的几何断面,提 高承载能力,减轻零件质量。瑞典ORTIC公司、德国 DATA M公司开发了第三代3D柔性辊压成形设备。一 汽与北方工大合作,正在研制3D柔性辊压生产线。应用的钢种主要为高屈服强度双相钢及马氏体钢。瑞 典SSAB公司开发了辊压成形用钢。

AT&M记者:材料轻量化与结构轻量化都属于汽 车轻量化技术,如何看待二者的辩证关系?

马鸣图:对二者之间的关系,我想还是从轻量化 的途径谈起。汽车轻量化首先从轻量化的概念开始, 然后通过优化设计取得轻量化的效果,再通过合理选 取高强度轻量化的材料取得轻量化的效果。要合理应 用高强度轻量化的材料,就必需应用先进的成形工 艺,从而取得轻量化的效果。因此,汽车轻量化是多 种专业优势的集成,多种材料优势的集成,多种先进 的加工成形工艺优势的集成。正如问题中所说,材料 轻量化和结构轻量化确实都是属于汽车轻量化技术, 二者是紧密相关的,为进行优化的结构轻量化设计, 就必需深刻理解高强度轻量化材料的性能和应用后的 轻量化效果,也就是在轻量化结构设计中,需要有轻 量化材料的数据库进行支撑,这样才能满足轻量化材 料应用时得到预期的轻量化效果。轻量化的结构是一 个零部件的概念,对某些汽车零部件仅依据某些轻量 化材料的性能尚不能完全准确地预测轻量化优化后的 零部件的功能。这里应该强调的一个概念是材料的性 能和零部件的功能既有关联又有不同。从材料到零部 件要经过一系列的加工,这些加工过程中有的可能提 升性能,有的可能降低性能,所以一定要具体分析。例如,采用双相钢DP600做冲压件,这类双相钢屈服 强度比较低,但加工硬化速率很高,应变硬化+烘烤 硬化可使初始屈服强度增加120160 MPa,如以初 始屈服强度来预测零部件的功能,就不能确切表征成 形后零件的真实功能。所以,在用材料性能预测零部 件功能时,一定要了解材料本身的加工特性和加工后 材料性能的变化。

AT&M记者:国内汽车未大量推广应用轧制铝合 金是什么原因?谈谈您的看法。

马鸣图:在变形铝合金中,有挤压铝合金、轧 制铝合金板材。轧制铝合金板材主要用于汽车的冲压 件。用铝合金板材做汽车冲压件,首先是可以减重, 如用铝合金板材代替钢板,可使发动机罩盖总成减重 40%50%;铝合金导热性好,有利于发动机舱的 散热。另外,用铝合金板材制作的发动机罩盖,还有 利于改善碰撞后对行人的伤害,有利于碰撞对行人法 规的实施,但是铝合金板材做汽车冲压件,需要解决 抗时效稳定性、烘烤硬化性、成形性、翻边延性、油 漆的兼容性、抗凹性等相互矛盾性能的合理匹配。AT&M记者:请您谈谈硼钢材料热冲压成形技术 在中国未来汽车业中的应用前景,在乘用车不同级别 车型中的应用零件种类。

马鸣图:热冲压成形技术最早于1970年在瑞典 首先开发成功。其技术的主要目标是把零件做得更 强、更轻。人们对汽车轻量化一直关注的问题是轻量 化能不能保证汽车的安全性。汽车轻量化是多种技术 优势的集成,其中热冲压成形技术就是使汽车零件更

