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从汽车材料年会看汽车材料的发展

Ilj军茗喜素筹恭琴箬篡喜

-召开,与会代表围绕“轻量化”这个

主题在汽车钢板、结构钢及其它钢材、有

色金属、复合材料及新材料、表面处理、

理化检验与失效分析等方面进行了报告

和交流。笔者从年会的论文等有关资料

出发,对汽车材料的发展方向和某些新

材料的应用研究情况做简要介绍。

1轻量化材料的开发及应用是当

前汽车材料技术发展趋势

资源和环境问题是当今人类社会面

临的巨大挑战。为适应地球环境要求,实

现人类社会的可持续发展,对新一代汽

车产品在安全、环保和节能方面提出了

更为严格的要求,而以轻量化为主导的

先进汽车材料技术的发展战略——减

轻汽车整备质量是实现这一目标的主

要措施:

1.1内高压成型技术的开发与应用

采用内高压成型技术变化零件结构

是目前汽车设计中减轻零件质量的重要

方法之一。其原理是通过内部加压和轴

向加力补料把管坯压入到模具型腔使其

成型的;对于轴线为曲线的零件,要先

把管坯预弯成接近零件形状,然后加压

成型。

国外于20fl=c纪70年代末开始进行

内高压成型技术的研究,20世纪90年代

初用于生产。应用的典型零件如轿车的

发动机排气系统异型管件、发动机托架

中的管件、底盘结构件、车身框架、座椅国《重型汽车》HEAVYTRUcK2004.6

口文/张继魁王保忠董伦

骨架、散热器支架、副车架、翼型管件等

结构件及载货汽车上的排气系统异型管

件和结构管件等。国内一汽与哈尔滨工

业大学从2001年合作研制内高压成型设

备,并试制轿车转向节壁、副车架,系统

地研究了内高压成型设备、成型用管材、

模具设计、预成型工艺和内高压成型工

艺,现已进入实用化阶段。

内高压成型技术的优点是减轻零件

质量,减少零件数量,降低生产成本。如

轿车副车架,用冲压焊接工艺生产,将6

个冲压件焊为1个零件。用内高压成型技

术生产,只用一根管坯通过弯曲成型、预

成型、内高压成型即可完成。副车架减轻

质量20%以上;生产成本比冲压件平

均降低15%~30%;提高了零件强度

和刚度。

1.2轻量化材料的开发与应用

轻量化材料是当今汽车材料技术发

展的主导方向。目前轻量化材料的开发

与应用具有以下特点。

1.2.1高强度钢板

钢铁材料在汽车材料中仍占主导地

位,但其内部结构将发生变化。高强度钢

板和超高强度钢板的用量将较大增长,

中、低强度钢板的比例将会逐步下降。应

用高强度钢板不仅减轻汽车质量,由于

其具有吸收撞击能量的特性,还会改善

汽车的安全性能。先后开发出高强度钢

板(屈服强度≥210MPa)、超高强度钢板

(屈服强度≥550MPa)和先进高强度钢

板。高强度钢板由于材料强度提高,钢板

的厚度可以减薄,如用350MPa级的低合

发展

金高强度钢板制作汽车前梁、发动机支

架、保险杠和车门等.板的厚度可以减少

15%一25%。

高强度钢板包括冷轧和热轧两种类

型。冷轧高强度钢板主要用于车身零件。

包括外板(车门、发动机罩外板)、内板(车

门、发动机罩内板)和结构件。热轧高强

度钢板在载货汽车上用量很大。约占其热

轧钢板总量的60%一70%。主要用于车

架纵横梁、车箱的纵横梁、车轮、刹车盘等

受力结构件和安全件。

热轧高强度钢板按用途主要分为以

下几种:

