金屬材料在現(xiàn)代汽車制造中的應用及發(fā)展方向

金屬材料在現(xiàn)代汽車制造中的應用及發(fā)展方向現(xiàn)代車用金屬材料發(fā)展方向近年來，工業(yè)發(fā)達國家對汽車的發(fā)展提出了節(jié)約能源、防止環(huán)境惡化和改進汽車安全性等幾個主要目標。這些目標的提出反映了當今的汽車存在著下述問題：消耗燃油過多，使地球的剩余石油儲量和供應告急，汽車發(fā)展業(yè)已遇到了能源上的制約因素汽車排放廢氣過多，廢氣的有害成分危及大氣環(huán)境，對城市特別不利，這也是地球氣候變暖的重要因素之一；此外，汽車報廢量大，每年報廢車輛的物資回收不完全，致使汽車廢棄物嚴重污染了環(huán)境，這使汽車的發(fā)展又已遇到環(huán)保上的制約因素；汽車使用中事故頻發(fā)，危及行人及乘客的生命、健康，這又使汽車的發(fā)展也遇到安全上的制約因素?？沙掷m(xù)發(fā)展涉及面極其廣闊，諸如人口、資源、工業(yè)、農(nóng)林牧漁業(yè)、城市發(fā)展等等，無所不包，而汽車以其在現(xiàn)代社會中的重要作用，也處處遇到這個主題。尋求汽車業(yè)可持續(xù)發(fā)展通路，克服制約其發(fā)展的障礙，是汽車發(fā)展和汽車材料技術開發(fā)的重要動力和追求目標。隨著科學技術的飛速發(fā)展現(xiàn)代汽車制造材料的構成發(fā)生了較大的變化高密度材料的比例下降，低密度材料則有較大幅度的上升，可以說，從90年代開始，汽車材料已逐步向輕量化、節(jié)省資源、高性能和高功能方向發(fā)展。常見車用鋼材長期以來，鋼鐵一直是制造汽車的主要材料，在汽車用鋼中，合金鋼比例較高。國外不少汽車采用含Cr、Ni、Mo等元素的結構鋼和含Co量很高的永磁材料，但這些資源都較稀缺，節(jié)約合金資源成為指導汽車材料開發(fā)和應用的方針之一。構成汽車的零件約有兩萬多個，在這些零件中，使用了各種各樣的材料。其中86%約是金屬材料，而在金屬材料中，鋼鐵材料占了80%。90年代，日本汽車制造業(yè)對鋼鐵材料的消費中冷軋薄板占37%，熱軋薄板占33%，特殊鋼占24%；另外鋁鑄材料的83%都是用于汽車制造上這對日本經(jīng)濟界的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。鋼鐵材料的理論強度約為14000MPa,直徑為1~2問的鐵單晶體試棒可接近這個理論強度，但實際使用材料的最大強度只有2000MPa。從宏觀上看是由于材料的缺陷，從微觀上看是由于結晶的缺陷，所以，為得到強度高而便宜的鋼鐵材料，應盡量進行各種各樣的研究，減小這些缺陷。汽車的車體鋼板，以前使用的是容易成型的軟質鋼材。為適應輕量化的需求，后來開發(fā)了高張力鋼板。這種鋼板具有成型性好、強度高，板材薄的優(yōu)點。高張力鋼板是在原有鋼板基礎上添加固溶強化型元素硅、錳等和析出強化型元素鈮、鈦等，并在退火爐內連續(xù)退火得到的。它有著屈服點低、復合成分多的特點。車身外板使用最多的是加磷的抗拉強度為350?4OOMPa的鋼板，轎車上使用的20%?50%都是高張力鋼板。目前正在進行將以前鑄造的一體成型的發(fā)動機氣缸體改為鋼板沖壓成型的研究，這樣可大幅度減輕汽車重量，制成輕量化（約33%）的鋼板制氣缸體。另外，為實現(xiàn)高功率輸出、輕量化、降低噪聲等的需要，人們對驅動系統(tǒng)齒輪提出了嚴格的質量要求，期望其強度好，熱處理變形小。為達到這一要求，在鋼鐵材料的制造過程中，采用了連續(xù)鑄造法。這種方法跟以前的鑄錠法相比，具有冷卻速度快、成分偏析少的優(yōu)點，它與制鋼時的真空脫氣技術組合，可以滿足對齒輪強度的要求。進而，縮小對熱處理變形影響大的鋼的淬透性的偏差，制造出高品質的連續(xù)鑄造鋼成為新的目標?