强从而保证汽车的安全性,而又能够同时实现轻量化 的技术。这种技术是将零件加热到900 ℃以上,进行 奥氏体化,然后迅速移到冲压机的模子上进行冲压, 使零件在热状态下进行成形。不仅大大降低了成形 力,而且使复杂的零件能够一次成形。高温改善了板 材的成形性,在冲压成形的同时,在模子中以大于钢 材淬火时冷却速度的冷速进行冷却,从而使零件在保 压状态下进行淬火,得到全板条马氏体组织,极大地 提升了零件的强度。以目前应用广泛的22MnB5钢种 为例,这种钢种通过热成形后得到的汽车安全件其抗 拉强度可以超过1 500 MPa,有效地提升了在汽车轻 量化前提下汽车的安全性,取得了汽车零件轻量化、高强化和碰撞安全性的综合效果,因此热冲压成形是 一种有前景的先进成形工艺。正因如此,自1970年 以来,热冲压成形工艺发展很快,目前全世界已有近150条生产线,中国已投产和在建的也有10多条。热冲压成形零件在乘用车上有广泛的应用,其典 型零件有前、后保险杠,左、右A柱,左、右门B柱, 门内防撞杆,背顶横梁,中通道,左、右门槛等。最近有资料报道,VOLVO一些车型上,热冲压成形零 件用量已超过15%,新设计的车型将近20%;意大利 的Fiat一些车型上热冲压成形零件用量已超过25%;中国一些新开发的车型上特别是合资品牌,也开始应 用热冲压成形零件。目前,中国一些企业家看到这个 商机,对这一技术产生了很大的兴趣,并纷纷投资建 厂,有的设备全套引进。但是在引进中,国外不可能 给我们关键技术,因此还难以发挥引进设备的效益。更由于一些企业未掌握这一核心技术,导致设备的选 型、制作、工艺参量的制定产生诸多失误,投资不能 发挥效益,带来不少损失。从原理上看,热冲压成形 并不神秘,但是确实有诸多的核心技术和企业生产的 专有技术,这些技术不掌握,盲目投资,必然会带来 一些损失。因此,应该采用产、学、研、用的模式, 踏踏实实做些热冲压成形技术相关设备 的研发和技术 的开发,以形成我国具有自主知识产权的热冲压成形 设备生产线和专用技术,不要一哄而起,否则要么会 出现盲目引进,要么会给企业带来投资损失。目前, 该项目已经获得科技部的支持。中汽院、东北大学、华中科技大学、湖北永吉吉集团在科技部项目的支持 下,集成各方已有的热冲压成形技术方面的优势和研 发成果,打造中国一流的具有自主知识产权的热冲压 成形生产线,并形成完整的热冲压成形专有技术。AT&M记者:请您预测一下硼钢板材热冲压技术 中加热工艺的发展趋势。

马鸣图:目前,热冲压成形的加热工艺主要是采 用辊道式的连续炉。这类炉子的优点是自动化连续生 产,但是能耗大,辊子寿命有问题,更换辊子困难,使 用中有时也会出现一些质量事故,造价高。因此,最近已经出现模块化的多层箱式炉。这类炉子具有节能环保 的特点,但是对自动化的送料和总线控制系统要求比较 高,相对辊道炉炉门开闭次数也较多,影响炉内气氛和 保护气氛的用量。国外也有报道直接采用通电加热的方 式,由于热冲压成形零件的复杂性,这种加热方式难以 保证零件温度的均匀性,目前实施有相当大的难度。中 汽院和华中科技大学也在联合开发有关新的节能的加热 方式,一要保证加热效果,二要保证合理的节能,三要 保证炉子加热元件的使用寿命和可靠性、稳定性,因此 这方面还有大量的工作要做。另外,加热工艺与热冲压 成形的板材表面质量有关系,有镀层和无镀层板的加热 方式都会有些区别。因此,要保证我国热冲压成形技术 健康稳定发展,开发有镀层的热冲压成形用钢也是极为 重要的一个方面。

AT&M记者:请您谈一下铝合金板材成形技术的 发展趋势。

马鸣图:铝合金汽车板冲压成形技术是在铝合 金板材性能保证要求的前提下提出的。这里我应该强 调,汽车用各类钢板,包括高成形性板、一般高强度 钢板、第一代先进高强度钢板、第二代先进高强度 钢板、第三代先进高强度钢板都是钢铁企业的顶级 产品,它代表了钢铁技术的发展水平。而铝合金汽车 板,由于其性能的特殊性,比如它的总伸长率只有同 等强度钢板总伸长率的一半,因此其冲压工艺和成形

工艺、冲压过程中的各种参量和钢铁材料有一定的不 同,这也是铝合金汽车板冲压工艺和冲压模具设计制 造的专用技术。总体来说,铝合金汽车板的冲压成形 性要比钢板差一些。正因如此,为了改进铝合金汽车 板的冲压成形性,最近开发了一系列的专有技术。目 前,以下3个方面的成形技术研究较多。

