隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成,發(fā)生了較大的變化,高密度材料的比例下降,低密度材料有較大幅度的增加,可以說,從90年代開始,汽車材料向輕量化、節(jié)省資源、高性能和高功能方向發(fā)展。
一、汽車制造的金屬材料
長期以來,鋼鐵一直是構(gòu)成汽車的主要材料,在汽車用鋼中,合金鋼比例較高。國外不少汽車采用含Cr、Ni、Mo等元素的結(jié)構(gòu)鋼和含Co量很高的永磁材料,而這些元素的資源都較稀缺,節(jié)約合金資源成為指導(dǎo)汽車材料開發(fā)和應(yīng)用的方針之一。
構(gòu)成汽車的零件約有兩萬多個(gè),在這些零件中,使用了各種各樣的材料(見圖)。其中約86%是金屬材料,而在金屬材料中,鋼鐵材料占了80%。在90年代日本的消費(fèi)量中冷軋薄板占37%,熱軋薄板33%,特殊鋼24%;另外鋁鑄材料的83%都是用于汽車制造上, 這對日本經(jīng)濟(jì)界的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。
鋼鐵材料的理論強(qiáng)度約為14000MPa,直徑為1~2μm的鐵單晶體試棒可接近這個(gè)理論強(qiáng)度,而實(shí)際使用材料的最大強(qiáng)度只有2000MPa。從宏觀上看是由于材料的缺陷,在微觀上看是由于結(jié)晶的缺陷,所以,為得到強(qiáng)度高而便宜的鋼鐵材料,應(yīng)盡量減小這些缺陷,并進(jìn)行各種各樣的研究。
汽車的車體鋼板,以前使用的是容易成型的軟質(zhì)鋼材。為適應(yīng)輕量化的需求,以后開發(fā)了高張力鋼板。這種鋼板具有成型性好、強(qiáng)度高,并可使板厚減薄的優(yōu)點(diǎn)。高張力鋼板是在原有鋼板基礎(chǔ)上添加固溶強(qiáng)化型元素(硅、錳等)和析出強(qiáng)化型元素(鈮、鈦等),并在鋼鐵廠退火爐內(nèi)連續(xù)退火而得到。它有著屈服點(diǎn)低的、復(fù)合成分多的特點(diǎn)。
車身外板用的鋼板使用最多的是加磷的抗拉強(qiáng)度為350~400MPa的鋼板,特別是轎車上使用的鋼板,20%~50%都是高張力鋼板。目前,正在進(jìn)行研究將以前鑄造的一體成型的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體改用鋼板沖壓成型,可大幅度減輕重量而制成輕量化(約33%)的鋼板制氣缸體。另外,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪由于高功率輸出、輕量化、降低噪聲等的需要,對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求:強(qiáng)度好,熱處理變形小。為達(dá)到這一要求,在鋼鐵材料的制造過程中,采用了連續(xù)鑄造法。這種方法跟以前的鑄錠法相比,具有冷卻速度快、成分偏析少的優(yōu)點(diǎn),它與制鋼時(shí)的真空脫氣技術(shù)組合,可以滿足齒輪所要求的強(qiáng)度。進(jìn)而,為縮小對熱處理變形影響大的鋼的淬透性的偏差,制造出高品質(zhì)的連續(xù)鑄造鋼,現(xiàn)在鑄造的鋼可將日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的淬透性規(guī)格限制在1/3上。連續(xù)鑄造法具有提高制鋼時(shí)的材料利用率和降低制造所耗能源的優(yōu)點(diǎn),且由于制造工藝合理化也使成本有了降低。