a.汽车大梁用热轧高强度钢板

目前载货汽车车架大梁广泛使用的

热轧高强度钢板的抗拉强度≥510Mpa,即

510L级,但其发展趋势是超高强化,以利

于减重节能。国内,宝钢开发的B550L已

被一汽、东风等公司用作汽车大梁及其它

结构件,而率先开发的微合金超高强度热

轧钢板Bs550MC—BS700MC系列在工程

机械等领域得到应用,而在汽车大梁上的

应用处于推广阶段;武钢开发的WL540、

WL590用于东风公司重型车车架、车箱纵

横等零件;鞍钢开发的A610L正在一汽

新重型车上试用。国外,超高强度热轧钢

板已形成标准化、系列化,欧洲标准

ENl0149—2中S500MC--700MC、日本JIS

标准中Wehen70和Welten80、瑞典SSAB

钢板有限公司的特高强度钢板DOMEX

系列等均属于微合金超高强度钢板;日本

NKK公司开发了780MPa级超高强度钢

板。此类钢板在载货车上已得到应用。

万方数据

b.汽车车轮用热轧高强度钢板

车轮是汽车行驶中的重要安全件,对钢板的性能要求很高。由于车轮长期承受交变负荷,因此不仅要求钢板有高的强度,还要求有高的疲劳寿命;同时为了保证车轮运输时的动态平衡,也要求钢板有高的尺寸精度。国内使用宝钢生产的B330CL、B380CL、B420CL热轧钢板,采用滚压成型的方法制造车轮。重型载货车通常车轮轮辋使用12LW轮辋型钢,轮副使用Q235A、SS400热轧钢板制造。国外如日本已开发出590MPa~780MPa级车轮用热轧高强度钢板。

c.传动轴用热轧高强度钢板

汽车传动轴是汽车用以传递扭矩的重要安全件,要求材料有高的强度和韧性及高的尺寸精度。目前重型载货车使用宝钢生产的B480QZR热轧钢板制造传动轴用管。汽车传动轴用热轧钢板也向高强化发展,用高强度(屈服强度大于500MPa)钢板制成的传动轴可减轻质量约10%。

1.2.2铝——仅次于钢的第二大汽车材料

铝是汽车用有色金属中用量最多的,铝合金代替传统钢铁材料可使整车质量减轻30%~40%。汽车用铝合金材料约80%为铸造铝合金,主要是发动机部件(如缸盖、缸体、活塞等)、传动系部件(如变速器壳体、离合器壳体等)及底盘行走系零部件(如转向机壳、车轮等)等。20%的变形铝合金主要用于热交换器系统(如散热器、中冷器等)、车身系部件(如发动机罩、车体框架)和油箱等。.

近几年,一汽集团和东风公司都参与了国家重大攻关项目《轻量化金属材料铝合金、镁合金在汽车上的应用研究》。目前铝合金在轿车和载重车上的应用零件有变速箱上盖、发动机气室罩盖及阀件零件等。

