机动车用新材料课程论文资料.doc

-! 汽车用新材料课程论文汽车用新材料课程论文 汽车用新材料的研究发展状况汽车用新材料的研究发展状况 (Research on the development situation of new materials for automobile) 学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料 1102 学生姓名： 不知道 学 号： 311074561 指导教师： 张松利 -! 汽车用新材料的研究发展状况汽车用新材料的研究发展状况 摘要：摘要：当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的 方向发展，节能、安全、环保是汽车现代化发展的三大主题。目前，汽车零部 件的铝化程度与日俱增，可望在不久的将来，安全、舒适、美观耐用、轻量化、 易装配和维修、易回收、节能、无污染、综合性能优良的“全铝化”汽车将得 到广泛普及。汽车工业集先进的材料和先进的制造技术于一体，新材料的开发 和应用是我国汽车工业发展的关键环节。同时，汽车的发展也对新材料的开发 和研究提出了更高的要求。 关键词：关键词：轻量化；高速；安全；铝合金；钢铁材料；镁合金；钛合金；轮毂及 车身材料 Research on the development situation of new materials for automobile Abstract: a modern car is moving to the lightweight, high speed, safety, comfort, low cost, low emission and energy saving direction, energy saving, safety, and environmental protection are three themes of modern car development. At present, aluminum degree of automotive components grow with each passing day, is expected in the near future, safe, comfortable, beautiful and durable, lightweight, easy to assemble and repair, easy recycling, energy saving, no pollution, excellent comprehensive performance "aluminum" cars will be spread widely. The automobile industry in advanced materials and advanced manufacturing technology in one, the development and application of new materials is a key link in the development of Chinas automobile industry. At the same time, the development of automobile is the research and development of the new material put forward higher requirements. Keywords: lightweight; high speed; safety; aluminum alloy; iron and steel materials; magnesium alloy; titanium alloy; hub and body material 1 前言前言 现代汽车工业是国民经济中的重要支柱产业1-3。随着社会的发展及人们对 -! 高质量生活的追求，汽车已成为现代化物流及人们提高生活质量的重要工具。 在新的世纪，愈来愈多的国家都以发展经济提高生活质量为重要任务，从而促 使汽车工业的飞速发展。1970 年全世界汽车年产量不到 3500 万辆，2011 年达 7500 万辆，其中，轿车产品占 75%80%。未来随着中国、印度、巴西、非洲 等发展中国家的高速发展，必然进一步推动汽车工业的发展。据国务院中心预 测，20012014 年的 15 年间全球汽车市场总规模将增长 39%，年销售量达 900 0 万辆以上。汽车工业早已成为发达国家和地区国民经济的支柱产业，并带动 着冶金、石化、机械、电子、城建、能源等许多相关行业的迅速发展。 中国的汽车工业从 1953 年到现在已有 50 多年的历史，前 30 年以生产中型 载重汽车为主，载货车占汽车总产量的 85%-90%。1980 年代末，我国加快轿车 的发展，到 2000 年轿车的产量上升到 55 万辆，约占汽车年产总产量 30%。据 中国汽车工业协会提供资料，2004 年我国生产汽车 507.05 万辆，客车 123.95 万辆，轿车 231.63 万辆。