，F(xiàn)在鑄造的鋼可將日本工業(yè)標準規(guī)定的淬透性規(guī)格限制在1/3上。除此以外，連續(xù)鑄造法還具有提高制鋼材料利用率和降低能耗的優(yōu)點，且因制造工藝合理也使成本降低了。降低成本和提高質量是同等重要的課題，降低成本主要有兩個手段：一是減少合金元素的添加量和降低替代材料的成本。例如，可將價高且不穩(wěn)定的含Mo的Cr?Mo鋼換成鉬添加量只有其一半的半Mo鋼和硼鋼。二是降低零件制造成本。在這里，為降低零件制造所消耗的能源，采用了非調質鋼；為提高加工能力，采用了易切削鋼。因非調質鋼添加了釩，控制了熱鍛后的冷卻速度，省去了淬火、回火的熱處理，故確保了強度。它可部分使用在汽車的曲軸、連接件、FF車的車輪上，而且用途可望得到進一步擴大。另外，由于易切削且強度低而用于齒輪的低鉛、易切削鋼是一種新的易切削鋼材。它可用于小型車的變速器，并具有降低制造成本的效果。鋼板鋼板是汽車制造中耗量最大的材料品種。我國中型載貨汽車的鋼板消耗量約占整車全部鋼材消耗量的50%或稍多，日本的中型載貨汽車也在相當水平。對轎車來說，每車鋼板消耗量則占整車全部鋼材消耗量的70%以上。德國汽車鋼板平均用量占整車質量的45%，英國、日本的這一比例分別為30%和36%。鋼板主要發(fā)展方向是高強度化、高防銹能力、好的加工性能和減振性能。高強度鋼板在車身上的應用始于70年代初期，20多年來高強度鋼板的應用取得了長足的進展?，F(xiàn)在日本乘用車上高強度鋼板的消耗達到30%?40%，而載貨車駕駛室則較低，為5%?10%。在高強度鋼板方面，含磷鋼板、烘烤硬化鋼板（BH鋼板）、雙相鋼板（DP鋼板）己經(jīng)得到了實際應用。含磷鋼由于利用了P的固溶強化，抗拉強度一般在340?460MPa，其沖壓、焊接、涂裝等加工性能優(yōu)良，在車身內、外板上均有廣泛使用。BH鋼是通過適當?shù)耐嘶鸸に嚳刂乒倘蹸原子數(shù)量，達到?jīng)_壓前低屈服強度，從而使成形和烘烤過程中屈服強度增高40?80MPa的高強度鋼種，其主要特點是抗凹陷性好，用于加工車身外板。DP鋼通過適當?shù)丶尤牒辖鹪睾涂刂粕a(chǎn)工藝，可獲得80%?90%的鐵素體和10%?20%的馬氏體組織。它具有低的屈服強度、高的加工硬化指數(shù)成形性良好，拉伸強度可達560?1030MPa。新型彈簧鋼新型彈簧鋼主要指汽車懸掛系統(tǒng)的彈簧用鋼，目前使用最廣的鋼板彈簧是Si鋼，其性能基本上能滿足使用要求。近年來，變截面少片彈簧在汽車上的應用越來越多，使用這種彈簧可以節(jié)約1/3左右的材料，并使汽車的平順性能得到改善，有顯著的技術經(jīng)濟效益。但由于其生產(chǎn)工藝發(fā)生了相應的變化含Si量較高的彈簧鋼具有較高的脫碳傾向，故應發(fā)展低Si或無Si的彈簧鋼，以滿足生產(chǎn)的需要。微合金非調質鋼是指在鋼中加入微量V、Ti、Nb等元素，經(jīng)鍛造或軋制冷卻后在鐵素體、珠光體中析出碳化物或碳氮化物而達到強化、不需要調質、減少熱處理工序和設備、避免熱處理變形和淬火裂紋造成廢品、降低能耗和生產(chǎn)成本的目的特殊鋼種。高強度鋼板采用高強度鋼板既可以減少汽車自身的質量，又可以提高汽車的安全性和可靠性，含磷深沖壓高強度鋼板主要應用于車身、駕駛室上的深沖壓件使用得當，可降低材料消耗的10%，雙相鋼板有較低的屈服強度和高的加工硬化能力比較適宜于制造變形程度大的沖壓或拉延深件，根據(jù)成形特點，可使零件質量減輕30%?60%。鍍覆鋼板鍍層鋼板和鋼管的研制，是為了改善耐腐蝕等性能。國外在汽車上大量使用覆層鋼板。鍍鋁或滲鋁鋼管主要用來制造消聲器、排氣凈化裝置的接觸容器和反應器部件。鍍鋅鋼板用來制造車身、車架、駕駛室、油箱等零件。