日本汽車新材料發(fā)展綜述

1、日本汽車新材料發(fā)展綜述時間:2009-12-19 10:10來源:汽車與配件 作者:王建萍     近年來隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題和環(huán)保問題日益受到人們的關(guān)注，汽車行業(yè)面臨一系列新的問題。諸如，一方面汽油價格在不斷地創(chuàng)新高，安全法規(guī)越來越多，汽車排放指標(biāo)的更新版本在不斷地發(fā)布，另一方面全球化競爭愈演愈烈，降低汽車成本壓力越來越大。面對這些課題，人們對新材料技術(shù)研發(fā)寄予了厚望。近年來日本汽車行業(yè)在材料技術(shù)研發(fā)方面，諸如鋼鐵、有色金屬、非金屬等，出現(xiàn)了一些新的動向。 鋼鐵材料 1.鋼板材料 車身與底盤的輕量化對于提高燃油經(jīng)濟(jì)性和削減C

2、O2具有重要意義。目前，解決該問題的有效手段是使用具有高撞擊安全性的高強(qiáng)度材料。 從車身高強(qiáng)度材料的應(yīng)用情況來看，汽車外板如發(fā)動機(jī)罩、車門、行李箱、側(cè)圍外板等處已經(jīng)應(yīng)用了340MPa級烘烤硬化型鋼板(以下稱為BH鋼板)和440MPa級高強(qiáng)度材料。車身骨架部件目前流行使用440MPa和590MPa級高強(qiáng)度材料。590MPa級高強(qiáng)度材料大體分為析出硬化鋼、雙相鋼(以下稱為DP飲)和相變誘導(dǎo)塑性鋼(以下稱為TRIP鋼)三種。DP鋼比析出硬化鋼的屈服強(qiáng)度低、延伸性高；TRIP鋼比DP鋼的延伸性高、能量吸收性能好。另外，還有一部分780MPa級和980MPa級的高強(qiáng)度材料也被應(yīng)用，780MPa

3、級高強(qiáng)度材料主要使用DP鋼和TRIP鋼，980MPa級的高強(qiáng)度材料主要使用DP鋼。另外，隨著高頻淬火和熱沖壓成型技術(shù)等新的熱處理技術(shù)的應(yīng)用，零部件高強(qiáng)度化技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。熱沖壓成型技術(shù)就是對加熱的鋼板進(jìn)行沖壓的同時還進(jìn)行冷卻淬火，這樣零部件抗拉強(qiáng)度可達(dá)1470MPa。 汽車行駛部位的部件形狀復(fù)雜，強(qiáng)度要求高，焊接性能要求也很高，所以高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用很困難。但是近年來人們?yōu)榱颂岣叱尚涡裕_發(fā)了TRIP鋼；為了提高擴(kuò)孔加工性，開發(fā)了貝氏體鋼；為了確保焊接接頭疲勞強(qiáng)度，開發(fā)了耐HAZ(保持熱影響區(qū)性能)的軟化鋼板，其強(qiáng)度為590MPa級，有的可達(dá)780MPa。 以前汽車的耐腐蝕

4、鋼板多為各種鍍鋅鋼板，近年來，熱浸鍍鋅銅板(GA)成為了主流。為了提高沖壓成形性，對GA上敷覆無機(jī)類或有機(jī)類起潤滑作用的氧化膜，該工藝得到了推廣應(yīng)用。人們還進(jìn)一步開發(fā)了耐腐蝕性好的Zn-ALMg鍍鋅板，主要為了省略后面的電鍍工序，這已在汽車上得到了廣泛應(yīng)用， 在環(huán)保方面，由于EU-ELU對報廢汽車的規(guī)定)對特定的環(huán)境污染物進(jìn)行了使用限制，人們開發(fā)了無六價鉻表面處理技術(shù)代替以往的電鍍鋼板中使用含有鉻酸鹽“鈍化”處理的六價鉻。油箱鋼板不應(yīng)含Pb，所以現(xiàn)在不再使用過去的Pb-Sn合金電鍍鋼板而采用Sn-Zn電鍍鋼板、鍍鋁鋼板。 混合動力車實現(xiàn)了提高燃油經(jīng)濟(jì)性和輕量化的目的，隨著技