汽车总产量居世界第四，已接近德国。2006 年产量达 730 万辆。其中乘用车达 71%，基本接近世界汽车发达国家水平。汽车总产量 超过德国，位居世界第三，而销售量达 721 万辆，超过日本，位居世界第二。 轿车约为 360 万辆，约占汽车总产量的 49%。2011 年我国汽车产、销量双双突 破 1900 万辆，稳居世界第一，成为我国重要支柱产业之一。 我国汽车工业经历了 50 年的建设和发展，逐步成为国民经济的支柱产业。 20 世纪 80 年代以前，我国主要生产中型卡车。80 年代以来，我国先后从德国、 法国、美国、日本等国家数十家公司引进汽车生产技术，其中一汽奥迪、上汽 桑塔纳、北京切诺基、广州标志和神龙富康等车型轿车均为 80 年代初、中期国 际水平;风神蓝鸟、广州雅阁、上汽别克等车型轿车达到了 90 年代或当前的国 际水平。汽车工业的发展与原材料工业有着极为密切的关系。据统计，汽车的 生产成本中，原材料约占一半左右。图 1 是德国汽车生产成本分布图，材料成 本为 53%，占一半以上。因此，合理、经济的材料选择，对汽车厂的效益至关 重要。 -! 图 1 德国汽车生产成本分布图 从法规和市场的角度来看，要求汽车向低能耗和清洁排放方向发展，而低 能耗和清洁排放都与汽车轻量化有着直接关系。汽车轻量化要求汽车材料高强 度、高性能、耐腐蚀、易加工、工艺成本低，这也是汽车材料的主要发展方向。 自 1975 年以后，汽车重量不断降低。最近几年，由于轿车向多样化和高级化方 向发展，采用了多种先进装置，因此轿车重量范围扩大，在 130-190Kg/m2范围 内。新型装置的添加，对汽车材料减轻重量提出了更高的要求。我国有数百家 汽车厂，汽车生产的特点是生产批量小、型号多，所需材料品种多达 4200 余种。 2002 年以来，我国汽车产销量快速增长，已达到 300 万辆/年的生产和销售规模， 汽车 工业已经成为我国经济发展最快的行业之一。 当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方 向发展，节能、安全、环保是汽车现代化发展的三大主题。为了减轻重量、提 高速度、节约能源，减少汽车尾气对空气的污染和保护日益恶化的臭氧层，铝 材很快进入了汽车工业领域。目前，汽车零部件的铝化程度与日俱增，可望在 不久的将来，安全、舒适、美观耐用、轻量化、易装配和维修、易回收、节能、 无污染、综合性能优良的“全铝化”汽车将得到广泛普及。汽车工业集先进的材 料和先进的制造技术于一体，新材料的开发和应用是我国汽车工业发展的关键 环节。同时，汽车的发展也对新材料的开发和研究提出了更高的要求。 汽车工业经历了 100 余年的发展历史,已经从最初的简单代步工具演变成集 当代科技精华于一身的高科技产物。越来越多的新材料及新工艺的出现,使得人 -! 们对汽车轻质化、低成本、智能化,高的经济性和可靠性的要求成为可能。因此, 材料与技术的发展对汽车工业的进步有着不可磨灭的贡献。汽车材料是汽车品 质 的基础,而汽车技术的发展在很大程度上依托于汽车材料的发展。要研制更经济、 更能够适应各种环境的汽车,科技含量高的合成材料是必不可少的4,5。 2 国内外汽车用新材料发展状况国内外汽车用新材料发展状况 2.1 国外汽车用新材料的发展现状与趋势国外汽车用新材料的发展现状与趋势 当前世界汽车材料技术发展的主要特征如下: (1) 轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向； (2) 尽管近阶段钢铁材料仍保持主导地位, 但各种材料在汽车上的应用比例正在 发生变化。主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料 和复合材料的用量将有较大的增长, 铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下 降,但载重车的用材变化不如轿车明显； (3) 轻量化材料技术与汽车产品设计、制造工艺的结合将更为密切, 汽车车身结 构材料将趋向多材料设计方向； (4) 更重视汽车材料的回收技术； (5) 电动汽车、代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断 加强。 减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效措施之一。 世界铝业协会的报告指出, 汽车的自身质量每减少 10%,燃油的消耗可降低 68%, 根据最新资料,国外汽车自身质量同过去相比减轻了 2026%。预计在未来的 10 年内, 轿车自身质量还将继续减轻 20%。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材 料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的开发与应用在汽车的轻量化中将发 挥重大作用。可以看出,尽管钢铁材料在当前仍然占主导地位, 但其份额却在逐 年减少, 而铝合金、镁合金、塑料等轻量化材料的用量则呈持续上升的趋势。 