汽車材料的輕量化前景分析

＊王 慧

（安徽省汽車工業(yè)學(xué)校 安徽 231131）

汽車材料的輕量化前景分析

＊王 慧

（安徽省汽車工業(yè)學(xué)校 安徽 231131）

隨著我國(guó)能源壓力的不斷加大，節(jié)能減排已經(jīng)迫在眉睫。在這樣的情況下，在能源需求中占有巨大比例的汽車行業(yè)也面臨著前所未有的壓力。汽車想要節(jié)能減排，減輕自身重量無疑是一個(gè)好方法。在本文中，作者將客觀分析汽車與能源壓力之間日益突出的矛盾,以及汽車制造材料輕量化發(fā)展的必然趨勢(shì)。此外，還將對(duì)一些主要的輕量化材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

汽車材料；輕量化；前景

1.汽車輕量化對(duì)汽車工業(yè)發(fā)展的意義

(1)有效地節(jié)能減排

經(jīng)過一系列的研究，專家得出結(jié)論：汽車的油耗與其整體的重量密切相關(guān)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的功率相當(dāng)?shù)那闆r下，汽車的重量越大，油耗也就越大。從這個(gè)角度來說，減輕汽車的重量也是降低其油耗的一個(gè)十分有效的方法。同時(shí)，汽車重量減少，還可以降低了大氣中二氧化碳以及其他污染物的排放量，從而有效提高大氣質(zhì)量，改善環(huán)境。

(2)有效提高汽車行駛過程中的安全性

汽車的重量減輕，則發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車整體所需要承擔(dān)的負(fù)荷就會(huì)比較小。在這樣的情況下，汽車在行駛過程中的安全性無疑可以得到更加可靠的保障。

(3)有效提高汽車性能

研究表明，汽車的重量減輕，對(duì)于汽車性能的提升也是一個(gè)很好的保障，具體說來，可以分為兩個(gè)方面：首先，汽車的重量減輕，可以使汽車加速需要的時(shí)間得到有效減少。其次，汽車重量的減少，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，減少故障的發(fā)生幾率。

2.汽車制造材料發(fā)展的輕量化趨勢(shì)

首先，隨著節(jié)能減排觀念的深入發(fā)展，汽車的輕量化已經(jīng)受到越來越多的重視。正因?yàn)槿绱?，目前世界上關(guān)于汽車輕量化的技術(shù)也取得了越來越大的進(jìn)步。其次，在汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展過程中，越來越多的新型材料正在被應(yīng)用于汽車的生產(chǎn)過程中。

3.車用高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的鋼材相比，鋁、鎂等輕質(zhì)合金材料密度更小，質(zhì)量更輕,因而在汽車的生產(chǎn)中的得到了越來越多的應(yīng)用。從某種程度上說，這些新材料的應(yīng)用已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的鋼材市場(chǎng)發(fā)出了挑戰(zhàn)。面對(duì)這樣的情況，世界上很多的鋼鐵企業(yè)迅速采取了一系列措施,開發(fā)出密度更小，強(qiáng)度更高的車用高強(qiáng)度鋼，以維護(hù)自身在汽車材料領(lǐng)域的主體地位。在1994年，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)在十八個(gè)國(guó)家中選取了三十五個(gè)較大的鋼鐵企業(yè)開展超輕鋼車身項(xiàng)目的研發(fā)。這種先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼是一種多相鋼，該組織主要由M和B組織按一定比例的組成，由于這種鋼材的曲幅比較低，因此具有更加優(yōu)秀的應(yīng)變硬化能力，更高的強(qiáng)度以及良好的成型性的匹配。在應(yīng)用了一些新的材料處理技術(shù)對(duì)這種鋼材進(jìn)行處理之后，就可以將其應(yīng)用于汽車制造之中。而在汽車制造中應(yīng)用這種鋼材，不僅可以保障車身的強(qiáng)度，而且可以降低車身的重量，這就意味著汽車生產(chǎn)中可以盡量避免使用一些更加難以獲取的材料，而在一定程度上達(dá)到降低汽車重量的目的。在這種情況下，車用高強(qiáng)度鋼材依然可以成為汽車制造的最理想材料。正是因?yàn)槿绱?，雖然一些更加優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)材料已經(jīng)開始參與了競(jìng)爭(zhēng)，然而車用高強(qiáng)度鋼材憑借其優(yōu)良的性價(jià)比，在將來的而是到三十年內(nèi)還將在汽車制造行業(yè)占據(jù)最重要的地位。與此同時(shí)，汽車中高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼的消耗量迅速增加，汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向等汽車部件的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大。從二十世紀(jì)九十年代的最后兩三年，車用高強(qiáng)度鋼材在汽車中的使用增加了150%以上，在不久的將來，車用高強(qiáng)度鋼材將在汽車制造中完全取代傳統(tǒng)鋼材。