5、術(shù)的進(jìn)步，驅(qū)動電機(jī)的鐵芯材料即電磁鋼板的需求量越來越大，與此同時，要求驅(qū)動電機(jī)小型輕量化、高效率化，為此有必要開發(fā)最優(yōu)性能的電磁鋼板及其應(yīng)用技術(shù)。 2.結(jié)構(gòu)用鋼 結(jié)構(gòu)用鋼大多用于發(fā)動機(jī)、變速器、底盤等強(qiáng)度要求高的部件上，它們不僅需要低成本、高強(qiáng)度、輕量化，而且還需要環(huán)保。發(fā)動機(jī)的連桿、曲軸等部件通過省略熱處理而降低制造成本，廣泛應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼，并且還在向更高強(qiáng)度化發(fā)展。 曲軸由于在軸頸圓角處進(jìn)行了高頻淬火，增加了強(qiáng)度。這樣我們可以用低成本的鋼材而獲得較高強(qiáng)度的性能。漲斷式連桿的大頭不進(jìn)行機(jī)械加工，而進(jìn)行漲斷分離加工，貼合也非常好。自動變速器內(nèi)一些零件要求耐磨性和高疲

6、勞性能的材料。另外還探討使用新材料、高濃度滲碳、噴砂等新工藝。差速器齒輪過去使用CrMo鋼，而現(xiàn)在添加了B進(jìn)行晶界強(qiáng)化，還開發(fā)了低循環(huán)疲勞強(qiáng)度高的鋼材。 在環(huán)保方面，歐洲比較流行使用低壓滲碳、氣體淬火技術(shù)。為了減少環(huán)境污染物，還開發(fā)了無鉛材料。 3.不銹鋼 由于不銹鋼的耐熱性和耐腐蝕性好，所以被用于發(fā)動機(jī)和排氣系統(tǒng)的部件上。對于單層排氣管，鐵素體不銹鋼是最佳的選擇。隨著排氣溫度的不斷上升，它既能滿足小型復(fù)雜零部件的耐熱性，還具有良好的加工性。對于薄壁化結(jié)構(gòu)的雙層排氣管，添加REM(稀土金屬)的奧氏體不銹鋼是最佳的選擇。它既能提高耐熱性，又能使催化劑早期地活性化。目

7、前這些技術(shù)都處在實用化階段。 4.鑄鐵材料 鑄鐵廉價且形狀設(shè)計自由度大、切削性好，對于復(fù)雜形狀的部件，控制化學(xué)成份和組織，可以帶來優(yōu)良的特性(高強(qiáng)度、高耐熱性、高耐磨損性)。常應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的缸體、曲軸、凸輪軸和排氣管等處。缸體的輕量化除了使用鋁鑄件，還使用蠕墨鑄鐵，控制熔化過程的石墨組織，使之付予一定的性能，同時應(yīng)考慮輕量、高強(qiáng)度、高韌性。 一體化的渦輪殼和排氣管的鑄件采用了耐熱不銹鋼鑄件，它是通過真空吸鑄來達(dá)到薄壁化。 在底盤部件中，鈑金焊接件也換成了一體結(jié)構(gòu)的薄壁球墨鑄鐵，如搖臂類部件。 過去由于鑄鐵焊接困難，所以把價格昂貴的鋼鑄件與橋殼進(jìn)

8、行焊接，而現(xiàn)在的做法是在鑄造時，把球墨鑄鐵與鋼進(jìn)行結(jié)合，從而達(dá)到低成本和輕量化的目的，這樣的橋殼已處在實用化階段。 5.鐵基粉末冶金材料 由于粉末；臺金的設(shè)計形狀自由度較大，認(rèn)為可以替換鋼材?？捎糜跉忾T座和氣門導(dǎo)桿。近年來壓粉磁芯材料應(yīng)用較為廣泛，電機(jī)芯子通過增大形狀自由度來達(dá)到小型化，并且回收利用性高。噴射器的定子鐵芯通過高密度成形技術(shù)可提高其性能。為了提高機(jī)械性能，人們在研究使用液相燒結(jié)來使物質(zhì)迅速擴(kuò)散的方式，代替過去添加Cu、Mo、M合金元素的方式。 制造工藝的動向是：提高致密度，改進(jìn)成形方法，現(xiàn)已應(yīng)用在發(fā)動機(jī)的鏈輪和噴射器轉(zhuǎn)子鐵芯上。還有一種方法是燒結(jié)擴(kuò)散