在最近投产的某些新车型中,钢铁材料的比例更低, 例如在奥迪 A2 中,钢材的比 例仅为 34%,轻质材料则高达 52%。国外开发的全铝车身已经在 AUDI -! A8、BMW Z8、FERRARI360 等很多车型上使用, 甚至全铝发动机、轮毂都已 经开始实际应用7。 虽然联邦政府和欧共体有多种与材料有关的研究项目,但整体上主要还是体 现在墓础研究方而。从汽车行业的应用性研究来讲,主要依靠企业的自身力量, 这与美国汽车行业的情况很不相同, 后者可从国家得到各种资助。不仅如此, 德 国政府在支持、促进和推广新材料在汽车行业的应用以及采用新材料的汽车的 生产、销信等方而也没有任何鼓励的政策与措施。虽然从长远战略上说,汽车采 用新材料具有多种重要意义,但就口前的实际而言,首要目的是减轻重量、提高效 率、降低能耗、减少环境污染。从根木上来讲,汽车减轻屯量很有好处,既可增加 使用面积,又可节省燃料消耗,减少环境污染。汽车能耗的 70%与汽车重量有关, 如中型轿车的自重每减少 100 公斤,每百公里的燃料消耗就可减少 0.4 公升。此 外,自重减轻对加速和弹性等行驶效率也有积极影响,同时可使转动和振动部件的 噪音明显降低。试验证明,假如负荷是单轴的或者在结构上可以沿纤维方向伸展 的话,纤维强化的材料明显比金属优越8-10。 近年来,虽然日本汽车工业由于各种原因而陷于持续的不景气状况之中,但各 汽车厂商从长远利益出发,仍继续着各种汽车用新材料及其相关伎术的研究开发, 并取得品些进展。总的来看,这一领域研究开发的重点主要集中在三个方面。一 是大力开发各类“低公害车”所需材料；二是继续发展汽车以铝、塑等代钢技术； 三是提高汽车用材料再生利用率。 一、 “ 低公害车”所需材料的发展状况 随着全球环保呼声日益高涨,电动汽车、甲醇汽车、天然气汽车等不以汽油 为动力源的所谓“低公害车”展现出诱人的发展前景。但是,目前这类汽车离实用 化都还相距甚远。其有待解决的主要问题之一就是所需的各种材料技术尚未过 关。在被认为是最理想的“低公害车”的电动汽车的研究中,目前面临的主要课题 仍然是车体的轻量化和蓄电池的高性能化, 而这都与材料技术密切相关。在东 京电力公司和日产汽车公司分别开发的高性能电动汽车的概念车 IZA 和 FEV,为 了减轻车休重量,外板均采用了碳纤维强化塑料,底盘均采用了各种招合金材料。 然而,这两种概念车的开发者一致认为,对批量生产而言,采用昂贵的 CFRP 材料 是不现实的。出路在于能多大程度地采用铝合金材料。比车体轻量化更为重要、 -! 也更为复杂的问题是蓄电池的高性能化。在 IZA 和 FEV 中采用的是镍镉电池, 它是已能实用的各种蓄电池中能量密度高的。但因镉资源很少,故对大批量生产 电动汽车并不合适。据日本通产省估计,全球镉储藏量仅约 97 万吨,只能供制造 1000 万辆电动汽车使用。 二、铝、塑代钢技术发展状况 从 80 年代起,主要为了减轻汽车重量以降低耗油量、节约能源、保护环境, 在汽车制造中以铝、塑代钢技术开始发展起来, 但至今仍未出现成热的批量生 产车型。其重要原因是以铝、塑代钢并不仅仅意味着材料的替换, 还意味着汽 车的设计、加工、装配各个环节都必须进行大幅度的更动, 因而风险很大。目 前,除马自达公司外,日本各大汽车厂商都还只在少量零部件或特殊车种（如运动 车） 试制中应用铝、塑代钢技术。 三、汽车用材料再生利用发展状况11 为了节省资源、保护环境, 日本于 1992 年 10 月开始实施“关于促进再生资 源利用的法律”。汽车是该法律适用对象之一,要求制造商在设计阶段就对再生 利用作出评价,并从材料、结构、拆分等各方面进行积极研究。该法实施以来,日 本有关汽车用材料再生利用的研究进一步受到重视,取得了一些新进展。丰田、 日产、本田等公司均已开始通过各自的销售网来系统地回收在维修中换下的保 险 杠,经洗净、粉碎后,加工成货物周转箱（丰田） 、通风管迸（日产） 、换气口（本 田）等等重新加以利用。为了进一步提高由高级聚丙烯材料制成的保险杠的再 生利用率, 各汽车公司正在加紧研究能完全消除旧保险杠表面油漆的影响, 从而 用旧材料制造新保险杠的有关技术, 升已取得阶段性成果。如日产公司的“有机 盐系溶剂分解、剥离法”、富士重工业公司的“微粉碎法”、丰田公司的“加压水 分解法”等,在不远的将来,即可望获得实际应用。 汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的 65% 以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低 发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应,是汽车轻量化的重要途径。车 身轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前, 节能、环保、安全、舒适、 智能和网络是汽车技术发展的总趋势,尤其是节能和环保更是关系人类可持续发 -! 展的重大问题。