含鋅、鉻的高分子化合物涂層鋼板，主要用于防腐蝕要求高和不便于涂裝的車身、駕駛室零件。齒輪鋼齒輪是汽車的重要基礎零件，應按其模數(shù)和工作狀況選用不同級別的齒輪鋼。在我國變速器和后橋齒輪大都使用2CCrMnTi,目前急需仿制國外成熟的先進鋼種形成汽車齒輪用鋼系列化。常見車用有色金屬材料、鋁合金鋁合金具有比強度高、耐腐蝕性能優(yōu)良、適合多種成形方法、較易再生利用等優(yōu)點，是汽車工業(yè)應用較多的金屬材料。如今，能源、環(huán)境、安全等方面的原因使人們對汽車輕量化的要求越來越迫切。使用輕量化材料是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑，而鋁是應用得比較成熟的輕量化材料之一。近20年來，鋁在汽車上的用量在汽車材料構成比中所占份額有著明顯的增加。由鋁合金制造的零件己經(jīng)遍及汽車的發(fā)動機、底盤、車身等各個部分，在國外甚至都已有全鋁汽車面世。鋁是輕量化首選材料在高張力鋼板、鋁、塑料與一種稱為FRP的輕量化材料中，鋁起了特別重要的作用。用于汽車上的鋁合金大體上可分為鑄造鋁合金、變形鋁合金和鋁基復合材料三種。鑄造鋁合金在汽車上主要用于發(fā)動機、傳動機構、轉向系統(tǒng)、制動器、行走系統(tǒng)及各種附件。在汽車工業(yè)發(fā)達國家，汽車用鋁鑄件占到各類鋁鑄件產(chǎn)量的大半。例如日本，鋁鑄件的76%，壓鑄件的77%為汽車用鑄件。鋁可以用所有的常用鑄造工藝來鑄造，例如壓鑄、砂模鑄造、硬模鑄造和消失模鑄造。雖然有許多種金屬元素可以成為鋁的合金化元素，但只有Cu、Li、Mg、Mn、Si和Zn才在大量生產(chǎn)中具有重要意義，其他的只是作為補充合金元素添加，以改善其性能和冶金特性。由于鋁的比重只有鐵的1/3，由鐵向鋁轉換也比較容易，所以活塞、進氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。在美國和歐洲，保險杠、油箱用鋼板也已改為鋁合金。保險杠用的新鋁合金材料也被多次開發(fā)。但在日本，主要使用的是鋼板和塑料，這是因為歐美等國和日本的鋁價格差異較大。因此，未來汽車的材料構成比例中，在歐美地區(qū)，鋁將成為主要比率。如在德國的試驗車中，鋁合金使用率已達到全體材料的30%。另外，由于不穩(wěn)定的鋁價格和強力塑料的推出，每輛汽車中鋁使用量的增加勢頭比以前有所減弱，但從精煉鋁價格來看，它仍是輕量化首選材料。Al--Cu合金有高的抗拉強度，但其鑄造性能不如含Si量高的合金；Al--Si二元合金具有好的焊接性、高的耐腐蝕性和低的密度；Al--Zn合金的切削性能好，且在室溫下不進行固溶處理時經(jīng)過較短時間就可一定程度上提高強度；Al--Mg合金具有優(yōu)良的抗腐蝕性、好的切削加工性，并能通過陽極氧化得到漂亮的外觀，但對其澆冒系統(tǒng)的設計需要仔細考慮。Al—Zn--Mg系鑄造合金作為高強度鑄造鋁合金得到了發(fā)展。提高Zn、Mg含量可提高合金強度，但其塑性和耐蝕性也降低了，故需在合金中加入Mn、Ro、Cr、Ti、B、Zr等元素來細化晶粒，進一步提高強度、塑性和耐蝕性。在高強度鋁合金中，F(xiàn)e、Si被視為有害元素而嚴加控制，因而需使用高純度原鋁，這會提高生產(chǎn)成本，也增加了生產(chǎn)的難度。Al—Zn--Mg系合金中，雖也把Fe、Si作為雜質，但在一定條件下，F(xiàn)e、Si有利于強度和鑄造性能的改善，故對其限制要寬松得多。、鋁基復合材料金屬基復合材料(MMC)是本世紀60年代誕生的一種材料，它是在連續(xù)的金屬基體上分布其他種金屬或陶瓷等增強體的一種物質。這種材料綜合了基體金屬和增強體的性能，因而具有單一材料難以達到的優(yōu)良特性。