降低成本是和提高質(zhì)量同等重要的課題,降低成本主要有兩個(gè)手段:一是減少合金元素的添加量和降低替代材料的成本??蓪r(jià)高而且價(jià)格不穩(wěn)定的含Mo的Cr~Mo鋼改用鉬添加量只有其一半的半Mo鋼和硼鋼。二是降低零件制造成本。在這里為降低零件制造所消耗的能源而采用非調(diào)質(zhì)鋼,為提高加工能力,也有采用易切削鋼。因非調(diào)質(zhì)鋼添加了釩,控制了熱鍛后的冷卻速度,省去了淬火、回火的熱處理,故確保了強(qiáng)度。它可在汽車的曲軸、連接件、FF車的車輪等部分使用,其用途可望得到進(jìn)一步擴(kuò)大。另外,對于易切削且強(qiáng)度降低少而用于齒輪的低鉛、易切削鋼是一種新的易切削鋼材。它可用于小型車的變速器,并具有降低制造成本的效果。
新型彈簧鋼 新型彈簧鋼主要指汽車懸掛系統(tǒng)的彈簧用鋼,目前用的最廣的鋼板彈簧是Si鋼,其性能基本上能滿足使用要求,近年來,變截面少片彈簧在汽車上的應(yīng)用越來越多,使用這種彈簧可以節(jié)約l/3左右的材料,并使汽車的平順性等性能得到改善,同時(shí)有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,但其生產(chǎn)工藝發(fā)生了相應(yīng)的變化,含Si量較高的彈簧鋼具有較高的脫碳傾向,故應(yīng)發(fā)展低Si或無Si的彈簧鋼,以滿足生產(chǎn)的需要。
微合金非調(diào)質(zhì)鋼 在鋼中加入微量V、Ti、Nb等元索、經(jīng)鍛造或軋制冷卻后在鐵索體、珠光體中析出碳化物或碳氮化物而達(dá)到強(qiáng)化,不需要調(diào)質(zhì),可以減少熱處理工序和設(shè)備,避免熱處理變形和淬火裂紋造成的廢品,降低能耗和生產(chǎn)成本。
高強(qiáng)度鋼板 采用高強(qiáng)度鋼板,既可以減少汽車由身的質(zhì)量,又可以提高汽車的安全性和可靠性,含磷深沖壓高強(qiáng)度鋼板主要應(yīng)用在車身、駕駛室上的深沖壓件,使用得當(dāng),可降低材料消耗10﹪,雙相鋼板其有較低的屈服強(qiáng)度和高的加工硬化能力,比較適宜于制造變形程度大的沖壓或拉延深件,根據(jù)成形特點(diǎn),可使零件質(zhì)量減輕30﹪一60﹪。
鍍覆鋼板 鍍層鋼板和鋼管的研制與應(yīng)用,是為了改善耐腐蝕性等性能。國外在汽車上大量使用覆層鋼板。鍍鋁或滲鋁鋼管主要用來制造消聲器,排氣凈化裝置的接觸容器和反應(yīng)器部件。鍍鋅鋼板用來制造車身、車架、駕駛室、油箱等零件。含鋅、鉻的高分子化合物涂層鋼板,主要用于防腐蝕要求高和不便于涂裝的車身、駕駛室零件。
傳動(dòng)系材料 齒輪是汽車的重要基礎(chǔ)零件,應(yīng)按其模數(shù)和工況選用不同級別的齒輪鋼。在我國目前變速器和后橋齒輪大都使用2OCrMnTi,需仿制國外成熟的先進(jìn)鋼種,形成汽車齒輪用鋼系列化。
擴(kuò)大應(yīng)用有色輕金屬 有色輕金屬的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大,鋁的密度為鋼的l/3,用鋁代替鋼可以減少質(zhì)量50﹪左右,但鋁的強(qiáng)度低,體積較大。鎂合金的強(qiáng)度比鋁合金高、而與高強(qiáng)使合金結(jié)構(gòu)鋼相近,所以,沖壓鋁、鎂合金作汽車材料,是使汽車減輕質(zhì)量和節(jié)能的一條有效途徑。用鋁合金板可制造發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、保險(xiǎn)杠、車身內(nèi)外板件、散熱器,用鎂合金制造操縱桿托架、大粱、離合器殼和變速器殼等。
粉末冶金合金 燒結(jié)金屬,是以金屬粉末為原料,作金屬模具內(nèi)壓縮成形,后燒結(jié)而成的,無需加工,材料的成分配制能自由控制,它已應(yīng)用于軸承、排氣門座、凸輪、齒輪、支架上。這種材料也可以用來制造連桿、消聲器、離合器、轉(zhuǎn)向系及制動(dòng)系部件。