汽车油耗与车重关系密切, 汽车行驶过程中受到空气阻力、轮 胎阻力、加速阻力和爬坡阻力等, 其中后面三项均与车身本身的重量成正比, 这 直接影响轿车的油耗,因此,降低燃油消耗、减少向大气排出 CO2和有害气体及 颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减小汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及 减少排放的最有效措施之一。尤其是当前全球能源缺少的危机之下,轻量化技术 对于未来轿车发展有着巨大的意义。实现轻质车身,最主要就是大量应用使车身 轻量化的 材料,同时进行车身轻量化的结构设计等。目前,车身轻量化的主要途径有 2 条: 效果比较明显的是用轻型材料(如镁、铝、塑料盒复合材料等)替代车身骨架及 内、外壁板原有的钢材,目前已制造出部分产品；另一种有效的方法是通过优化 车身结构实现轻量化,其代表性成果为 ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body)项目 112。 现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外,还应该满足基本性能、外观、 安全、价格、环保、节能等方面的需要。在九十年代以前,以轿车为例,其整车质 量中,钢铁占有 80%,铝占 3%,树脂占 4%。由于能源价格不断上升,作为轻量化材 料的高强度钢板、表面处理钢板用量逐年上升, 有色金属材料的用量也在不断 增加, 其中, 铝合金材料的应用明显增加, 非金属材料也逐步增加。本文主要就 车身轻量化材料的发展做研究12-13。 2.2 国内汽车用材料发展状况分析国内汽车用材料发展状况分析 我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的。尤其是在七五至九 五期间,我国通过合资的方式引进了国外先进的汽车产品技术, 缩短了与发达国 家之间的差距。在引进技术的带动下, 九五期间轿车新材料技术开发被列入国 家科技攻关计划,同时在国家 863 高技术计划新材料领域的支持下,先后开发出了 一批轿车国产化急需的金属材料和非金属材料,促进了国产汽车材料的技术进步。 但是,同国外相比,我国汽车工业整体技术水平还比较落后,汽车材料领域的差距 更大。主要表现为；企业开发能力不足,缺乏创新、竞争能力；技术与管理水平 落后,生产规模小,劳动生产率低,产品质量差；产品结构不合理,技术含量低,低档 产品过剩, 高端产品依靠进口；汽车行业采用的材料系列与品种繁杂、数量少, 使汽车专用材料的产量难以达到经济规模；汽车材料基础技术研究薄弱,缺少材 -! 料评价技术与体系,材料技术标准混乱,基础数据贫乏。从总体上看,国内汽车材 料领域的现状还不能满足我国汽车工业的发展需要。国内汽车工业的迅速发展 以及加入 WTO,使我国汽车材料领域面临着前所未有的机遇与挑战。不仅汽车 材料的需求量持续增长(预计从现在起到 2020 年,年均增长率可达 20%以上),而 且对材料的品质提出了更高的要求,这为我国汽车材料领域的发展创造了十分有 利的条件14。 3 汽车车身用新材料概述汽车车身用新材料概述 3.1 新型结构材料新型结构材料15-16 3.1.1 高强度钢板高强度钢板 从前的高强度钢板，拉延强度虽高于低碳钢板，但延伸率只有后者的 50，故 只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加 入适当的微量元素，经各种处理轧制而成，其抗拉强度高达 420N/mm2，是普 通低碳钢板的 23 倍，深拉延性能极好，可轧制成很薄的钢板，是车身轻量化 的重要材料。到 2000 年，其用量已上升到 50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢 合作，2001 年在试制样车上使用的高强度钢用量为 262kg，占车身钢板用量的 46%，对减重和改进车身性能起到了良好的作用。 美国轿车材料构成 要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度 1F 冷轧钢 等，车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。 含磷高强度冷轧钢板：含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和 行李箱盖升板，也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为：具有较高强 度，比普通冷轧钢板高 1525；良好的强度和塑性平衡，即随着强度的增 -! 加，伸长率和应变硬化指数下降甚微；具有良好的耐腐蚀性，比普通冷轧钢板 提高 20；具有良好的点焊性能；烘烤硬化冷轧钢板：经过冲压、拉延变形及 烤漆高温时效处理，屈服强度得以提高。