热力液压成形技术:成形温度增加到170 ℃时, 拉深高度只从35 mm增加到38 mm;而当增加到250 ℃时,拉深高度可增加到60 mm。目前,世界众多著 名汽车制造商都在采用此技术。丰田公司所使用的板 材液压成形机的成形力达40 000 kN,能成形平面尺 寸为1 300 mm× 950 mm, 重达7 kg。

超塑性成形技术:美国摩根汽车生产的Aero 8的 铝制外覆盖件采用了超塑成形与手工成形的结合。在 福特公司生产的Ford GT全铝结构车上,几乎所有的 覆盖件都是用超塑性成形技术来生产的。

电磁复合冲压成形技术:电磁复合冲压成形的 冲裁时间只需10-210-4s;在传统冲压模具和润 滑条件下铝合金板材的成形高度为4.4 cm,在相同 的成形设备安装电磁成形线圈后,利用5.4 kJ 的能量 进行电磁成形,一次成形周期可控制在5 s以内,铝 合金板最高成形高度可达6.4 cm,结果铝合金板成形 极限提高了近47%。

AT&M记者:请您谈谈管类零件成形技术的发展 趋势。

苑世剑:空心轻量化构件的传统制造技术是先冲 压成形多个半片再焊接成整体,为减少变形,一般只 能进行点焊,截面不是封闭的,构件的可靠性较差。近20年来,在突破了超高压动密封和计算机闭环伺服 控制技术后,管材内高压成形技术逐步发展起来,并 迅速成为空心轻量化构件的主流制造技术。其基本原 理是以管材作坯料,通过向管材内部施加高压液体和 轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为复杂空心 构件。内高压成形件以空心替代实心、以变截面取代 等截面、以封闭截面取代焊接截面,比传统的冲压焊 接空心构件再减轻15%30%,并且由于构件的整 体化,大

幅提高刚度和疲劳强度,是轻量化结构制造 技术的实质性进步。欧美国家新型轿车大量采用内高 压成形构件,年产达到5 000万件,但是对我国实行 技术封锁和设备垄断。

为了提升我国自主品牌轿车的核心竞争力,哈尔 滨工业大学从1999年开始,在国内率先开展了内高 压成形理论、工艺、模具和装备的系统研究,并在汽 车行业取得大批量应用,多种产品用于航空航天重要 型号研制和批量生产,成为世界三大研发基地之一, 于2010年获得国家科技进步二等奖。2011年,哈尔 滨工业大学与一汽轿车股份有限公司等单位合作,在 汽车轻量化技术创新战略联盟支持下,承担了国家科 技支撑计划项目,进一步开展了内高压成形全过程仿 真技术研究、多孔同步液压冲孔技术研究和典型产品 内高压成形模具和工艺规范研究工作。通过解决各项 产品的内高压成形全过程工艺仿真技术、数控弯曲-预成形-内高压成形全套工艺技术,以及模具结构优 化与变形分析、形状尺寸精度控制、多点液压冲孔等 技术,为一汽轿车、北汽集团、长城汽车等企业自主 品牌轿车开发了20余种零件的内高压成形工艺和批量 生产模具,包括底盘关键构件副车架和扭力梁、车身 前支梁和排气系统管件等。目前,制约我国内高压成 形技术发展的重要因素是我国车企的内高压成形件设 计能力薄弱和内高压成形专用管材供应体系不完善, 哈尔滨工业大学开展了内高压成形零件设计规范研 究,开发了管材内高压成形性能直接测试设备,从汽 车内高压成形构件设计源头出发,到内高压成形件批 量生产,为国内汽车企业提供完整的解决方案。AT&M记者:请您谈谈汽车结构件中实心零件空 心化的发展趋势。

刘钢:石油紧缺、环境污染和气候变暖是人类 生存与发展面临的三大难题,大量石油被汽车等运输 工具消耗,所排放的废气更是空气污染和气候变暖的 主要因素。结构轻量化是运输工具节约燃料、减少废 气排放和提高安全可靠性的主要手段之一。轿车减重 10%,油耗降低6%8%;载货车减重会提高载货