隨著粉末冶金工藝和技術(shù)新發(fā)展,高強(qiáng)度、高耐磨性、耐熱、形狀復(fù)雜的燒結(jié)結(jié)構(gòu)零件和高性能減摩材料將大量應(yīng)用于汽車制造中。所以,高強(qiáng)度燒結(jié)合金鋼、燒結(jié)不銹鋼等結(jié)構(gòu)材料、低噪聲軸承材料、高溫高真空減摩材料、半金屬減摩材料等將進(jìn)一步得到發(fā)展和應(yīng)用,這將對汽車制造產(chǎn)生巨大的影響。
鋁合金材料 鋁是輕量化首選材料。在高張力鋼板、鋁、塑料與一種稱為FRP的輕量化材料中,鋁起了特別重要的作用。由于鋁的比重只有鐵的1/3,由鐵向鋁轉(zhuǎn)換也比較容易,所以把活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。
在美國和歐洲,保險(xiǎn)杠、油箱也將鋼板改用為鋁合金。保險(xiǎn)杠用的新鋁合金也多次被開發(fā)。但在日本,主要使用的是鋼板和塑料,這是因?yàn)闅W美等國和日本的鋁價(jià)格差異較大。因此,未來汽車的材料構(gòu)成比例中,歐美地區(qū)的鋁將成為主要比率。如在德國的試驗(yàn)車中,鋁合金使用率已達(dá)到全體材料的30%。另外,由于不穩(wěn)定的鋁價(jià)格和強(qiáng)力塑料的推出,每輛汽車中鋁使用量的增加勢頭比以前有所減弱,從精煉鋁在價(jià)格來看,鋁仍將是輕量化首選材料。
鎂合金材料 鎂比鋁更輕,且資源豐富。對于易氧化的鎂,由于已開發(fā)出效率高的鍛造工藝,使鎂的制造成本下降,但其精煉能源為電力,所以其成本比鋁高。鎂能否在汽車零部件上大量使用,鎂和鋁的價(jià)格差成為關(guān)鍵。鎂的比重只有鋁的0.64;因此價(jià)格差如能控制在1.7倍以下,才有可能使用鎂。據(jù)此,從目前輕量化材料的現(xiàn)狀出發(fā),還不如把鋁改換成塑料。但也存在制造設(shè)備的供給能力和再循環(huán)問題。而在環(huán)境問題上,也將會(huì)帶來新的問題。
二、汽車金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展
汽車板料成形的發(fā)展趨勢 為滿足較高的安全標(biāo)準(zhǔn)及乘坐的舒適性,就必須增加轎車的質(zhì)量,但轎車的質(zhì)量又極大地影響著轎車的油耗及尾氣的排放量,因此,汽車工業(yè)正努力采用輕型結(jié)構(gòu)來減輕汽車質(zhì)量。這就涉及到對材料及生產(chǎn)工藝的戰(zhàn)略決定。而占整車質(zhì)量20﹪~25﹪的白車身無疑具有很大的減輕質(zhì)量潛力。
不同的車身結(jié)構(gòu)對減輕車身質(zhì)量的潛在能力起決定性的作用,這些方法一類為分開的生產(chǎn)方式(自支撐底盤及獨(dú)立車身和承載構(gòu)架及獨(dú)立車身),另一類為集成式的加工方法。(金屬板材整體式車身和無車架車身)。如今金屬板材整體式車身在大批量生產(chǎn)中已廣泛使用。
減輕車身質(zhì)量的方法 大最使用輕質(zhì)材料是車身減輕質(zhì)量的主要手段。如今,中型車質(zhì)量經(jīng)50﹪~60﹪由鋼組成,車身中鋁的結(jié)構(gòu)比僅限于3﹪~7﹪(質(zhì)量)、集中于發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤生產(chǎn)中。塑料約占10﹪~15﹪(質(zhì)量)。在當(dāng)今大批量生產(chǎn)中,白車身的主要材料是鋼,但其他材料如鋁合金及塑料正顯得愈加重要,過去白車身材料采用常規(guī)低碳鋼,然而為了減輕質(zhì)量及增加結(jié)構(gòu)性能,高強(qiáng)度鋼(HSS)已變得愈加有前景了。