这种简称为 BH 钢板的烘烤硬化钢板 既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一； 冷轧双向钢板：具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高 塑性的特点，经烤漆后强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车 身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等； 超低碳高强度冷轧钢板：在超低碳钢（C0.005）中加入适量钛或铌，以 保证钢板的深冲性能，再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高 强度的结合，特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。 图 2 汽车材料应用部件 轻量化迭层钢板：迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料， 表层钢板厚度为 0.20.3mm，塑料层的厚度占总厚度的 2565。与具有同样 刚度的单层钢板相比，质量只有 57。隔热防振性能良好，主要用于发动机罩、 行李箱盖、车身底板等部件如图 2。 3.1.2 铝合金铝合金 与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3） 、比强度高、耐锈蚀、热 -! 稳定性好、易成形、可回收再生等优点，技术成熟。德国大众公司的新型奥迪 A2 型轿车，由于采用了全铝车身骨架和外板结构，使其总质量减少了 135kg， 比传统钢材料车身减轻了 43，使平均油耗降至每百公里 3 升的水平。全新奥 迪 A8 通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件，车身零件数量从 50 个 减至 29 个，车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了 60%， 还比同类车型的钢制车身车重减少 50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利 用，深受环保人士的欢迎。 根据车身结构设计的需要，采用激光束压合成型工艺，将不同厚度的铝板 或者用铝板与钢板复合成型，再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有 良好的耐腐蚀性。 铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料，能够为汽车提供各种铝合金 铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机缸体、活塞、 进气支管、气缸盖、变速器壳体、轿车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。 3.1.3 镁合金和钛合金镁合金和钛合金 镁的密度为 1.8g/cm3，仅为钢材密度的 35，铝材密度的 66。此外它的 比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因 此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富，镁可从 石棉、白云石、滑石中提取，特别是海水的盐分中含 3.7%的镁。近年来镁合金 在世界范围内的增长率高达 20。 铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组 成。另一种镁合金制成的车门，它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成，每 扇门的净质量比传统的钢制车门轻 10kg，且刚度极高。随着压铸技术的进步， 已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前、后挡板、仪表盘、方向 盘等。 钛的比重为 4.6g/cm3，仅是铁的 1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。用 钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀，钛合金车身可以承受 更大的作用力。 3.1.4 泡沫合金板泡沫合金板 -! 泡沫合金板由粉末合金制成，其特点是密度小，仅为 0.40.7gcm3，弹性 好，当受力压缩变形后，可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多， 除了泡沫铝合金板外，还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等，可根据不同 的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能，特别是出众的低密度、良好的 隔热吸振性能，深受汽车制造商的青睐。