鋁基復合材料質量輕，比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好、耐磨性好，是金屬基復合材料中應用最為廣泛的一種。用于鋁基復合材料的增強體有連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒等多種。針對不同的增強材料和不同的應用場合，人們開發(fā)了多種制備鋁基復合材料的方法。日本本田汽車公司開發(fā)成功的由不銹鋼絲增強的鋁基復合材料的比強度和比模量是基體鋁合金的兩倍，用這種材料制成的連桿比起鋼制連桿來，質量減輕了30%，制成的1.2L汽油機的燃油經(jīng)濟性改善了5%，同時此公司還成功地把鋁基復合材料應用到了發(fā)動機活塞環(huán)槽上。他們先把增強體硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維做成環(huán)狀物置于鑄模內，然后澆注鋁合金并用擠壓鑄造的方法制造出鋁基復合材料活塞。這種活塞的性能和壽命均超過了傳統(tǒng)的鑄鐵環(huán)槽鑲塊。后來又對增強材料作了改進，使其成本更低、性能進一步改善，復合材料活塞已大批量生產(chǎn)和使用。、鎂合金材料有色輕金屬的應用范圍在不斷擴大，鋁的密度為鋼的1/3，用鋁代替鋼可以減少質量50%左右，但鋁的強度低，體積較大。鎂合金的強度比鋁合金高，與高強度合金結構鋼相近故用沖壓鋁、鎂合金作汽車材料是使汽車減輕質量和節(jié)能的一條有效途徑。用鋁合金板可制造發(fā)動機罩、行李箱蓋、保險杠、車身內外板件、散熱器用鎂合金可制造操縱桿托架、離合器殼和變速器殼等。鎂比鋁更輕，且資源豐富。對于易氧化的鎂，現(xiàn)已開發(fā)出高效率的鍛造工藝，使其制造成本下降，但由于其精煉能源為電力，所以成本比鋁高。鎂能否在汽車零部件上大量使用，取決于鎂和鋁的價格差。由于鎂的比重只有鋁的0.64，因此只有將價格差控制在1.7倍以下，才有可能使用鎂。據(jù)此，從目前輕量化材料的現(xiàn)狀出發(fā)，還不如把鋁改換成塑料。但也存在制造設備的供給能力和再循環(huán)問題。不僅如此，還會帶來新的環(huán)境問題。、鈦合金鈦合金適于制造懸架彈簧和氣門彈簧、氣門。用鈦合金制造板簧與用抗拉強度達2100MPa的高強度鋼相比，可降低自重20%。用鈦合金制造彈簧時必須注意的一個問題是當合金強度達到某一水平之后，疲勞強度對抗拉強度有逆依存關系。用鈦合金還可以制造車輪、氣門座圈、排氣系統(tǒng)零件，還有些公司嘗試用純鈦板制作車身外板。Ti和鈦合金應用的最大阻力來自于價格高，所以鈦合金的研制和生產(chǎn)工藝的開發(fā)重點都在于降低成本。日本豐田開發(fā)了低成本鈦基復合材料。該復合材料以Ti—6A1—4V合金為基體，以TIb為增強體，用粉末冶金法生產(chǎn)，其成本低、性能優(yōu)良，已在發(fā)動機連桿上得到實用。我國的鈦礦儲量居世界第一位，鈦的應用有著廣闊的前景。鐵基粉末冶金材料燒結金屬是以金屬粉末為原料，在金屬模具內壓縮成形，后經(jīng)燒結而成的，它無需加工，

材料的成分配制能自由控制，已應用在軸承、排氣門座、凸輪、齒輪、支架上。這種材料也

可以用來制造連桿、消聲器、離合器、轉向系及制動系部件。隨著粉末冶金工藝技術的新發(fā)展，高強度、高耐磨性、耐熱、形狀復雜的燒結結構零件和高性能減摩材料將大量應用于汽車制造中。所以，高強度燒結合金鋼、燒結不銹鋼等結構材料、低噪聲軸承材料、高溫高真空減摩材料、半金屬減摩材料等將進一步得到發(fā)展和應用這將對汽車制造產(chǎn)生巨大的影響。粉末冶金是一種少、無切削的零部件制造工藝，具有材料利用率高、生產(chǎn)效率高，大量生產(chǎn)時成本較低等優(yōu)點。粉末冶金件在汽車上的應用越來越多，而汽車工業(yè)也成為粉末冶金業(yè)的最大市場。