1.2.3镁——汽车材料技术发展的一个重要方向

镁是比铝更轻的金属材料,比重为铝的2/3,可在铝减轻质量基础上再减轻

Cailiaogongyl

15%~20%。在轻量化的驱动下,20世纪

90年代以来,镁在汽车中的应用一直处

于快速增长阶段。镁合金的开发和应用

已成为汽车材料技术发展的一个重要方

向。目前,所用的镁合金材料以铸造镁合

金为主。大量用于装车的镁合金零件主

要是车身和底盘零件,包括仪表板骨架

与横梁、座椅骨架、转向盘和进气歧管

等。在欧洲,镁合金在汽车上的应用方

面,德国一直处于领先地位,如大众汽车

公司的新车奥迪A6单车用镁合金已达

40kg;在美国,三大汽车公司均已采用镁

合金零件,主要用于发动机及支撑结构

件;在日本,镁合金主要用于变速器壳

体、气缸罩盖及转向锁架等。在国内,2001

年一汽集团、东风公司、上汽集团等参与

了国家镁合金应用技术攻关项目。东风

公司开发了镁合金变速器上盖、脚踏板、

真空助力器中间隔板及制动阀体等;一

汽集团开发了36种镁合金压铸件,其中

发动机气缸罩盖、转向盘骨架等零件已

应用于生产;上汽集团开发了桑塔纳轿

车的镁合金变速器外壳、踏板支架和轮

毂等。

1.2.4泡沫材料

泡沫材料是一种应用日益普及的汽

车轻量化材料,分为非金属泡沫材料(泡

沫塑料)和金属泡沫材料(如泡沫铝)两

大类。泡沫材料是一种具有复合功的材

料,它不仅可减轻零部件的质量,而且还

可以提高其刚度与抗压陷性能,减震,降

噪,隔热,吸收较高的冲击能量。

非金属泡沫材料通常有两种应用方

式。一是作为中间夹层材料与两侧金属

板材组合在一起,构成复合板,主要用于

汽车车身和发动机上的板壳类零件。二

是作为填充材料直接填入零

部件中那些需要加强的部

位,主要用于车身骨架中的

各类构件。

泡沫铝材是将铝粉与发

泡剂混合压实,再挤压,挤出

的型材上下两面包铝后冷轧

成材,然后将加工出的零件

材鞠}工艺

放在炉内加热激活发泡剂,使之分解出气

体,铝粉转变成泡沫,同时外层包铝和铝

泡沫牢固地结合在一起,无需粘结。主要

用于保险杠及侧部防冲挡等。

1.2.5不锈钢

不锈钢在汽车中的应用有较长的历

史,主要用于制造汽车的排气系统零件。

近几年,作为轻量化材料应用于结构零件

的试验与试制工作已经展开。具有减轻

质量潜力的不锈钢材料主要为高强度不

锈钢,如采用AISl301、AISl204M等高强度

不锈钢板试制的轿车前侧防撞弓形梁和

保险杠、后挡板、发动机支架等零部件,减

轻质量可达30%左右。

2高性能、低成本、长寿命是汽车

用合金结构钢的发展方向

合金结构钢在汽车中不仅用量较大,

而且主要用于关键零件,如各种轴类(曲

轴、半轴、连杆等)、齿轮、弹簧及螺栓等,

是汽车保证行驶安全的核心部件的制造

材料。近年来,随着汽车工业技术的发

展,开发了新一代的汽车用合金结构钢。

合金结构钢的发展方向是高性能、低成

本、易加工、长寿命和多品种等。

2.1齿轮钢

汽车齿轮钢应具有高强度、耐疲劳、

耐磨损和良好的尺寸精度等特点。高质

量的齿轮钢要求窄的淬透性带宽度、高的

纯净度、均匀细小的晶粒和较高的抗弯曲

冲击力等。

汽车齿轮钢研发必须满足高性能、长

寿命、经济性和生产性等要求。尽管各国

资源和生产工艺条件的差异,齿轮钢合金

系列不尽相同,但新型齿轮钢的发展方向

是:①降低渗碳层表面氧化倾向大的合金

从汽车材料年会看汽车材料的发展

元素含量,添加氧化倾向(下转第26页)

万方数据

汽够电器Q姚cm州

42V系统将使先进的固态电路的使用成本更低,联网能力加强。例如,随着电流强度减弱,半导体开关的成本有望下降,这样,就可以增加更多的电子控制装置和用户想要的配置。2.6设计更灵活性

新的电源系统可以把发动机的机械驱动的控制系统和附件从发动机中分离出来,集成到一起,由电动机直接驱动,以进一步减少发动机的部件,降低发动机的自重并提高效率。那些簇拥在发动机周围的一些传统部件,如加热和冷却系统,将能更均匀地分布,皮带和皮带轮的数量也得以减少,从而使汽车的线条更流畅,更平衡。

2.7新技术的应用成为可能

有了42V系统,许多以前看似不切实际或不可能的技术也都变得可行了。在42V电气系统中,线控技术、行驶平顺性控制装置、电子加热式催化器和电磁阀系统都能更有效地使用,为车辆的结构改进提供了更大的可能性。使用42V电源系统,发动机的一些附件如转向助力泵、水泵、冷却风扇、空调压缩机和气泵等可直接由新的电源系统驱动,从而减少空转消耗,提高能源利用效率。此外,上述部件还可从发动机中分离出来,减少发动机的部件数量,改进设计,提高发动机的效率。对于电动制动系统,由电源直接驱动,可省去液压或气压系统。

342V电源系统对汽车零部件的影响

新型42V汽车电源系统标准的实施将使汽车电器零部件设计和结构发生重大变革。某些部件将进行优化设计,某些部件将被淘汰,还将开发和生产一些新技术产品。

3.1对整车的影响

由于电源能提供足够的功率,本世纪汽车将采用网络技术、导航系统、车载计算机技术以及电动转向、电子制动、电子伺服制动和转向、电动水泵和燃油泵、电动座椅、电加热座椅、电加热三效催化转化器等新技术,并向智能化驾驶方向发展。3.2对发动机的影响

