关于金属材料在汽车轻量化中的应用与发展研究论文

时间:2018-10-06 材料毕业论文 我要投稿

  在汽车保有量的不断增加的社会背景下, 如何减少污染、降低能耗, 为消费者提供低成本、低排放、高速、安全、舒适的驾车环境,是汽车制造业亟待研究的课题。汽车轻量化成为汽车产业发展的主要方向。铝合金材料以其具有的一系列优良特性,如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等, 在汽车工业中逐渐得到广泛运用, 成为实现汽车轻量化发展的主要途径。

  1 汽车轻量化的概念与意义

  汽车轻量化(Lightweight of Automobile)是指汽车在造价不被提高的前提下,即保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能,又有目标地减轻汽车自身的重量,降低汽车的整备质量,提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。汽车轻量化的主要指导思想就是在确保稳定提升性能的基础上,节能化设计各总成零部件,持续优化车型谱。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成,是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面密切结合的一个系统工程,对于推动汽车制造业进一步发展具有重要意义。

  汽车轻量化能够降低油耗、节约能源。20世纪70年代两次石油危机促使人们深刻认识到要维系汽车工业的长远发展, 必须降低油耗,节约能源。否则日益减少的能源将成为汽车工业发展的瓶颈。

  汽车轻量化能够减少排放, 降低对环境的污染。80年代中期以后,随着人类环境生存压力的增大, 作为污染源之一的汽车尾气排放问题也成为人们关注的焦点。如何减少排放,如何降低对环境的污染,确保人类拥有良好生存环境, 这是汽车工业发展过程中必须坚守的社会责任。

  2 金属材料在汽车轻量化中的应用

  汽车轻量化虽然是设计、材料、工艺等多方面因素的优势集成, 但主要是材料的轻量化。归纳起来,用于汽车轻量化的材料主要有两类:一是低密度的轻质材料,主要指铝、镁、钛合金材料, 以及塑料和复合材料;二是高强度材料,如高强度钢。从环保的角度看,在轻质材料中,聚合物类的塑料制品回收处理过程中存在环境污染问题,因此,在使用上受到一定的限制。而铝、镁、钛合金材料是目前所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料(铝合金约2.7 g/cm3,镁合金约1.74 g/cm3,钛合金约4.51 g/cm3,钢的密度约7.8 g/cm3),这些金属材料形成的多种合金材料, 可以提高汽车主动安全性和被动安全性,满足苛刻的安全法规要求,使汽车的安全设计得到进一步的完善。同时,选用轻金属材料也是减轻自重、节能环保, 提高汽车动力性、舒适性的重要保证。铝、镁、钛等轻金属代替钢材是汽车轻量化的首选材料, 也是未来汽车发展的重要方向。

  2 . 1 铝及铝合金

  铝是世界上使用较早且生产和处理工艺都比较成熟的轻量化材料。铝及铝合金材料具有的一系列优良特性,如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、易加工成型性、回收再生率高等特点,受到越来越多的汽车制造企业的青睐。目前,汽车上用铝量最大的是车轮、动力系和悬架系零部件。据此推测,未来汽车的铝化界限可达30%~50%。为了能增加铝及合金材料在汽车制造业中的使用数量,各国都在努力探索新的铝合金材料的同时, 也不断改进加工技术, 如“铝合金半固态成形技术”就是目前国际广泛关注和应用的领先的加工技术, 该技术生产出来的铝合金汽车零件组织致密、性能优良,且属于近终态成形。铝及铝合金材料也有不足之处,主要表现在铝的承载力、力学性能与钢相比仍有差距。再加上生产技术的局限,工艺流程的复杂性,导致生产成本较高。这些都是制约汽车材料铝化的重要障碍。

  汽车轻量化主要是通过提高铝化程度来实现。伴随着铝化程度的不断提高,使用铝的比例不断增加,所产生的最大问题就是生产成本的大幅度上升。因此,降低铝化成本, 提高生产效率是汽车制造业努力的方向, 未来汽车铝化程度的提升必须依靠对铝化的需求和生产成本的平衡来支配。我国的铝矿产资源丰富, 原铝产量位居世界第一, 并形成了完整的铝工业体系。目前,国内汽车工业用率呈现快速增长态势,生产技术基本上能满足汽车工业的需要。

  2 . 2 镁及镁合金

  镁及镁合金是21世纪最具开发前景的轻质结构材料。镁及镁合金的主要特点是:一是密度低、质量轻,使用镁合金能够比铝合金再减轻1 5 %~20%,是最轻的金属材料;二是比强度(强度与质量之比)高于铝合金和钢, 比刚度(刚度与质量之比)接近于铝合金和钢;三是消震性和阻尼系数好,承受冲击载荷能力比铝合金大, 用于壳体可以降低噪音,用于轮圈可以减少震动,提高汽车的安全性和舒适性;四是导电导热性能良好,相同温度条件,镁合金的散热时间是铝合金的一半。五是工艺性能良好,具有良好的铸造性能和尺寸稳定性, 容易加工, 废品率低, 从而降低生产成本。限制镁合金应用的主要原因是镁合金的高性能—抗蠕变能力和高温疲劳性能较差。今后新材料的研发主要解决这一问题, 一是现有镁合金的优化,特别是对AZ、ZK系合金进行改性,通过添加合金元素,改善合金的高温性能;二是新合金系的开发,主要是指新型Mg-RE 系的研发。