目前，用泡沫铝合金制成的零部件有 发动机罩、行李箱盖等。 3.1.5.蜂窝夹芯复合板蜂窝夹芯复合板 蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯 材料的不同，可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等； 面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻 质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点，故在汽车车身上获 得较多应用，如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一 种以聚丙烯作芯，钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板，使零件质量 减轻了 50%60%，且易于冲压成型。 3.1.6.工程塑料工程塑料 与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐 热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。 二十世纪七十年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲 材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的 LTD 试验车，塑料化后 的车身取得了轻量化方面的明显成果（见表 2） 。 -! 福特 LTD 试验车的轻量化效果 中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量 不稳定的状况，而且价格高，缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相 当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为 2.86kg/辆， 红旗 CA7228 型轿车为 2.4kg/辆，而日本轿车平均为 14kg/辆，宝马则更高，为 35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破，由上海普利特复合材料有限公司投资新 建、国内最大的汽车用高性能 ABS 工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此 项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备，形成了年产 15000 吨高性能 ABS 工程塑料的能力。 工程塑料用于汽车可实现轻量化和节能，且可回收和循环利用。目前六大 类的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA 和 PE 在汽车上得到广泛的应用，通常 用于制造车身覆盖件、车门门褴、车身内外装饰件和水箱面罩、保险杠和车轮 护罩等。 汽车的构造材料图 3 可反映人类所应用材料的技术水平。目前，6 类主要 材料如钢铁塑料铝橡胶玻璃共占轿车质量的 90%，其余 10%为其他多种材料 ，包括有色金属（铜、铅、锌、锡等） ，车中装备的液体（燃油、润滑剂、其他 油品和水基液等） ，油漆、纤维制品。如富康轿车用料为钢 55%，铸铁 12%， 塑料 12%，铝 6%，橡胶 3%。常见汽车材料的构成如下图所示。 -! 图 3 汽车材料构成 3.2 新型功能材料新型功能材料17-18 3.2.1.稀土材料稀土材料 中国稀土资源丰富，居世界前列。世界已探明的稀土储量中国占世界已探 明资源的 80%，为我国大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。使用汽车废 气净化催化剂是控制汽车废气排放、减少污染的最有效的手段。含稀土的汽车 废气净化催化剂价格低、热稳定性好、活性较高，使用寿命长，引起了人们的 广泛关注。 汽车废气净化稀土催化剂所用的稀土成分主要是氧化铈、氧化镧和氧化镨等。 用于汽车废气净化催化剂的载体通常为蜂窝陶瓷，稀土还可以作为陶瓷载体的 稳定剂以及活性涂层材料等。 3.2.2.纳米材料纳米材料 纳米科技是 21 世纪科技产业革命的重要内容之一，它是高度交叉的综合性 学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学。它不仅包含以观测、分 析和研究为主线的基础学科，还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所 以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系。 纳米技术将在汽车上的结构材料、节能、环保等方面获得广泛的应用。纳 -! 米陶瓷材料的耐磨性和质量减小、稳定性增强。