每輛日本生產(chǎn)的汽車上平均有粉末冶金件6.52kg,美國汽車上粉末冶金件的平均使用量約為日本的7倍。雖然多種有色合金也可以用粉末冶金工藝加工，但在汽車上應用的主要還是鐵基粉末冶金材料。粉末冶金件的1/3用于發(fā)動機,1/3用于變速器,其余的1/3用于汽車的其他部分。粉末冶金在汽車應用上的進展,主要依靠高強度材料與高強度化生產(chǎn)技術的開發(fā)與應用。在60年代應用的鐵基粉末冶金零件基本上是低密度多孔質零件。70年代開發(fā)并大量生產(chǎn)了高壓縮性鐵粉和低合金鋼粉,應用了大型多級成形壓機、高溫燒結爐和連續(xù)真空燒結爐,進入了大批量生產(chǎn)接近最終形狀甚至完全不用再加工的高密度結構件的時代。預合金型低合金鋼粉比早先使用的預混合金粉和擴散型低合金鋼粉的成分均勻,因而密度均勻、性能和尺寸穩(wěn)定。但由于其硬度較高,壓縮性差,難于提高密度。為此在材料成分設計方面進行了優(yōu)化,在粉末制造工藝方面提高了退火溫度并延長了退火時間,在粉體壓制工藝方面采用了兩次壓制兩次燒結工藝,實現(xiàn)了粉末冶金零件的高密度化。此外,采用低合金鋼粉之后,一般不往原料粉末中添加石墨粉,而是采用對粉末燒結件進行滲碳淬火的方式,通過提高表面殘余壓應力來改善其疲勞性能。采用高溫燒結、滲碳淬火和回火處理后材料的抗拉強度可達到lOOOMPa，疲勞強度達到400MPa。它們適用于變速器零件和寬玻璃升降器齒輪等。此外粉末冶金還可在諸如傳感器等具有特殊功能的部件上擴大應用范圍。結構件與功能件的復合化可能是粉末冶金發(fā)揮其優(yōu)勢的另一個方面，某些在航空航天方面應用的功能材料，如果能解決其成本問題也可在汽車上得到應用。車用金屬材料的發(fā)展趨勢汽車板料成形的發(fā)展趨勢為滿足較高的安全標準及乘坐的舒適性就必須增加轎車的質量，但轎車的質量又極大地影響著轎車的油耗及尾氣的排放量，因此，汽車工業(yè)正努力采用輕型結構來減輕汽車質量。這就涉及到對材料及生產(chǎn)工藝的戰(zhàn)略決定。而占整車質量的20%?25%白車身無疑具有很大的減輕質量的潛力。不同的車身結構對減輕車身質量的潛在能力起決定性的作用。車身結構的生產(chǎn)一類為分開的生產(chǎn)方式（自支撐底盤及獨立車身和承載構架及獨立車身），另一類為集成式的加工方法。（金屬板材整體式車身和無車架車身）。如今金屬板材整體式車身在大批量生產(chǎn)中已廣泛使用。減輕車身質量的方法大量使用輕質材料是減輕車身質量的主要手段。如今，中型車質量的50%?60%由鋼組成，車身中的鋁僅占3%?7%（質量）、集中在發(fā)動機及底盤中。塑料約占10%?15%（質量）。在當今大批量生產(chǎn)中，白車身的主要材料是鋼但其他材料如鋁合金及塑料正顯得愈加重要。過去白車身材料采用常規(guī)低碳鋼然而為了減輕質量及改善結構性能，高強度鋼的使用（HSS）已變得愈來愈有前景了。在可靠的生產(chǎn)工藝下，采用高強度鋼可減輕質量。在大多數(shù)情況下，結構板件要求更大的拉深深度以及更加復雜的負載能力。大批量生產(chǎn)中，屈服強度高達420MPa的微合金鋼和含磷合金鋼，在結構部件（防撞擊部件）如車體內側板、內側柱等，已廣泛的應用。對大批量和小批量生產(chǎn)的影響在金屬車身面板和結構面板的生產(chǎn)成形過程中，深沖壓為主要的生產(chǎn)工藝。然而在材料成形方面仍然可以進一步改進。生產(chǎn)工藝必須根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模劃分。白車身內面板和外面板的大規(guī)模生產(chǎn)通常由沖壓線和多工位壓機生產(chǎn)，因為這些生產(chǎn)方式可以滿足批量的要