9、結(jié)合法，就是多數(shù)部件在燒結(jié)的同時進(jìn)行焊接的方式。 有色金屬材料 1.鋁合金 鋁合金的比重為2.7，是鐵的1/3，與其它材料相比，輕量化效果好，成本較低，耐腐蝕性和回收利用性也好，被廣泛地應(yīng)用于發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、車身和底盤部件。 鋁合金分為鑄件、鍛件、板材和軋制件，汽車上所用的鋁合金主要是鑄件。鑄件的主要制造方式有重力鑄造、壓鑄、低壓鑄造和液鍛。尤其是壓鑄鋁合金，尺寸精度和生產(chǎn)率很高。鋁合金常應(yīng)用在缸體、缸蓋、變速器殼和接頭上。主要的難點是容易產(chǎn)生氣孔，目前的措施是使用真空壓鑄。過去副車架的做法是把液壓成形鋁制管子與沖壓成形的多片鋁制板焊接在一起，而現(xiàn)在副

10、車架是一體化結(jié)構(gòu)。再加上，真空壓鑄橫粱與熱膨脹橫梁之間進(jìn)行了金屬極惰性氣體保護(hù)焊，副車架的零部件數(shù)和焊接長度也比過去減少了。 要想鑄造高質(zhì)量的厚壁部件，一般使用半凝固半熔化鑄造法。歐美一般使用半熔化鑄造法，需要進(jìn)行鋼坯預(yù)制、剪切和再加熱。日本是直接從熔化鐵水制作半凝固泥漿來進(jìn)行鑄造，目前已應(yīng)用在盤式制動鉗和缸體上。 鍛件機(jī)械性能比鑄件好，廣泛地應(yīng)用于懸架臂和轉(zhuǎn)向節(jié)等零件，目前的問題是成本高。要想降低鍛造毛坯的成本，通過添加微量元素，改善冶煉工藝提高表面質(zhì)量，開發(fā)無清理工序的鋼坯。 近年來日本許多廠家使用鋁制車身、車門。要想降低鋁材的成本，就要開發(fā)含雜質(zhì)容許值高的、

11、低成本基體金屬的連續(xù)鑄造材料，目前已被應(yīng)用在發(fā)動機(jī)罩加強(qiáng)件上。超塑性成形工藝以前只用于小批量生產(chǎn)的高檔車上，目前通過提高生產(chǎn)率和改善材料成本、提高成形性被應(yīng)用到了批量生產(chǎn)車上。 副車架現(xiàn)在采用在高溫下膨脹成形，使復(fù)雜形狀的成形成為可能。 2.鎂合金 鎂合金的比重是7.8，比鋁合金輕23，強(qiáng)度和剛性也很好，作為輕量化材料一直倍受人們的關(guān)注。但是除壓鑄外，其它的各種成形適應(yīng)性差，再加上耐腐蝕性差、基體金屬成本高、耐熱性差，應(yīng)用上受到了局限。通過減少雜質(zhì)可以大幅度提高耐腐蝕性，其實它并不比鋁合金壓鑄遜色。 從目前日本國內(nèi)汽車部件的應(yīng)用狀況看，壓鑄性能和耐腐蝕性

12、能好的AZ91D合金主要應(yīng)用在缸蓋和各類密封墊上，延性好的AM類合金(AM50A，AM60B)主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)向器芯棒上。大多應(yīng)用于沒有腐蝕性和環(huán)境溫度不高的小部件上。歐美的情況是，應(yīng)用在儀表板骨架和有耐熱性要求的驅(qū)動部件的罩類上。 近年來，日本國內(nèi)鎂合金應(yīng)用在座椅和儀表板骨架等大部件的情況已進(jìn)入了實用化階段。在鎂合金中添加Ca和稀土元素，提高其耐熱性，目前已開始應(yīng)用在機(jī)油盤殼和變速器殼上。如果耐熱鎂合金部件的成本進(jìn)一步降低的話，應(yīng)用范圍還會更加廣泛。 除鑄造成形工藝外，還有鍛造、擠壓、軋制和焊接的新工藝也處在研究開發(fā)之中，今后研究成果將層出不窮。非金屬材料 1.陶瓷