4.其他車用輕質(zhì)材料的應(yīng)用

(1)鋁合金材料

在汽車制造行業(yè)中，鋁是最早得到應(yīng)用的一種輕質(zhì)的金屬材料,也是各種結(jié)構(gòu)材料中一種性價(jià)比較高且具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的車用輕金屬材料。無論從生產(chǎn)成本、零件質(zhì)量還是材料的利用率來看,鋁合金材料所具有的優(yōu)勢(shì)都十分明顯。此外，鋁合金材料的密度比較小,用鋁合金來替換傳統(tǒng)鋼鐵來生產(chǎn)一些汽車的部件,可以使汽車的整體重量得到有效減少。而且鋁合金材料還具有很高的回收率,僅次于鋼鐵,因而比較符合環(huán)保和資源可持續(xù)利用的要求。另外，鋁合金良好的加工性能,也在不斷的生產(chǎn)實(shí)踐中為越來越多的汽車生產(chǎn)企業(yè)所認(rèn)可。在當(dāng)今的汽車制造企業(yè)中,車用鋁合金材料中有70%以上都是鑄造鋁合金,而且主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件、傳動(dòng)系部件以及底盤行走系零部件。變形鋁合金材料則主要用于熱交換器系統(tǒng)、車身系部件等。預(yù)計(jì)在未來十年中，鋁合金材料在其中制造中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，甚至肯在汽車制造材料中占據(jù)舉足輕重的地位。而這一舉足輕重的地位，不僅表現(xiàn)在單輛汽車中鋁合金材料的比重，更表現(xiàn)在汽車制造行業(yè)整體的鋁合金材料利用率中。