AT & M A T & M I N T E 量；质量轻，惯性力小，利于提高汽车碰撞安全性。结构轻量化有两个主要途径：一是材料减重，也 就是采用低密度轻质材料；二是结构减重，主要是采 用空心变截面结构，进一步减重可在空心基础上采用 变厚度壳体和整体结构。因轻质材料成本往往较高，而力学性能往往较低，就金属材料来说，结构减重的 代价更小，范围更广，因此也更为重要。对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面 构件，既可减轻质量又可充分利用材料强度。例如，采用内外径之比为0.85的空心轴代替实心轴，在抗扭 能力不变的前提下，质量可以减轻近50％。所以，国 内外汽车制造业均大量采用空心构件取代实心构件，不但实现结构的轻量化，而且节省材料、降低成本。AT&M记者：您认为怎样评价汽车车身轻量化水平最合适？ 王登峰：首先，介绍车身轻量化系数和轻量化评 价方法。汽车轻量化是汽车节能、减排、降耗的有效途径 之一，符合国家汽车产业中长期发展规划。汽车车身分为内外饰车身和白车身。带有内外饰 的全装备车身质量约为整车质量的2/3左右，而白车 身质量接近整车质量的1/3，该比例会随着不同类型 和级别的乘用车而有所不同，但差异不大。因此，车 身的轻量化对汽车轻量化意义重大。按照国家标准GB/T 4780—2000《汽车车身术 语》中的定义，白车身是由车身本体、开启件及其他 可拆卸结构件组成的总成，不含门窗和风挡玻璃，其 中车身本体定义为结构件和覆盖件焊接或铆接后不可 拆卸的总成。欧洲关于白车身的定义通常不包括四门 两盖等开启件和其他可拆卸结构件，相当于国标中车 身本体的定义。不论白车身的定义如何，其轻量化水平均可用白车身轻量化系数进行评价。该评价指标表 明，白车身的轻量化系数越小，其轻量化水平越高。但在对不同车型白车身轻量化水平进行对比评价时，必须明确白车身是如何进行定义的。按不同定义方法 计算出的白车身轻量化系数差异较大，只有按同一白 访 R 谈 V I E W 车身定义方法计算出的白车身轻量化系数才具有可比 性。目前，国内许多文献上关于白车身轻量化系数的 计算方法比较模糊和混乱。有些文献在计算白车身轻 量化系数时，参考欧洲的定义方法计算白车身的结 构质量，其中不包含四门两盖等开启件和其他可拆卸 结构件以及风挡玻璃，有的包括风挡玻璃。也有按国 标GB/T 4780—2000定义的白车身计算其结构质量，从而导致计算出来的不同车型白车身轻量化系数不具 有可比性。因此，用轻量化系数对

篇6：先进高强钢和汽车轻量化

AHSS 钢主要包括双相钢(D P)、相变诱发塑性钢(TRI P)复相钢(CP)和马氏体钢(M)等 ,这类钢是通过相变组织强化来达到高强度的 , 强度范围 500 ～1500 MPa。具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能、高的疲劳强度、高的成型性和低的平面各向异性等优点 D P钢

DP 钢板的商业化开发已近30，年包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品。主要组织是铁素体和马氏体 , 其中马氏体的含量在 5 %～ 20 %, 随着马氏体含量的增加 , 强度线性增加 , 强度范围为 500～ 1 200 MPa。除了AHSS 钢的共性特点外 , 双相钢还具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点。DP 钢一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求 也较严格的汽车零件 , 如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等.热轧 D P 钢的生产是通过控制冷却来得到铁素体和马氏体的组织的 , 冷轧和热镀锌 DP 钢是通过铁素体和奥氏体两相区退火和随后的快速冷却来得到铁素体和马氏体组织的。D P 钢的主要成分是 C和Mn , 根据生产工艺的不同可适当添加Cr、Mo 等元素使C曲线右移 , 避免冷却时析出珠光体和贝氏体等组织。

复相钢

复相（Complex Phase: CP）钢是指两相在数量和尺寸上有相同的数量级，其组织特点是

细小的铁素体和高比例的硬质相如贝氏体、马氏体，含有铌、钛等元素。复相钢基本上是在Mn-Cr-Si合金成分体系的基础上，通过马氏体、贝氏体以及Ti、Nb和V等微合金元素的晶粒细化效应和析出强化的复合作用，结合适当的卷取工艺而生产的，抗拉强度能够达到800~1000MPa。具有很高的能量吸收能力和扩孔性能，广泛应用于汽车车身中车门的防撞杆、保险杠与B立柱等提高汽车安全性能的部件。贝氏体钢

