轻量化所需材料有哪些？

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使用新型材料据统计,汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆 轿车总重量的 65%以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白 车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此,首先应 该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案:(1)使用密度小、 强度高的轻质材料,像铝镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等;(2)使用同密度、 同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢;(3)使用基于新材料加工 的轻量化结构用材,如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材 等。

有色合金材料铝具有良好的机械性能,其密度只有钢铁的 1/3,机械加工性能 比铁高 4.5 倍,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等 特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。运用形变铝材制造车身 面板的技术已经比较成熟,包括发动机罩、行李箱罩、车门、翼子板等。保险杠、轮毂和汽车结构零件也广泛使用铝合金材料。运用铝合金也面临不少问题,比如, 铝合金加工难度比钢材高,成型性还需继续改善;由于铝导热性好,导致铝合金的 焊接性能差;不能像钢板那样采用磁力搬运等。其中,关键是成本问题,目前铝价还 比较高,成本控制对铝合金的运用非常重要。镁合金具有与铝合金相似的性能,但 是镁的密度更低,它们的密度之比为 1.8∶3,是当前最理想、重量最轻的金属结构 材料,因而成为汽车减轻自重、以提高其节能性和环保性的首选材料。但其铸造性 差,后处理工艺复杂,成本高。我国的镁资源非常丰富,储量占世界首位。但是国内 用量很少,尤其汽车行业用量极少,因此前景非常广阔。而西方工业发达国家对铝 基、镁基的金属基复合材料的开发与应用,已达到了产业化阶段。用高强度钢替代 原使用材料,能适当减小零件尺寸。世界上广泛通过进一步提高合金钢、弹簧钢、 不锈钢等钢种的比强度和比刚度,以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、 成本低等特点,来作为汽车轻量化的措施。采用高强度钢板在等强度设计条件下 可以减少板厚,但是车身零件选定钢板厚度大都以元件刚度为基准,因此实际板厚 减少率不一定能达到钢板强度的增加率,不可能大幅度地减轻车重。高强度钢板 在汽车上应用的目的主要有 3 点:增加构件的变形抗力,提高能量吸收能力和扩大 弹性应变区。由于运用高强度钢板的经济性和相对容易性,因此应大力提倡在汽 车上运用高强度钢板。现在各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底 盘、悬架、转向等零部件上的运用。

塑料和复合材料与相同结构性能的钢材相比,塑料和复合材料一般可减轻部 件的重量在 35%左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多 的潜力,在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材,整体成本通常更低。塑料是 由非金属为主的有机物组成的,具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热 等性能,同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前,塑料大都使用在汽 车的内外饰件上,如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类 护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐 渐向结构件和功能件扩展。例如发电机及其相关系统、冷却系统。

其他轻量化材料精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第 3 大类材料。其 发展史只有 20 年左右,但具有优良的力学性能(高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损 等)和化学性能(耐热冲击、耐氧化、蠕变等)。作为轻量化材料用于汽车零件,不仅 直接起到轻量化的作用,更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性,用于汽车发动 机燃烧室及热交换器等零件,使功率提高,油耗大大下降,从节能角度看则间接地 起到轻量化效果。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料,其最大特点是刚性 高、比强度高、密度低。目前应用在汽车上的实例还不多,但应用研究在不断前进, 将来会较多地得到运用。随着轻量化材料技术,包括生产工艺、装配、连接、材料性能等的不断发展和成熟,针对不同轻质材料的不同性能,进行多材料混合结构设 计,即同一部件的组成零件可由不同材料制造,以实现所用的材料与零件功能达成 最佳组合,已经成为未来汽车设计发展的方向。

镁合金是目前使用的最轻的金属结构材料。采用镁合金可在使用铝合金的基 础上再减轻 15%-20%。目前镁合金制品的 62%应用在汽车产业上，汽车产业中 镁合金用量较多的国家和地区主要是北美、欧洲、日本。现阶段镁合金在汽车上 的应用主要集中于车身、发动机和内饰三大部分。