淺談汽車車身材料的發(fā)展趨勢

文/江蘇 張啟森

近年來，人們對汽車車身要求開始提高，車身的輕量化、車主需求的多樣化、材料工藝的復(fù)雜化、配件性能的高標(biāo)準(zhǔn)化、低碳減排節(jié)能化以及材料的供求問題，都致使汽車車身材料發(fā)展的形勢變得越來越復(fù)雜。本文就車身材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，著重闡述了現(xiàn)代車身材料的發(fā)展趨勢。

一、汽車車身材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于人們對汽車車身外形、安全性能的要求不同，在燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱性等方面也各有考慮，所以，汽車車身材料一直在不斷的變化。在當(dāng)今的汽車制造中，車身材料的使用廣泛采用金屬材料，這類材料具有較好的實(shí)用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性。汽車車身常用的金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類。

1.黑色金屬

在大多數(shù)汽車中，黑色金屬約占汽車車身材料的90%以上，而其他材料不足10%。黑色金屬即鐵碳合金，根據(jù)常見金屬材料在車身上的應(yīng)用場合不同，鐵碳合金可分為普通低碳鋼板和特殊鋼板。

(1)普通低碳鋼板

目前，汽車車身生產(chǎn)中，特別是采用沖壓生產(chǎn)的車身，其使用最多的是普通低碳鋼板。它具有很好的塑性加工性能，其強(qiáng)度和剛度在完全滿足汽車車身的性能要求的同時(shí)，還能滿足車身的焊接要求。

(2)特殊鋼板

特殊鋼板是隨著汽車車身輕量化的要求而逐步研制、應(yīng)用的。目前，汽車車身已開始使用的有高強(qiáng)度鋼板、涂層鋼板及焊接鋼板等。高強(qiáng)鋼板是在低碳鋼板的基礎(chǔ)上采用強(qiáng)化方法得到的鋼板，這種高強(qiáng)度鋼板可以在厚度減薄的情況下，仍保持汽車車身的機(jī)械性能要求。

2.有色金屬

有色金屬主要包括銅及其合金、鋁及其合金、鎂及其合金等，這也是汽車車身材料的發(fā)展所勢。

(1) 銅、鋁、鎂合金在汽車車身中的應(yīng)用逐年增加，在不久的將來，批量生產(chǎn)的全鋁汽車車身將出現(xiàn)，特別是在歐美地區(qū)，鋁、鎂合金在車身材料的構(gòu)成中將占主導(dǎo)地位。

(2) 新型車身材料如塑料、復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用，將隨著這些材料成形問題的解決而逐步增大比例。車身材料呈現(xiàn)向更輕質(zhì)、易成型、低成本、高穩(wěn)定性發(fā)展的趨勢。

二、汽車車身材料的發(fā)展變化

隨著車身材料的發(fā)展，車身的材料雖然仍以鋼材為主，但材料的性能和比例都發(fā)生了改變，安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性得到了提高。汽車鋼質(zhì)車身材料比例發(fā)展趨勢見表1。

表1 鋼質(zhì)車身材料比例發(fā)展趨勢圖

汽車車身材料主要在性能、材料選擇、質(zhì)量上發(fā)生了巨大的變化。

1.性能的變化

(1)剛度、強(qiáng)度的提高

現(xiàn)代車身高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、薄鋼板廣泛應(yīng)用于轎車外板、車門、頂蓋和行李廂蓋等部位，車身的強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性和點(diǎn)焊等性能得到很大提高。

(2)塑性、韌性的增加

車身材料的塑性和韌性非常重要，現(xiàn)代車身材料通常使用增塑劑、回火處理等方式來提高塑性和韌性。同時(shí)也會增加Si、Mn、S、Sn等微合金元素在金屬材料中的應(yīng)用，來改善金屬的性能。