贝氏体（Bainite: B）钢的微观组织为贝氏体，通过控制冷却速度或者空冷可以得到贝氏体组织。贝氏体钢的化学成分主要由碳和微量铬、硼、钼、镍等合金元素组成，含碳量低于 0.05%。贝氏体钢的韧性好、强度高（530~1500MPa），并且随着贝氏体转变温度的降低，贝氏体钢的强度增加，贝氏体钢的成形能力和焊接性均很好，在航空航天、船舶与石油化工。马氏体钢

马氏体钢的微观组织为少量的铁素体和/或贝氏体均匀的分布在板条状的马氏体基体上。通过在连续退火线或者出料辊道上的快速冷却作用，使奥氏体向马氏体完全转变从而得到马氏体钢。向马氏体中加入碳元素能提高马氏体的淬硬性，起到强化的作用；为提高马氏体钢的淬透性可以加入不同比例的 Mn、Mo、B、V、Ni、Si、Cr 等合金元素。马氏体钢是先进高强钢中抗拉强度最高的钢种，最高能达到 1700MPa。

相变诱发塑性钢

相变诱发塑性（TRIP）钢是为了满足汽车工业对高强度、高塑性钢板的要求而开发研制的，微观组织主要为铁素体、贝氏体和残余奥氏体（体积分数一般为 10%~20%）。在冷成形过程中，残余奥氏体向硬的马氏体发生转变（形变诱导相变）的同时发生塑性变形。这种硬化使得组织变形难以在局部集中并使应变分散，导致了整个组织中的塑性变形分布比较均匀，这种现象称为相变诱发塑性。TRIP 钢具有强度高、延展性好、易冲压成形和能量吸收率高等特点，可以大幅度地减轻车身自重，降低油耗，同时能够抵御发生碰撞时的塑性变形，显著提高汽车的安全性能，在汽车制造领域有着巨大的优势。

TRIP 钢分为热轧型 TRIP 钢和热处理型冷轧 TRIP 钢。热轧型 TRIP 钢是通过控轧控冷获得大量的残余奥氏体组织。热处理型冷轧 TRIP 钢是在冷轧后采用临界加热，然后在下贝氏体转变温度范围内等温淬火。快速加热至临界温度，形成铁素体-奥氏体混合组织。与双相钢的热处理工艺最大的区别在于，为了在最终的组织中保留奥氏体，需要引入贝氏体等温淬火保持阶段（或缓冷）。通过碳在未转变的奥氏体中的富集使马氏体转变温度降至低于零度，但仅通过铁素体形成时产生的碳富集是不够的，因此，贝氏体形成时会造成更多的

碳富集。通过添加硅或铝，不仅能起到固溶强化作用，而且还能阻止在贝氏体形成过程中碳化物析出。孪生诱导塑性钢

孪生诱导塑性(TWIP)钢是第二代先进高强钢的典型钢种，又称FeMn钢、高锰钢或现代轻质钢，成分特点是锰和铝含量较高，具有高强度、高加工硬化速率和优异的延展性（总延伸率可高达70%）。主要有Fe-Mn-C钢、Fe-Mn-C-Al钢及Fe-Mn-C-Al-Si钢。研究结果表明FeMn-TWIP钢加工硬化速率n值高且均匀，可承受局部应变峰值并具有良好的应变分布（抗颈缩），同时成形性能好，具有较好的能量吸收性能。由于这类钢的处理工艺复杂、合金元素含量较高，虽然具有高强度和高韧性等良好的综合性能，但目前为止还没有商业化，在汽车工业上的应用还很有限。