纳米陶瓷轴已经应用在奔驰等 高级轿车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强、使用寿命延长。 纳米汽油是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂，纳米汽油可 以降低油耗 10%-20%，可降低废气中有害气体含量 50%-80%。 纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的石油产品，它不对任何 润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂或减磨剂等产生不良作用，只 是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。 纳米增强增韧塑料可以代替金属材料，由于它们比重小重量轻，因此广泛 用于汽车上可以大幅度减轻汽车重量，达到节省燃料的目的。可以用于汽车上 的保险杠、座椅、翼子板、顶蓬盖、车门、发动机盖、行李舱盖以及变速器箱 体、齿轮传动装置等一些重要部件。抗紫外线老化塑料能够吸收和反射紫外线， 比普通塑料的抗紫外线能力提高 20 倍以上，能有效延长其使用寿命。无机纳米 抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24h 接触杀菌率达 90%，无副作用，可以用在 车门把手、方向盘、座椅面料、储物盒等易污部件。 4 缸体和缸盖用新材料缸体和缸盖用新材料 4.1 缸体缸体19 缸体是发动机的骨架和外壳，在缸体内外安装着发动机主要零部件。缸体 在工作中承受气压力的拉伸和气压力与惯性力联合作用下的倾覆力矩的扭转和 弯曲以及螺栓预紧力的综合作用。在这些大小、方向变化的力和力矩作用下， 使机体产生横向和纵向的变形，变形超过许用值使将影响与机座相联零部件的 可靠性和工作能力，尤其是活塞、连杆和等零件的工作可靠性和耐磨性会受到 严重影响，并导致发动机不能正常工作。因此缸体材料必须满足下列要求： （1）有足够的强度和刚度。特别是要有足够的刚度，以减小变形，保证尺寸 的稳定造性 （2）良好的铸造性和和切削性。 （3）价格低廉。 缸体常用的材料有灰铁和铝合金两种。铝合金的密度小，但钢度差、强度 低及价格贵。所以除了某些发动机为减轻重量而采用外，一般均用灰铸铁作为 钢体材料。 -! 灰口铸铁在汽车上应用较为广泛，还可用以制造飞轮、飞轮壳、变速箱壳 及盖、离合器壳及压板、进排气支管、制动鼓以及液压制动总泵和分泵的缸体 等。 缸盖只要用来封闭气缸构成燃烧室。缸盖承受燃气的高温、高压作用，机械负 荷（如气压力使缸盖承受弯曲，缸盖螺栓的预紧力等）和热负荷的作用。由于 温度高、形状复杂、受热不均匀使使缸盖上的热应力很大，严重时可造成缸盖 甚至出现裂纹。 根据上述工作条件，缸盖应用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热 应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁 或合金铸铁；另一种是铝合金。 铸铁缸盖具有高温强度高、铸造性能好、价格低等优点，但是导热性差、 重量大。铝合金缸盖的主要优点是导热性好、重量轻，但是高温强度低，使用 中容易变形、成本较高。 4.2 缸套缸套20 发动机的工作循环是在气缸内完成的。气缸内与活塞接触的内壁面，由于 直接承受燃气的冲刷，并与活塞存在着具有一定压力的高速相对运动，使气缸 内壁受到强烈的摩擦，造成磨损。气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主 要原因之一，根据气缸内壁工作条件的这一特殊性应选用相应的材料，即缸体 用普通铸铁或铝合金，而气缸工作面则用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。 常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。 为了提高缸的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其他耐磨合金等 办法对缸套进行表面处理。 5 汽车轮毂材料汽车轮毂材料 轮毂作为汽车一个重要部件, 对汽车节能、环保、安全性、操控性都有重 要的影响, 因此如何选材及加工成型, 达到轻量化, 意义深远。优质汽车轮毂包 括以下基本条件21: 质量轻, 价格低, 表面质量高, 易于成型； 具有良好的 静力学、动力学以及耐腐蚀特性；具有良好的回转特性和导热特性；具有 良好的回收能力, 符合环保要求。对于性能例如强度, 目前可以采用专业工具进 行分析, 如美国 MSC 公司的 MSC. NASTRAN, 同时进行尺寸优化22, 但所有 -! 这些都基于选材。轮毂材料可以粗略分为钢铁材料、合金材料、复合材料等三 大类别, 同时结构上分为一件式、两件式、三件式, 因此其加工制备工艺多种多 样。 