新材料在汽車輕量化技術中的應用

董鳴

關鍵詞：新材料 汽車 輕量化 應用

20 世紀70 年代的發生的石油危機，推動了國外汽車輕量化材料技術的發展。發達國家在研究如何解決能源短缺和環境惡化的過程中，制定了一些非常嚴格的強制性法律和制度，目的是為了降低車輛的燃油消耗，減少汽車的尾氣排放[1]。因此，汽車廠商為了滿足政策法規的要求，投入了大量的人力及物力用于研發節能環保、輕量化、可回收的材料。此外，各國政府為企業、大學以及研究機構提供了大量的資金支持，用于研發汽車輕量化材料，從而進一步促進了汽車輕量化的發展。目前，我國汽車材料產業已經粗具規模，大量自主研發的新材料以及新技術已經成功實現商業化。

1 車用高強度鋼材料及其技術發展趨勢

為了在與其他種類競爭中保持優勢地位，擴大高強度鋼材料在汽車上的應用范圍，鞏固高強度鋼在汽車用材中的主導地位，未來高強度鋼的技術開發將緊密圍繞汽車工業降低成本、減輕車輛自重的要求來展開。研究重點內容包括：

1.1 新一代先進高強度鋼（板、管材）的開發

目前的高強度鋼（比如雙相鋼、低合金高強度鋼、TRP 鋼和復相鋼）的強度均在400～1200MPa 左右。而通過對化學成分的優化設計以及對冶煉技術的改進，可以減少或取消貴重合金元素的用量，開發出強度更高，且其他性能（塑性、韌性、成形性）優良的高強度鋼。比如，高成形性的品種、高彈性模量的品種和成形后強化非烘烤硬化新品種等[2-3]。

1.2 先進的成形技術研發

目前高強度鋼的成形工藝主要有深沖、延展、拉伸翻邊、彎曲等，由于這些工藝本身的局限性，先進成形技術的研發顯得十分迫切。未來成形技術研發方向主要有：管件液壓成形、板件液壓成形、輥壓成形、電磁成形與氣體熱成形等; 此外先進高強度鋼的焊接高強度鋼與其他合金連接的激光拼焊技術以及開發新的連接技術，也是未來研發的重點。

1.3 成形過程的CAE 分析

高強度鋼在汽車工業中的應用遇到的難題是“成形”。由于強度的升高，必然造成成形困難且成形后可能發生開裂和回彈，用計算機進行成形的CAE 分析，對成形過程的變形路徑進行優化，以保證成形而避免開裂;對回彈進行模擬分析，預測回彈，進而進行回彈補償，可大大提高和改善高強度鋼的成形性，從而大大節約模具調試時間和修模工作量。

1.4 進一步研發超細晶粒鋼

超細晶粒鋼是一種新的高強度鋼板材料。這樣的鋼材料的主要經濟指標得到了進一步提高，與現有的鋼材相比較而言，其強度和韌性均超過了現有鋼材的一倍以上。新型超細晶粒鋼主要類型分為400MPa 級和800MPa級，具備了高均勻度、超細晶粒以及高潔凈度等三大主要特征。

2 鋁合金材料的應用進展

最近幾年來，全球性的能源和環境問題愈發嚴峻，面對這樣的形勢，很多汽車制造商就要在降低車輛自重和降低燃油消耗方面加大投入和研發力度，降低因為汽車生產過程多帶來的環境損害后果。

在材料屬性方面，鋁硅合金多具有共晶和亞共晶結構，也有一部分的汽車零件仍然會使用傳統的過共晶鋁硅合金，但是這種材料的鑄造性能和機加工性能不夠優越，近些年來多采用的是低硅或中硅亞共晶鋁硅合金材料。再者不同用途的汽車零部件，所采用的鋁合金材料特點也存在差異（圖1）。鋁鑄造產品多應用于轉向機構和制動器零部件中，鋁鑄造零部件可以承受大于10MPa 以上的壓力，其耐腐蝕性和強度也較高，要不斷研究開發出力學性能高、耐腐蝕強度高的鋁合金材料。研發具有良好鑄造性能的Al-Cu 系耐熱鋁合金以滿足制動器耐熱要求;研發具有良好耐磨性的Al-Si-Fe-Mn-Cr 合金以滿足自動變速箱離合器零件、冷氣壓縮機汽缸、換擋撥叉件的要求。此外，應用于車體與懸掛系統的部件，除了具備高強度外，還要求開發具備能量吸收與良好的變形特性，Al-Si-Mg 系非熱處理型高強高韌性鋁合金是未來研發方向之一[3]。