相同成分DP钢和TRIP钢部分力学性能的比较

对同一种钢板进行不同热处理分别制成具有相同铁素体含量的双相钢(DP钢)和相变诱发塑性变形钢(TRIP钢)，并对其部分力学性能进行对比。比较发现，铁素体基体上不同的第二相使得材料力学性能产生巨大差异：马氏体使DP钢具有很高的抗拉强度，残余奥氏体则赋予TRIP钢优良的伸长率；DP钢拥有更加优良的加工硬化能力，TRIP钢则具有较为理想的烘烤硬化能力。试验表明，考察DP钢和TRIP钢的烘烤硬化能力时，除柯氏气团外，内应力的消除也应该考虑其中。两种材料的组织有相似之处：F为基体，其上分布着较硬的第二相，不同之处在于第二相的种类和数量。

单轴拉伸试验，得到的负荷-应变曲线如图。TRIP钢具有明显的屈服平台，而DP钢则呈现连续屈服的特点。对两种材料的主要性能参数进行比较，结果见表

DP钢淬火过程中，临界区保温形成的奥氏体转变成比容较大M，使周围的F受到压迫，在其内部生成大量位错，成为低应力下可激活的位错源因此其屈服强度(σ0.2)低于TRIP钢。但是由于组织中存在40%M，其抗拉强度(σb)明显高于以B为主要第二相的TRIP钢。虽然σb 不及DP钢，但TRIP钢的δ是DP钢的2.3倍，达到37%，TRIP钢优良的伸长率与形变过程中Ar转变为M有关，可从以下几点解释(1)拉伸变形时在最大变形部位首先诱发马氏体相变, 使局部强度提高, 难以继续变形, 变形向未发生马氏体相变的其他部位转移, 推迟了颈缩的形成。(2)拉伸变形时局部应力集中因马氏体相变而松驰, 推迟了裂纹的产生。(3)Ar与α呈共格关系, 高能界面不利于裂纹的扩展。

可看出，在相同应变下DP钢的WH值远远高于TRIP钢的，这与两种材料的组织密切相关，可从以下几点解释：

(1)作为基体上的第二相,DP钢中的M和TRIP钢中的B起阻碍位错运动的作用。M硬度远远高于B硬度, 因此其对位错具有更强的阻碍作用, 导致加工硬化很高。由于M和B含量很高, 因此这是导致两种材料加工硬化值性能差异的最主要原因。

(2)变形过程中，TRIP钢中的Ar逐渐转变为M 释放了集中的内应力，降低了对位错阻碍作用，导致WH值下降。

(3)虽然TRIP钢中由A相转变得来的M会在继续变形时对位错起到较为强烈的阻碍作用，但是由于其含量很低 因此对WH的贡献也较低。

在较低应变范围内(0%～2%)，DP钢的加工硬化值很高(410MPa)，而在较高应变范围内(>2%)给予相同应变，WH值增量显著降低。

原因：塑性变形之初，运动位错滑移到晶界处, 受到马氏体的阻碍停止运动, 强烈的阻碍作用使得必须产生新的位错或开动相邻晶粒中的滑移系才能保证塑变继续进行, 因此加工硬化值很高。随着变形的进行, 大量位错在马氏体颗粒前塞积, 塞积的位错会对新产生的位错形成一定阻碍作用,而这一作用显著低于M的阻碍作用, 因此由其导致的WH增量明显降低。

高强钢的烘烤硬化能力

成型后的汽车覆盖件在喷漆以后通常会置于170℃保温一段时间，称为烘漆。烘漆后钢板屈服强度提高的现象称之为烘烤硬化(BakeHardening)。烘烤硬化的机理是在烘烤过程中, 位错应力场中的碳(氮)原子受到热激活向位错偏聚, 形成柯氏气团,从而对位错起到钉扎作

用,使其再次受载时需要更大的力才能摆脱气团或拖曳气团一起运动，宏观上表现为屈服强度的提高。与固溶碳(氮)原子数目和位错密度密切相关。

Trip随着预变形量的增加,BH值先上升后下降。因为塑变初期, 随着变形增加, 材料中位错密度增加，烘烤后被钉扎的位错数目增加, 因此BH值上升；但是由于材料中固溶碳原子有限, 当变形超过一定值后,形成的柯氏气团的饱和度下降，导致BH值降低。对于DP钢的BH随预变形量增加而下降(10%预应变试样的BH值为-380MPa)。DP钢的烘烤硬化能力差与其组织中存在一定含量M有关: 变形过程中,M强烈阻碍位错的同时产生很大的内应力，内应力对阻碍位错运动也起到很大作用, 而烘烤会使内应力部分释放，因此导致流变应力下降。