在可靠的生產(chǎn)工藝下,采用高強(qiáng)度鋼可減輕質(zhì)量。在大多數(shù)情況下,結(jié)構(gòu)板件要求更大的拉深深度以及更加復(fù)雜的負(fù)載。大批量生產(chǎn)中,屈服強(qiáng)使高達(dá)42OMPa的微合金鋼和含磷合金鋼,在結(jié)構(gòu)部件中(防撞擊部件),如車體內(nèi)側(cè)板、內(nèi)側(cè)柱等,已廣泛的應(yīng)用。
對大批量和小批量生產(chǎn)的影響 在金屬車身面板和結(jié)構(gòu)面板的生產(chǎn)成形中,深沖壓為主要的生產(chǎn)工藝。然而在材料成形方面仍然可以進(jìn)一步改進(jìn)。生產(chǎn)工藝必須根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模劃分。白車身內(nèi)面板和外面板的大規(guī)模生產(chǎn)通常由沖壓線和多工位壓機(jī)生產(chǎn),因?yàn)檫@些生產(chǎn)方式可以滿足批量的要求。而材料(尤其是超高強(qiáng)度鋼)對壓力機(jī)最大許可壓力和單位工件生產(chǎn)時(shí)間有很大影響。
泡沫金屬在未來汽車中的應(yīng)用 制造從泡沫塑料在建筑中廣泛使用中得到啟發(fā),科學(xué)家們考慮在汽車業(yè)中使用“泡沫金屬”。目前汽車工業(yè)是消耗金屬最多的工業(yè)之一,金屬制造業(yè)雖然能生產(chǎn)2500多種性能各異的鋼材和千百種有色金屬,但仍然滿足不了汽車制造業(yè)的特殊需要。如果“泡沫金屬”能研制出來,它將成為未來汽車的最佳材料,這種泡沫金屬零件的結(jié)構(gòu)是:外表用薄鋼制成,中心則用泡沫金屬填充。
報(bào)載歐洲目前已經(jīng)研制出--種新型鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,它比普通鋼質(zhì)材料輕10﹪。主要是靠粘結(jié)鋼質(zhì)零件和采用減震材料新結(jié)構(gòu)而制成。同時(shí)還研制出“精確鋼坯”組合新結(jié)構(gòu),能使所有部件相互巧妙配合。這樣,在汽車制造中,就可以機(jī)動(dòng)而廣泛地選用應(yīng)力強(qiáng)度恰好合適的組合部件,如在車門鉸鏈部位,其零件除外形合理、美觀外,還需具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
目前德國科學(xué)家已經(jīng)成功地研制出“泡沫鋁”--將鋁粉和鈦氧化合物粉末相混成,填放到鋼皮制成的模型中,然后再把這充滿混合物的模型加熱到鋁的熔點(diǎn),這時(shí),氫氣會(huì)從氫化合物中分解而逸出,從而使熔化的鋁產(chǎn)生泡沫,當(dāng)鋼皮模型完全冷卻后,便形成了固體“泡沫鋁”。這種“泡沫鋁”具有整體結(jié)構(gòu),其質(zhì)量輕而均勻,強(qiáng)度比鋁更高,其外覆的鋼皮模型更增強(qiáng)了部件的強(qiáng)度和剛度。
為了提高汽車的安全性和可靠性,需要從設(shè)計(jì)上、制造上,特別是材料方面考慮。例如,提高汽車結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和韌性,使之更堅(jiān)固可靠,一旦發(fā)生撞車、翻車等交通事故時(shí),能最大限度地減輕損傷程度,保證人員的乘車安全。與此同時(shí),大力發(fā)展各種汽車用的具有特殊功能的材料,以提高汽車的自控能力,進(jìn)一步改善汽車的性能。
汽車所用的材料,由于節(jié)省能源、節(jié)省資源、輕量化的需要而有所變化,新材料相繼被推出、應(yīng)用。在比較成熟的金屬材料中,鋼鐵材料和輕金屬材料也出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。
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