13、材料 陶瓷中分為氧化類、非氧化類、燒結(jié)體、膜和纖維材料等，從特性上來分，分為工程機(jī)械陶瓷和電陶瓷。 工程機(jī)械陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高剛性、耐熱性和耐磨性等機(jī)械特性。主要應(yīng)用在汽車以氮化硅為材料的渦流增壓器轉(zhuǎn)子、柴油發(fā)動機(jī)的渦流室、燃油噴射泵的滾輪和滾輪襯套上。 電陶瓷材料具有高絕緣性、高傳熱性和壓電特性。氧化鋁陶瓷應(yīng)用在火花塞上，氧化鋯應(yīng)用在排氣控制不可缺少的氧傳感器上，壓電材料應(yīng)用在門鎖控制中的車速傳感器上。 2.塑料材料 塑料材料由于造型容易、重量輕、成本低而受到汽車行業(yè)的青睞，尤其是形狀變化自由度大，過去主要用于汽車的內(nèi)外飾造型部件上，而現(xiàn)

14、在的趨勢是用在使用條件苛刻的功能部件上。隨著“汽車回收再利用法”的出臺和環(huán)保意識的加強(qiáng)，人們開始使用環(huán)保的生物分解性塑料(聚乳酸)，該材料便于回收再利用，并且人們按照回收再利用流程對材料的種類進(jìn)行整合。 (1)外裝部件：聚丙烯(PP)類材料的性價比好，而且剛性高，耐撞擊性好。為了滿足個別部件的造型性和耐撞擊，在外延翼子板、包層鋼板、搖臂、后圍板上采用了與保險杠相同的材料。 雖然聚酰胺(尼龍)聚苯醚(PAPPO)類的工程塑料是發(fā)展的主流，但是聚碳酸脂(PP)類通用塑料的開發(fā)也正在進(jìn)展之中。PC材料的遮陽板、側(cè)窗玻璃的樹脂化研究也在進(jìn)行中，一部分部件已被應(yīng)用。提高抗劃傷性和耐氣

15、候性是今后的課題，隨著表面處理技術(shù)的提高，今后應(yīng)用將更加廣泛。 外裝部件具有代表性的新技術(shù)是“干漆膜”(采用熔融樹脂注塑成型法的已成型漆膜作為嵌入件)，又稱為“壓入著色薄膜(將聚丙烯共聚物注塑在壓入著色膜的背面)”和材料著色技術(shù)，一部分部件已進(jìn)入了實用化階段。為了提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)一步降低成本，低壓成形技術(shù)、一體成形技術(shù)和發(fā)泡成形技術(shù)等新的制造工藝層出不窮，與之相匹配的新材料開發(fā)也在進(jìn)行之中。 (2)發(fā)動機(jī)部件：PA(聚酰胺)、POM(聚甲醛)、PPS(聚苯硫醚)等工程塑料大多應(yīng)用在使用條件惡劣的發(fā)動機(jī)艙內(nèi)。對缸蓋、進(jìn)氣歧管、散熱器用塑料，人們大多采用具有耐熱性和剛性

16、好的玻璃纖維增強(qiáng)的PA66和PA6。部件數(shù)較多的發(fā)動機(jī)，為了減輕其重量，工程師們正在研究一體化部件，這種材料一般用于汽車的前端模塊、風(fēng)扇罩和節(jié)氣門等處。 (3)其它：對于燃油系統(tǒng)的油箱，為了加大燃油器內(nèi)空間和滿足防銹性和輕量化需求，人們廣泛地采用多層結(jié)構(gòu)吹塑成形的高密度聚乙烯(PF)。對于底盤和驅(qū)動系統(tǒng)的部件，其球接頭采用滑動性能好的POM，齒輪部件采用PA66。電裝部件采用絕緣性好的PBT(聚雙苯二甲酸丁二醇酯)，比如插座處采用該材料。 3.內(nèi)飾材料 考慮到內(nèi)飾塑料材料的回收再利用性、輕量化和成形性，PP類樹脂的應(yīng)用越來越廣泛。然而，從設(shè)計和成形方面考慮又對其種