钢在奥氏体状态下加工变形以后再进行淬火,但为使钢在奥氏体状态 下变形而不发生相变或析出第二相,钢中奥氏体应具有良好的热稳定性及机械稳定性这就需要在钢中加入较多的合金元素如C r、N i 等实际也就提高了钢的价格。较高的锰含量有利于保持奥氏体的稳定性,而奥氏体的稳定性正是保持相变塑性的最重要因素。很高的硅量可有效提高碳在渗碳体中的活度,抑制冷却过程及过时效中贝氏体转变期间渗碳体的析出使得奥氏体中碳含量 的降低和随之而引起的稳定性降低。钢中大量的硅易与退火炉气氛中的氧反应,生成二氧化硅附着于钢板表面而使热镀锌难以进行。固溶的磷本身具有提高奥氏体稳定性的作用磷还可提高碳在渗碳体中的活度系数，抑制渗碳体的析出和奥氏体中碳含量的降低，结构钢中磷的晶界偏聚可引发钢的冷脆倾向。

Trip钢的屈服强度和抗拉强度均随应变率提高而呈指数形式增大。均匀延伸率随应变率的提高总的趋势是逐渐减小。因为残余奥氏体在 拉伸过程中会应变诱发向马氏体转变，一方面有利于材料强度的提 高，另一方面松弛了塑性变形引起的应力集中，延缓了微裂纹的形成，从而提高塑性。高应变率变形的绝热温升提高了残余奥氏体的稳定性。

铁素体基体析出强化型高强热轧双相钢（14年参考文献）

传统双相钢以组织强化为主要强化方式，通过组织强化虽然可提高强度降低屈强比，但由于软相铁素体与硬相马氏体的强度差较大，两相塑性应变不相容性加大，导致均匀变形能力降低不利于汽车零部件的成形，一定程度上限制了双相钢的应用。因此，提高铁素体相的强度，可减小铁素体和马氏体的塑性应变不相容性，抑制在两相界面萌生的微裂纹和空洞聚集，即推迟颈缩发生，提高均匀真应变。

高强钢主要通过添加微合金元素Nb、V、Ti，在铁素体中析出细小的微合金碳氮化物，即析出强化的方式提高强度。相对Nb、V而言，Ti具有资源丰富、成本低廉等优点，是一种极具发展潜力的微合金元素。不少研究者已对Ti的析出强化机理进行了研究，并开发出780 MPa级别的高强钢。

铁素体基体析出强化型热轧双相钢的工艺过程原理：在析出强化型热轧双相钢成分设计时，主要是在传统热轧双相钢的成分基础上添加一定量的Ti，同时还应调整Mn、Si、Cr等元素的含量，使得铁素体相变的鼻尖温度与TiC析出的鼻尖温度相匹配。

由图可知，钢板热轧后快速冷却至铁素体相变鼻尖温度附近，然后在缓冷或保温阶段，奥氏体相变为铁素体，同时TiC在铁素体相变过程中相间析出或过饱和析出，最后再快冷至Ms以下温度，未转变奥氏体转变为马氏体，最终获得存在纳米级TiC析出相的铁索体基体+弥散分布的马氏体的热轧双相钢。

通过向双相钢添加铌元素能起到弥散强化的作用，一方面铌元素能够促进马氏体的均匀分布和铁素体的细化，另一方面利用析出强化使马氏体的体积分数降低，从而使马氏体和铁素体之间由于强度差异而导致的应力集中程度降低，提高了双相钢的综合力学性能。

现代冷轧双相钢的生产采用连续退火工艺。先将冷轧钢板加热到铁素体奥氏体两相区所在的某个温度，在加热过程中发生冷塑性变形的组织会经历回复与再结晶过程。在保温过程中，钢板中的铁素体产生不完全奥氏体化。在初始的缓冷过程中，少量的奥氏体重新转化为铁素体，同时合金元素大量的向残余奥氏体中扩散，提高了奥氏体的稳定性。然后在急冷过程中使残余奥氏体转化为马氏体组织，从而产生铁素体与马氏体的双相组织。