輕金屬和輕量化材料在汽車中的實(shí)際應(yīng)用

袁金磊

摘 要：在汽車制造業(yè)的發(fā)展歷程中，新材料以及新技術(shù)具有十分重要的作用。而在汽車制造的生態(tài)、環(huán)保、綠色發(fā)展道路下，汽車輕量化是一種重要的發(fā)展趨勢(shì)。通過輕金屬或者輕量化材料的應(yīng)用，替代傳統(tǒng)的鋼材，是汽車輕量化發(fā)展的重要方向。本文對(duì)輕金屬和輕量化材料在汽車中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：輕金屬;輕量化材料;汽車;實(shí)際應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.051

在當(dāng)前時(shí)代背景下，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，生態(tài)、綠色、環(huán)保的發(fā)展道路逐漸成為各個(gè)行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)，汽車制造業(yè)也不例外。結(jié)合企業(yè)輕量化發(fā)展的需求來看，除了輕金屬以及輕量化材料替代傳統(tǒng)鋼材外，還需要對(duì)制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，解決實(shí)際應(yīng)用中存在的技術(shù)難題。而汽車制造業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)需求，還需要從制造的性能、汽車的功能、資源的耗損以及輕量化的趨勢(shì)等方面進(jìn)行考慮。

1 汽車制造材料的現(xiàn)狀

在我國早期的汽車制造中，所選用的材料大多是質(zhì)量大、密度高的材料。近些年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車產(chǎn)業(yè)得到了高速發(fā)展。與此同時(shí)，更加安全、環(huán)保、節(jié)能的汽車越來越受到消費(fèi)者的青睞，同時(shí)也成為汽車制造的重要發(fā)展方向。受到汽車制造的這一目標(biāo)以及大規(guī)模生產(chǎn)需求的影響，汽車制造材料逐漸向低密度、輕金屬材料轉(zhuǎn)型。但鑒于輕量化材料在替代傳統(tǒng)鋼材過程中仍然存在較多的技術(shù)難題以及市場(chǎng)挑戰(zhàn)，如工藝問題、成本問題以及新材料應(yīng)用伴隨的風(fēng)險(xiǎn)等，現(xiàn)階段汽車制造的主要材料仍然是以鋼材為主。由于鋼鐵具有工藝性能好、使用性能強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，在汽車制造業(yè)中，一直是應(yīng)用最為廣泛的工程材料。

除鋼鐵材料外，輕金屬在汽車制造中也具有較為廣泛的應(yīng)用，如鋁合金材料等。鋁合金材料具有強(qiáng)度高、比重小、耐腐蝕、性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，主要用于車身、車輪以及熱交換器等部分。而鋅合金、鎂合金以及鈦合金等輕金屬材料，雖然在汽車制造行業(yè)中取得了一定的發(fā)展，但受限于工藝水平等因素，要取代傳統(tǒng)鋼材，仍然還有很多問題需要解決。

2 常見金屬以及輕量化材料的實(shí)際應(yīng)用

2.1 高強(qiáng)度鋼板

高強(qiáng)度鋼板實(shí)質(zhì)上是對(duì)鋼板材料的一種改良，通過提高鋼板的強(qiáng)度以及性能，達(dá)到減少材料的用量的目的，最終實(shí)現(xiàn)汽車制造的輕量化需求。就高強(qiáng)度鋼板的實(shí)現(xiàn)機(jī)理來看，主要包括析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、烘烤硬化等。高強(qiáng)度鋼板中，雙相鋼是一種較為常用的材料，由鐵素體以及馬氏體相組織組成，具有較高的強(qiáng)度以及良好的沖壓性能，主要用于汽車結(jié)構(gòu)件以及安全部件的制造。此外，復(fù)相鋼也是一種較為常用的材料，此種鋼材的強(qiáng)度大，主要用于汽車車門防撞桿、中立柱以及保險(xiǎn)杠等部件的制作。除了上述兩種材料，誘導(dǎo)塑性鋼也具有較好的發(fā)展?jié)摿?，是汽車制造材料研究以及未來發(fā)展的重要方向。以相變誘導(dǎo)塑性汽車用鋼為例，Zackay等人在研究高合金奧氏體不銹鋼時(shí)首次揭示了相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)，根據(jù)這一效應(yīng)生產(chǎn)的TRIP鋼，在汽車制造中得到了應(yīng)用，而得益于對(duì)TRIP鋼相關(guān)影響因素進(jìn)行的調(diào)控措施，TRIP鋼的性能持續(xù)提高，逐漸滿足了第三代汽車用薄板鋼的性能要求。