采用无凸轮轴电控气门配气相位电磁阀系统将取消凸轮轴、气门挺杆、气门摇臂、液压挺柱、正时齿轮等部件,大大简化发动机的结构。

3.3对电动机和电磁阀的影响

采用42V电源系统后,可使电动机和电磁阀质量降低20%左右。电磁阀的体积和质量随着电压的增加而成比例地减少,电动机的减少幅度相对小一些。较小的电动机可使车门减薄、座椅下空间增大、乘坐宽敞。

3.4对照明系统的影响

采用42V电压后,目前的前照灯不能采用,必须采用高强度放电灯;后灯也将采用氖气灯,以延长使用寿命。

3.5对电路开关和连接器的影响

电压提高后,导线的直径减少,线束在质量和体积上均减少。采用42V电源系统后,传统的机械式继电器、断电保护器、调节器将被淘汰,而广泛采用具有诊断能力和电路保护功能的多路传输控制系统。

(上接第23页)小的合金元素,开发抗晶

界氧化的渗碳齿轮钢;②对于受冲击作

用的重载齿轮,在基体钢有高的强度和

韧性的前提下,重要的是防止渗层裂纹

的形成,开发渗层高韧性齿轮钢;③由于

制造齿轮时需要进行大量切削加工,开

发易切削齿轮钢;④为了提高生产效率

和材料的利用率,降低切削加工费用,

开发精密锻造和冷镦齿轮钢;⑤为了进

行高温渗碳(>930℃),提高渗碳效率,

开发添加细晶元素铌、钒的细晶粒渗碳

齿轮钢。

2.2螺栓钢

汽车的高性能化和轻量化对制造各

类紧固件(如螺栓、螺钉等)使用的材料

提出更高设计应力和轻量化的要求。目

前一些汽车用螺栓甚至要求强度大于

1400MPa,但随着材料强度的提高,特别

是强度超过1200MPa时,延迟断裂就变

得十分突出。因此,抗延迟断裂高强度螺团<重型汽车>HEAVYTRucK2004.6栓钢的开发是当前国内外研究热点,并

开发出了一系列抗延迟断裂性能优良的

高强度螺栓钢,如F1本住友金属的ADS

系列、神户制铁的KNDS系列以及中国钢

铁研究总院的ADF系列等。

2.3高性能微合金非调质钢

20世纪70年代,德国THYSSEN钢公

司率先开发了中碳微合金非调质钢一析

出强化型铁素体一珠光体中碳锻钢

49MnVS3,用于制造汽车曲轴,其后,日本

等国也相继研制成不同牌号的钒系中碳

微合金非调质钢。微合金非调质钢是在

中碳钢中添加微合金元素(v、Ti、Nb),通

过控制轧制和控制冷却,在铁素体一珠

光体组织中弥散析出碳氮化物为强化

相,使之强度和硬度达到调质钢的水平,

而省略调质处理的钢种。

铁素体一珠光体型微合金非调质钢

韧性低,限制了其应用范围。为了提高非

调质钢的韧性,一方面在铁素体一珠光

体基体上,通过改变其化学成分和组织形

态,提高其韧性;另一方面,是改变基体的

组织,以提高其韧性。

2.4弹簧钢

汽车用弹簧钢主要分悬架用弹簧钢

和气门弹簧用弹簧钢,而悬架弹簧可分为

螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧。

目前,弹簧钢的发展趋势是高性能、

经济性和轻量化。减轻弹簧质量的主要

手段有弹簧的高强度化、改变弹簧的形

状和改变弹簧材料。由于弹簧的质量与

设计应力的平方成正比,所以减轻弹簧质

量最有效的方法是提高弹簧的设计应

力。为了提高弹簧的设计应力,需提高弹

簧钢的强度(硬度)。

3结束语

汽车材料技术的发展必须适应新一

代汽车产品发展的要求。汽车产品设计

者、材料工作者必须予以了解和研究,促

进产品开发与应用。

万方数据