(2)鎂合金材料

在當(dāng)下的工業(yè)生產(chǎn)中，鎂是能夠應(yīng)用到的最輕的金屬材料。隨著汽車排放法規(guī)的逐步完善，這種質(zhì)量更輕的金屬材料正在受到越來越多的汽車制造企業(yè)的關(guān)注。實(shí)驗(yàn)表明，鎂合金材料的密度僅僅相當(dāng)于鋁合金材料的66%左右,因此在降低汽車重量方面，使用鎂合金材料可以達(dá)到比鋁合金材料更好的效果。此外，鎂合金材料的強(qiáng)度也比較高,雖然其剛度比鋼材和鋁合金稍遜一籌,但是已經(jīng)足夠承受一定程度的負(fù)荷，將其應(yīng)用在一些不太緊要的位置上也不會(huì)對(duì)汽車的使用壽命造成危害。此外，在地球上已知的各種金屬中，鎂的出儲(chǔ)量還是比較大的，這也為其更廣泛地應(yīng)用提供了充足的保障。在汽車制造中應(yīng)用到的鎂合金材料多以壓鑄件為主,其中一種屬于非結(jié)構(gòu)性鑄件,應(yīng)用這種類型鑄件的零部件對(duì)于材料的抗沖擊性能要求不高，但要求加工的尺寸精確，且具有良好的密封性能,其主要包括變速箱殼、氣閥/凸輪罩蓋、離合器殼、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)罩、進(jìn)氣歧管和油底殼等。另外一種就是結(jié)構(gòu)性鑄件,這種材料可以比非結(jié)構(gòu)性鑄件承受更大的載荷,而且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能,主要包括方向盤、儀表板、座椅、車門框架、制動(dòng)/離合器支架、轉(zhuǎn)向柱部件和安全氣囊底座等。目前，在汽車制造企業(yè)中，應(yīng)用鎂合金材料制造的汽車零部件已經(jīng)達(dá)到接近七十種，即使保守估計(jì)也有六十余種，而且，在汽車制造行業(yè)中，鎂合金材料的應(yīng)用范圍已經(jīng)呈現(xiàn)出越來越廣的趨勢(shì)。而且隨著材料科學(xué)的發(fā)展，相信鎂合金材料的應(yīng)用潛力將會(huì)得到越來越深入的挖掘。然而與越來越大的鎂合金材料的需求量相比，鎂合金材料的制造工業(yè)的發(fā)展還有待加強(qiáng)，這也導(dǎo)致了鎂合金材料的價(jià)格比鋼材和鋁合金材料更貴，這在一定程度上限制了鎂合金材料的應(yīng)用。

(3)鈦合金材料

在各種車用輕量化材料中,鈦合金無疑更加吸引人們的關(guān)注。與其他材料相比，鈦合金材料的強(qiáng)度無疑更大，甚至可能超過一部分合金鋼。此外，鈦合金材料還具有更加強(qiáng)大的耐腐蝕性、抗氧化性以及高低溫性能，使之可以在一些惡劣的工作條件中保障汽車的性能。如果說在汽車制造行業(yè)中，哪種輕量化材料可以取代鋼材，那無疑就是鈦合金材料。然而，由于目前市場(chǎng)上的鈦合金材料價(jià)格偏高，對(duì)加工條件的要求也比較高，因此其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用范圍依然無法做到最大。正因?yàn)槿绱耍囆袠I(yè)中的科技人員一直在試圖研究出更加廉價(jià)的鈦合金材料，并通過改進(jìn)加工工藝降低鈦合金零件制造成本，從而達(dá)到降低鈦合金材料應(yīng)用門檻的目的。目前，在汽車制造過程中，很多需要承受高溫和高負(fù)荷，并需要具有抗氧化與抗腐蝕性能的零部件他依然在用鋼材生產(chǎn)，而與鈦合金相比，鋼材的各方面性能明顯處于劣勢(shì)。如果選用強(qiáng)度較高的鈦合金材料來生產(chǎn)這些零部件，就不僅能夠保證汽車的使用性能，而且可以更加有效地減輕汽車的重量。在汽車制造中，一般將高強(qiáng)耐熱鈦合金用來生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)、曲軸連桿機(jī)構(gòu)和底盤零件，例如氣門、氣門彈簧、凸輪軸、連桿、渦輪轉(zhuǎn)子和緊固件等。與鋼材相比，鈦合金材料的重量要少掉接近三分之一，因而具有更小的運(yùn)動(dòng)慣性，擁有更好的使用性能。在過去一段時(shí)間，鈦合金材料主要應(yīng)用于賽車的制造中，然而目前，鈦合金材料的應(yīng)用范圍已經(jīng)從逐步拓展到了批量生產(chǎn)的大眾用途汽車中，并且在未來有望在汽車制造領(lǐng)域中得到更加廣泛的應(yīng)用。