2.2 鋁、鎂合金

與鋼材相比，鎂、鋁合金的密度更低，更加符合汽車輕量化發(fā)展的實(shí)際需求，被稱為汽車減重最具潛力的輕量化材料之一。以下分別對(duì)鋁合金以及鎂合金在汽車制造中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

鋁合金是制造工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在機(jī)械制造、汽車制造乃至航空航天領(lǐng)域都具有大量的應(yīng)用實(shí)例。而隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)需求也更加多元化。

鎂合金材料具有強(qiáng)度高、散熱性好、彈性模量大、密度小、消震性好等特點(diǎn)，與鋁合金相比，鎂合金材料可承受的沖擊載荷能力更大，且對(duì)有機(jī)物以及堿性物質(zhì)的耐腐蝕性較好。鎂合金材料主要用于航空航天領(lǐng)域、運(yùn)輸領(lǐng)域以及化工領(lǐng)域等，是實(shí)用金屬中最輕的金屬之一。針對(duì)現(xiàn)代汽車制造行業(yè)，鎂合金材料能夠運(yùn)用到汽車各個(gè)重要零部件的制造中，而隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)階段的生產(chǎn)工藝，已經(jīng)能夠制造出形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特殊的薄壁鎂合金車身零件。此外，在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，鎂合金材料的應(yīng)用，能夠在一定程度上確保汽車性能的穩(wěn)定性，延長各個(gè)零部件的使用壽命。

2.3 泡沫金屬

泡沫金屬是含有泡沫氣孔的一種特種金屬材料，通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了隔熱性能以及隔音性能的提升，降低了材料的密度，同時(shí)還具有吸收電磁波等特點(diǎn)。就汽車制造業(yè)的實(shí)際情況來看，大量的金屬材料消耗是亟待解決的問題之一，雖然目前可生產(chǎn)的不同性能的鋼材已超過2500種，有色金屬材料也已達(dá)到上千中，但仍然不能滿足汽車制造的實(shí)際需要，尤其是輕量化汽車的制造。而泡沫金屬材料的出現(xiàn)，則為這一問題提出了有效的解決方案。一旦汽車用泡沫金屬研制成功，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，將成為取代鋼材的最佳材料。與傳統(tǒng)鋼材相比，泡沫金屬零件以薄鋼外表與泡沫金屬中心構(gòu)成，使得汽車結(jié)構(gòu)材料更具韌性以及堅(jiān)固性，極大的提高了汽車的安全性、舒適性以及可靠性。

2.4 鈦合金

鈦合金材料具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)，主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件以及火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件制作。在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用中，鈦合金主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的制作。此外，打造鈦合金車身，將使得整個(gè)汽車可承受更大的作用力，極大地提高了汽車的安全性。但鈦合金的實(shí)際應(yīng)用存在較大的難題，如制造成本問題等，其實(shí)際應(yīng)用也僅限于賽車制造等。

3 結(jié)語

在汽車制造業(yè)迅猛發(fā)展以及環(huán)境問題、能源問題日益突出的大背景下，汽車制造的輕量化發(fā)展成為重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。在保證汽車碰撞安全性的情況下盡可能減輕車身的整體質(zhì)量，提高汽車的動(dòng)力，是輕量化材料取代傳統(tǒng)鋼材的重要前提，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型汽車制造的重要途徑。結(jié)合當(dāng)前輕量化材料在汽車制造中的應(yīng)用來看，仍然需要對(duì)輕量化材料的機(jī)械穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性等作進(jìn)一步研究，對(duì)制造工藝等作進(jìn)一步優(yōu)化。而隨著研究的不斷深入以及實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，汽車的輕量化發(fā)展必將成為現(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑛喆，劉傳值，汪俊辰.輕金屬材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2017，48（07）：139.