5.1 钢铁材料钢铁材料 钢制辐板式轮毂的最早记录是 1905 年23,由于其强度高、散热性能好、耐 磨损等特性, 在很长时间里被轿车采用。尽管 70 年代以来, 各种新型材料如轻 质合金等相继问世, 但该种轮毂仍以其成熟简单的工艺, 低廉的成本和优良的性 能在汽车市场占据一定的份额。 碳素钢主要用于规则成型钢轮毂, 该轮毂是由坚固的圆柱形轮辋和碳素钢 轮盘焊接而成。为了改善刹车轮盘的通风情况, 在轮毂上加工一定数量的圆孔, 但这不会降低使用期内对外来受力的抵抗程度。尽管具有价格优势以及一 般动力性能机车上的满意度, 但对于一些特定类型的汽车而言, 仍然具有许多缺 点, 故不推荐使用。 球墨铸铁以其优良的综合力学性能应用在轮毂上, 如铁素体球墨铸铁、高 韧性球墨铸铁等。但是,由于类似碳素钢轮毂的缺点, 以及铸造过程的复杂性和 铸造模型所限, 轮毂形状难于控制, 限制了其应用。 一些合金钢如加入钛元素的低合金钢,合金元素可以细化晶粒,提高钢的力学 性能, 使钢具有强度高、塑韧性好、加工成形性和焊接性良好,可以作为轮毂用 钢；此外,低合金高强度 F+B 双相钢,如低碳含铌钢, 提高贝氏体含量, 可以提高 屈服强度, 提高扩孔率,也可以用作轮辐和轮辋用钢23。在实际应用中的多数钢 制轮毂是通过已成型的轮缘和轮盘焊接而成,尽量使自重降低。国外许多发明创 新采用钢板冷变形加工而成轮辋与轮盘,并且在焊接方法上采用了一定的技术创 新,如:US6052901 等专利。 5.2 合金材料合金材料 1923 年，赛车开始使用砂模铸造铝合金车轮毂。第二次世界大战后,铝合金 轮毂用于普通汽车。1958 年,有了铸造整体铝合金轮毂,以后不久又有了锻造铝 合金轮毂。1979 年,美国把铝带成型车轮作为标准车轮。1980 年,联邦德国奔驰 公司开始成批采用带材成型铝合金轮毂装备 240D 型轿车。日本是世界上生产 铝合金轮毂最多的国家,1973 年,成批生产轿车铝合金车轮；1977 年,成批生产载 -! 货车与大客车铝合金车轮；1979 年,成批生产复杂摩托车铝合金车轮。在过去的 10 年,全球铝合金汽车轮毂产量的年平均增长率达 71.6%22。时至今日,世界上 几个主要汽车生产大国已经将铝合金轮毂作为车辆的标准配置。 中国铝合金轮毂制造业发起于 20 世纪 80 年代末期。20 世纪 90 年代中期, 出现兴建汽车铝轮毂厂的投资高潮；1998-2001 年期间,由于国内汽车铝轮毂产 能远远大于国内汽车行业要求,进入了缓慢发展阶段；2002 年至今,中国汽车制 造业快速发展,出现新一轮投资汽车铝轮毂行业强劲势头18。 与钢制汽车轮毂相比,铝合金汽车轮毂具有如下优点: 重量轻,可比钢制车轮 毂重量减轻 30%-40%,通常使用 1kg 铝合金,汽车自重要下降 2.25。美国目前每 辆轿车用铝合金至 100 kg,可减重 225 kg,按一辆轿车使用 10 年、行驶 400 km 计算,可节约 6.3t 汽油,效益可观。铝合金汽车轮毂有明显的减重效果；减震性能 好,吸收冲击能量强,从而可以改善车辆的行驶性能, 提高安全性；导热性好,热导 率约为钢的 3 倍,可以降低轮胎的工作温度,提高轮胎的使用寿命；外形美观, 采 用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化,可以很好地满足各类使用者的审 美要求。随着汽车安装 ABS 普及率的提高,为了减轻非悬挂件质量和减轻刹车 系统的负荷,铝合金轮毂的使用正变得越来越普及16。据统计,轻型车上铝合金 轮毂的使用率现已达到 50%左右,汽车采用铝合金轮毂后件重效果明显,轻型车使 用铝合金轮毂比传统钢制轮毂轻 30%- 40%,中型汽车可轻 30% 左右。汽车轮毂 材料的更新换代对提升汽车安全性能、节能减排降耗有着重要的意义,在交通工 具回归自然的大趋势下,开发符合性能要求的轮毂材料及制备工艺, 在原有基础 之上, 高性能、轻质、节能、环保轮毂材料将会得到更多的实际应用。 6 结语结语 材料技术在汽车轻量化中扮演着重要角色,但汽车的轻量化是一个复杂的系 统工程。要想以最低的成本获取最佳的轻量化效果,需要在开发新材料的同时, 不断发展相应的汽车零部件设计、制造技术和其它相关技术,在这些方面还有很 长的路要走。随着汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展,铝 合金、镁合金、钦合金、泡沫金属、塑料、陶瓷新材料、纳米材料等在汽车领 域 的应用都对汽车的发展产生了重大的影响。 -! 伴随着我国汽车工业的全面发展，社会拥有量的大量增加，汽车在国民经 济中的地位显得越来越重要。汽车新材料的发展和应用是促进汽车工业技术发 展的重要因素。从发展汽车新材料来说，以下三点尤为重要： （1）汽车材料要适应整车向智能化、电动化方向发展的基本要求，大力开 发新型材料；（2）汽车材料要围绕整车低能耗、低排放的要求，开发新型结构 材料和功能材料；（3）应该跟踪世界先进的汽车新材料的发展趋势，开发自主 知识产权的新材料，通过优先发展汽车新材料来提高材料工业的整体水平。 参考文献参考文献 1 刘静安，铝材在汽车工业上的开发与应用，