(4)塑料

與金屬材料相比，塑料更輕的質(zhì)量與更好的耐腐蝕性能，而且其成型工藝比較簡(jiǎn)單，價(jià)格也比較低廉，因而在汽車制造領(lǐng)域得到了越來越普遍的認(rèn)可與越來越廣泛的應(yīng)用。在汽車生產(chǎn)中，使用塑料來替換各種昂貴的有色金屬材料與合金材料，不僅可以大大提高汽車整體造型的美觀性和設(shè)計(jì)靈活性，而且能夠有效降低零部件加工、裝配與維修的難度和成本。最重要的是，使用塑料可以有效降低汽車的整體重量，減少汽車行使過程中的能耗。在當(dāng)下，有一種觀點(diǎn)已經(jīng)被越來越多的人所接受，即汽車中各種零部件的塑料化程度越高，則其汽車工業(yè)的發(fā)展水平也就越高，而越來越快的汽車輕量化趨勢(shì)無疑加快了汽車中各種零部件塑料化的發(fā)展速度。在目前，不僅傳統(tǒng)的座椅、內(nèi)飾等部位應(yīng)用了不少塑料部件，而且在一些汽車生產(chǎn)企業(yè)中，油箱、水箱、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋等組件也越來越多地開始使用塑料進(jìn)行制造。此外，汽車上保險(xiǎn)杠、導(dǎo)航設(shè)備、乘員安全保障工具等系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，也導(dǎo)致了塑料在汽車制造中的應(yīng)用越來越多，總而言之，在當(dāng)下的汽車制造企業(yè)中，車用塑料的應(yīng)用無論是用量還是品種都正在持續(xù)而高速地增加，以普通的小汽車為例，在上個(gè)世紀(jì)八十年代，每輛小汽車中塑料零部件的重量絕對(duì)不會(huì)達(dá)到汽車整體重量的十分之一，而到了九十年代初，小汽車中車用塑料的平均使用量就已經(jīng)可以占到整車質(zhì)量的十分之一左右了。而到了2000年左右，這一比例已快速擴(kuò)大到五分之一左右了。而未來，這一比重?zé)o疑將會(huì)繼續(xù)增大。

5.總結(jié)

由于目前我國(guó)的汽車數(shù)量越來越多，因此帶來了越來越嚴(yán)重的能源消耗與大氣污染問題。為了改善這一現(xiàn)狀，就必須進(jìn)行汽車制造的輕量化。目前，在汽車制造領(lǐng)域中，汽車制造輕量化的趨勢(shì)已經(jīng)越來越明顯，其發(fā)展前景也十分可觀。在汽車制造的過程中，使用車用高強(qiáng)度鋼材、鋁合金、鎂合金、塑料等材料來降低汽車整體的重量，不僅可以提高汽車的使用性能，降低油耗和環(huán)境污染，而且可以有效提高汽車行駛過程中的安全性。

[1]鄭暉,趙曦雅．汽車輕量化及鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．鍛壓技術(shù),2016(02)．

[2]趙君,彭慶豐,方運(yùn)舟,李敬華．輕量化及塑料玻璃在新能源汽車上的應(yīng)用分析[J]．合肥學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,01:57-61+79．

王慧（1983～），女，安徽省汽車工業(yè)學(xué)校，研究方向：機(jī)械制圖課程教學(xué)教研。

(責(zé)任編輯 高鎮(zhèn)峰)

Analysis of the Lightweight Prospect of Auto-material

Wang Hui

(Automobile Industry School of Anhui, Anhui, 231131)

With the constant increasing of China’s energy pressure, the issue of energy conservation and emissions reduction becomes extremely urgent. In such cases, the the auto industry, which covers a large percentage of the energy demand is also facing the unprecedented pressure. For the automobile, if we want to achieve the purpose of energy conservation and emissions reduction, reducing its weight is undoubtedly a good way. In this paper, the author will take an objective analysis of the increasingly prominent contradiction between automobile and energy pressure, as well as the inevitable developing trend of automobile manufacturing lightweight materials. In addition, the author will also make detail introduction of the current application situation of the main light weight materials in the automotive industry.

auto-material；lightweight；prospect

T

A