3 鎂合金材料的應用進展

鎂及鎂合金材料是一種較為理想的汽車輕量化材料，但存在一些必須解決的問題，如材料性能隨著溫度升高而降低問題和腐蝕問題等。因此需要進一步研究開發新的鎂合金材料及其成形制造技術。

鎂合金材料的成形方法分為鑄造加工成形和塑性成形，當前主要運用的是鑄造成形方法，且壓鑄方法是鎂合金鑄造成形方法中應用最廣泛的。最近發展起來的鎂合金壓鑄新技術包括充氧壓鑄和真空壓鑄，充氧壓鑄在生產汽車鎂合金零部件上的應用較廣泛，真空壓鑄可生產出AM60B 鎂合金汽車方向盤和輪轂4。

鎂合金成形以鑄造工藝為主，但鑄件的缺陷限制了鎂合金性能的提高，局限了鎂合金的廣泛應用。鎂合金使用塑性成形方法，可有效地消減鑄件缺陷的影響，通常采用熱處理強化和形變強化可明顯地提高合金的性能，但由于鎂的密排六方結構，變形難度比鋼、鋁和銅等要大。如果直接運用鋁合金已有的塑性成形方法，往往會使得鎂合金材料的成品率很低，使塑性加工成形成本過高，影響了鎂合金在各領域的應用。因此，加快發展鎂合金塑性成形方法也是研究的熱點和發展的趨勢[4]。

4 碳纖維增強樹脂基復合材料應用

碳纖維增強聚合物基復合材料（ CarbonFiber Reinforced Polymers，CFRP） 具有獨特的性能優勢，是汽車新材料領域備受關注。相較于其他汽車材料而言其優勢有以下幾個方面：

4.1 力學性能優異

汽車上使用的碳纖維增強樹脂基復合材料密度僅為1.5～2.0g/cm3，只達到普通碳鋼密度的20～25%，質量是同體積鋁合金的約2/3，但是碳纖維復合材料的綜合力學性能要高于傳統的金屬材料，抗拉強度達到了鋼材的3～4 倍。CFRP 的疲勞強度是抗拉強度占比達到70%～80%。另外，CFRP 的振動阻尼特性也要優于輕金屬，例如通常輕合金發生震動后需要9s 震動才能停止，而CFRP 振動2s便可以停止。

4.2 一體化制造

汽車結構發展的另外一種趨勢就是模塊化與整體化。采用復合材料能夠在其成型過程中制成形狀各異的曲面，能夠完成汽車零部件的一體化制造。采用一體化成型制造一方面可以大幅度減少汽車零部件數量和零部件之間的連接工序，另一方面也使得零件的生產周期大幅縮短。

4.3 吸能抗沖擊性強

CFRP 具有的粘彈性也相當出色，同時碳纖維和基體之間會因為局部的微小摩擦而產生界面應力。在粘彈性與界面摩擦力共同作用下，CFRP 汽車制件能夠表現出優越的吸能抗沖擊能力。再者，經過特殊制作的碳纖維復合材料，其具有的碰撞吸能結構可以在劇烈碰撞狀態下碎裂成很小的碎片，使得撞擊能量得以最大化的分散，這種材料的能量吸收能高出普通金屬材料的5 倍左右，極大提升了汽車的安全性，保障乘車人員的生命安全[5]。

4.4 耐腐蝕性好

碳纖維絲束和樹脂材料共同組成了碳纖維增強聚合物基復合材料，其耐酸堿性能也較為優異，用其制造的汽車零部件無需進行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命是普通鋼材的約2 ～ 3 倍。

5 結語

汽車輕量化是實現節能、減排的重要技術措施之一。世界鋁業協會的報告指出，汽車自重每減輕10%，燃油消耗可降低6%～8%。因此，汽車輕量化對于節約能源、減少排放、實現可持續發展戰略具有十分積極的意義。高強鋼、鋁合金、鎂合金和天然纖維增強聚合物生態復合材料是當前輕量化、節能環保、可回收汽車新材料的重要組成。輕量、節能、環保和可回收將成為國內外汽車工業發展的重要方向。