  镁及镁合金在汽车上的应用主要是以压铸件为主, 取代铸铁、铝合金、塑料和钢制冲压焊装组合件。镁合金在汽车上的应用零部件分为两类:一类是壳体类。如离合器壳体、阀盖、仪表板、变速箱体、曲轴箱、发动机前盖、气缸盖、空调机外壳等; 另一类是支架类。如方向盘、转向支架、刹车支架、座椅框架、车镜支架、分配支架等。我国汽车用镁及镁合金存在的主要问题是:自主研发产品少,主要的合金牌号基本上是仿制品;镁合金品种及牌号少,尤其是板材与型材缺乏;镁合金产品中的杂质和有害元素含量高,缺少统一的检测标准;镁合金基础研究还比较薄弱。

  为了把我国的镁资源优势转变为产业__优势,国家投入大量经费,研究镁及镁合金生产和处理技术, 取得了一定的阶段性成果,突破了一批新技术和产业化关键技术,形成了从镁合金生产、工艺与装备、零件开发生产到产业化环境与示范基地建设等一系列产业链。组建以汽车集团为首的镁及镁合金材料的应用实体, 推动产业的标准化发展。

  2 . 3 钛及钛合金

  钛及合金是21世纪最重要的、具有优异的综合性能的新型结构及功能材料。它密度小,钛的密度是4.51 g/cm3,介于铝(2.7 g/cm3)和铁(7.6 g/cm3)之间;比强度高于铝合金和钢, 韧性与钢铁相当; 抗蚀性能优于不锈钢, 在氯离子侵蚀的海洋大气环境和微氧化气氛中,也具有很好的抗蚀性;工作温度区间较宽,低温钛合金在-253℃依然能保持良好的塑性, 耐热钛合金的工作温度可550℃左右,耐热性高于铝合金和镁;具有良好的加工性和焊接性能。

  钛在汽车上的应用主要分为两大类:一大类是用来减少内燃机往复运动件的质量;另一大类是用来减少汽车总质量。在新一代汽车上主要应用在发动机元件和底盘部件上, 可制作发动机系统阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等,以及底盘部件中的弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。

  钛及钛合金在20世纪50年代就进入到汽车制造领域,但发展比较缓慢,主要原因是价格因素。钛金属熔点高,化学性质十分活泼, 与O,H,N 和C 等元素有极强的化学亲和力,使纯钛的提取非常困难;另一个原因是合金化元素价格较高, 钛合金多以高价的V作为合金元素以提高强度,又以Al-X作为中间合金添加。以廉价的Fe,Cr等合金元素取代V元素,是未来降低钛合金成本的有效方法。

  随着汽车材料向轻量化、高性能和高功能的方向发展, 钛及钛合金作为结构功能性材料将会越来越受到重视。尽管目前钛材料在汽车领域应用不大, 但随着钛工业的发展,钛加工成本的降低,钛材料必将在汽车领域占据重要地位, 具有无限广阔的发展前景。

  2 . 4 高强度钢

  高强度钢,英文缩写为AHSS(AdvancedHighStrengthSteel)是未来汽车钢铁材料的主要发展方向之一。高强度钢是指在强度和韧性方面结合很好的钢种。低合金结构钢经调质处理后,具有很好的综合力学性能,其抗拉强度σb>1200 MPa时,称作高强度钢;当抗拉强度σb>1500 MPa时,称为超高强度刚。高强度钢具有很好的吸能性、屈强比、应变分布能力和应变硬化特性。与铝、镁合金材料相比, 高强度钢原料和制造价格较低, 经济性较好。主要用于汽车结构件、安全件、加强件如A/B/C柱、车门槛、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、纵梁、座椅滑轨等零件;在实现汽车轻量化的同时,确保汽车的安全性。

  为了应对轻质材料的挑战, 钢铁企业将研发的重点放在高强度材料上, 尤其是高强度钢作为优先发展的重点方向。但自主开发能力不足, 新产品的开发与生产主要依靠引进技术和装备的局面仍未改变。大部分企业产品质量与国外相比存在较大差距, 如钢材表面质量差, 尺寸误差大, 力学性能、工艺性能不稳定且分散性大等。自主创新、产销研一体化、与用户互动研发是解决这些问题的根本出路。

  3 结语

  汽车工业发展到现在, 面临的主要问题是能源、公害和安全三大问题。世界各国政府先后颁布能源保护、废弃排放、降低噪音和安全保障等方面的法律法规。汽车工业顺应形势的发展,必须走轻量化的发展道路。铝、镁、钛、高强度钢等金属材料以其各自的优势特点正逐步应用于汽车制造过程中, 为汽车材料轻量化的实现提供主要途径,也成为21世界最具有开发和应用潜力的“绿色材料”。

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