(3)防腐蝕

鋼鐵材料具有優(yōu)秀的強(qiáng)度、剛度、硬度以及加工性，但是鋼材的最大的問題就是耐腐蝕性差。鐵的氧化和其中碳的含量關(guān)系很大，碳會使鐵合金內(nèi)部形成原電池反應(yīng)，使鐵失去電子而氧化。對于鋼制車身來說，材料生銹會吸附更多水氣而加快其腐蝕，影響到車身整體強(qiáng)度，因此，防腐蝕尤為重要。

2.材料的變化

(1)碳纖維材料

碳纖維在汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用在賽車上，目前跑車級別的車輛也有應(yīng)用。碳纖維是一種纖維絲狀的材料，在制作成型時(shí)需要像織布一樣紡織成片狀，用有機(jī)膠浸潤成形并固化，制作過程類似于玻璃鋼，具有較好的韌性和抗拉強(qiáng)度，且重量只有鋼的1/4。不過碳纖維缺乏延展性，在受到超出極限的沖擊時(shí)，碳纖維結(jié)構(gòu)會如同玻璃一樣破碎。而且碳纖維與其它材料的連接也是個問題，使用傳統(tǒng)的栓接，連接孔周圍很容易產(chǎn)生裂紋，難以維修。

(2)塑料件材料

塑料是以合成樹脂為基體，并加入某些添加劑制成的高分子材料。它在一定溫度、一定壓力下可以塑造成各種形狀的部件。塑料件材料密度小，耐腐性能好，在車身上應(yīng)用較為廣泛，目前在內(nèi)飾件、外裝件、結(jié)構(gòu)件等部件中的用量明顯增加。

(3)高分子材料

除了以上的材料外，高分子汽車材料、塑料、復(fù)合材料、可降解材料也是未來車身材料的發(fā)展方向。高分子汽車材料有很多以往傳統(tǒng)材料沒有的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在重量輕、有良好的外觀裝飾效果、有多種實(shí)際應(yīng)用功能、有良好的理化性能、容易加工成型、節(jié)約能源，可持續(xù)利用等各方面。

3.質(zhì)量的變化

(1)鋁合金

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車輕量化和環(huán)保性的要求越來越高，鋁因?yàn)榫哂邪踩煽俊⒐?jié)能環(huán)保、質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、彈性好、比剛度和比強(qiáng)度高、抗沖擊性能優(yōu)、加工成型性好和再生性高等特點(diǎn)，成為輕型化汽車的首選材料。鋁合金車身汽車也因其節(jié)能低耗、安全舒適及相對載重能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。鋁的用途比較廣泛，在汽車上的使用比例呈逐年遞增的趨勢。目前，奧迪的幾款車型均有使用(圖1)。

(2)鎂合金

鎂合金密度更小，強(qiáng)度大，吸能性好，主要可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。鑄造鎂合金多用于壓鑄工藝生產(chǎn)。生產(chǎn)效率高、精度高、鑄件表面質(zhì)量好、鑄態(tài)組織優(yōu)良、可生產(chǎn)薄壁及形狀復(fù)雜的構(gòu)件。變形鎂合金可用擠壓、軋制、鍛造和沖壓等塑性成形方法加工。具有更高的強(qiáng)度、更好的塑性和更多的樣式規(guī)格。 其質(zhì)量較輕，是鋼的1/5，比強(qiáng)度是鋁合金的1.8倍 ，切削性好，易加工。

(3)復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料，采用人工方法制造組成，性能優(yōu)于各組分單獨(dú)存在時(shí)的性能，具有密度、強(qiáng)度高，吸能性更好等特點(diǎn)。復(fù)合材料的開發(fā)是以改善性能、改善加工性、降低成本為目的的，其在未來車身輕量化發(fā)展中的地位和作用會越來越明顯，目前也已被應(yīng)用到車身材料中(圖2)。

隨著車身輕金屬、復(fù)合材料等車身材料技術(shù)的發(fā)展，相信未來車身會日漸趨于輕量化、節(jié)能化、高標(biāo)準(zhǔn)化，汽車業(yè)將達(dá)到一個嶄新的高度。