17、類進(jìn)行了整合。 以前儀表板表皮采用聚氯乙烯(PVC)，發(fā)泡層采用聚氨酯(PU)，基材采用ASG(玻璃纖維強(qiáng)化AS樹脂)。目前考慮到環(huán)保，表皮不使用PVC而使用熱塑性聚氨酯(TPU)或熱塑性聚烯烴(TPO)，基材使用PP類材料。 對于車門內(nèi)飾，對PP類基材進(jìn)一步施加了輕量化技術(shù)，即通過化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行噴射發(fā)泡。由于CO2的排放導(dǎo)致地球的溫室效應(yīng)，為了實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，將來采用以植物為原料的塑料(生物塑料)件來代替石油類的塑料件。 為了提高汽車室內(nèi)空氣質(zhì)量，減少VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)是很有效的手段。內(nèi)飾部件對室內(nèi)空氣質(zhì)量影響很大，所以選擇材料非常重要，還要考慮涂裝和表皮

18、粘結(jié)技術(shù)(材料及工藝)。 4.橡膠材料 針對汽車的揮發(fā)性物質(zhì)，2004年由LEVII進(jìn)行法規(guī)約束，2005年以后開始由P-ZEV進(jìn)行法規(guī)約束，因此，燃油管開始使用氟樹脂，密封墊開始采用氟橡膠(材料的低溫性能比過去高)。一方面使用共軌柴油系統(tǒng)來提高燃油溫度，另一方面使用氟橡膠來提高耐熱老化性和耐酸性。另外，由天然氣制取生物燃料(GTL)、DME(二甲醚)和高濃度乙醇已受到了人們的關(guān)注，與各種燃料相對應(yīng)的材料開發(fā)還在不斷進(jìn)行。歐洲的柴油車比較多，因此耐高溫渦輪增壓器軟管使用的橡膠比較多。在燃料電池和蓄電池方面，更多地采用耐水、耐酸、密封性好的橡膠材料。另外，制動軟管也使用耐久性

19、和制動感好的低膨脹材料。 對于風(fēng)擋玻璃膠條，由溶劑型表面處理劑改為水系表面處理劑。 對于輪胎，模擬設(shè)計技術(shù)與硅橡膠的有機(jī)配合使汽車油耗得到了降低，目前采用的新型缺氣保用輪胎在零氣壓狀態(tài)下也能運行幾十公里。另外，各公司不斷地推出新的生產(chǎn)系統(tǒng)，即通過小型設(shè)備滿足多品種少批量生產(chǎn)要求，它不僅能提高輪胎的均勻性和平衡性，還能節(jié)省能源、提高生產(chǎn)效率。 在研究和分析領(lǐng)域中，還使用3D-TEM(三維穿透電子顯微鏡X線斷層照相術(shù))、AFM(原子之間的力顯微鏡)和毫微加工技術(shù)。還在粘土的混合(clayhybrid)、納米混合(nanoblend)和納米能變(nanorhe-ology)等方面進(jìn)行研究。 5.玻璃 隨著汽車安全性的提高，除了使用鋼化玻璃、防止飛散的夾層玻璃外，還給汽車部件賦予了新的功能。比如：下雨天，所附著的水滴形狀均勻且具有很高滑落性的不粘水玻璃、夏天車內(nèi)溫度升高，太陽直射到皮膚上讓人感到不舒服，可切斷紅外線照射的舊玻璃、防曬和防止內(nèi)飾材料老化的可切斷紫外線的UV玻璃。尤其是在下雨天，為了確保良好的視野，給車門后視鏡賦予了憎水性能和親水性能，給車門玻璃賦予了憎水性能。由于考慮到材料的可回收性，采用了無鉛層，在夾層玻璃的中間膜處采用可回收再利用的新技術(shù)。