汽車車身新材料應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

汽車車身新資料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代汽車車身除滿足強(qiáng)度和使用壽命的要求外，還應(yīng)滿足性能、外觀、安全、價(jià)格、環(huán)保、節(jié)能等方面的需要。在上世紀(jì)八十年代，轎車的整車質(zhì)量中，鋼鐵占80％，鋁占3％，樹(shù)脂為4％。自1978年世界爆發(fā)石油危機(jī)以來(lái)，作為輕量化資料的高強(qiáng)度鋼板、表面辦理鋼板逐年上升，有色金屬資料整體有所增加，其中，鋁的增加明顯；非金屬資料也漸漸增長(zhǎng)，近來(lái)幾年來(lái)開(kāi)發(fā)的高性能工程塑料，不僅取代了一般塑料，而且品種眾多，在汽車上的應(yīng)用范圍寬泛。本文重視介紹國(guó)內(nèi)外在新式資料應(yīng)用方面的情況及發(fā)展趨勢(shì)。高強(qiáng)度鋼板從前的高強(qiáng)度鋼板，拉延強(qiáng)度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50％，故只適用于形狀簡(jiǎn)單、延伸深度不大的部件?，F(xiàn)在的高強(qiáng)度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入合適的微量元素，經(jīng)各種辦理軋制而成，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)420N/mm2，是一般低碳鋼板的2～3倍，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要資料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中國(guó)奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試制樣車上使用的高強(qiáng)度鋼用量為262kg，占車身鋼板用量的46%，對(duì)減重和改進(jìn)車身性能起到了優(yōu)異的作用。低合金高強(qiáng)度鋼板的品種主要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙相鋼板和高強(qiáng)度1F冷軋鋼板等，車身設(shè)計(jì)師可依照板制部件受力情況和形狀復(fù)雜程度來(lái)選擇鋼板品種。含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板：含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板主要用于轎車外板、車門(mén)、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用于載貨汽車駕駛室的沖壓件。主要特點(diǎn)為：擁有較高強(qiáng)度，比一般冷軋鋼板高15％～25％；優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性平衡，即隨著強(qiáng)度的增加，伸長(zhǎng)率和應(yīng)變硬化指數(shù)下降甚微；擁有優(yōu)異的耐腐化性，比一般冷軋鋼板提高20％；擁有優(yōu)異的點(diǎn)焊性能；烘烤硬化冷軋鋼板：經(jīng)過(guò)沖壓、拉延變形及烤漆高溫時(shí)效辦理，佩服強(qiáng)度得以提高。這種簡(jiǎn)稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強(qiáng)度，是車身外板輕量化設(shè)計(jì)首選資料之一；冷軋雙向鋼板：擁有連續(xù)佩服、屈強(qiáng)比低和加工硬化高、兼?zhèn)涓邚?qiáng)度及高塑性的特點(diǎn)，如經(jīng)烤漆后其強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。適用于形狀復(fù)雜且要求強(qiáng)度高的車身部件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門(mén)加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠等；超低碳高強(qiáng)度冷軋鋼板：在超低碳鋼（C≤0.005％）加入合適的鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再增加合適的磷以提高鋼板的強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了深沖性與高強(qiáng)度的結(jié)合，特別適用于一些形狀復(fù)雜而強(qiáng)度要求高的沖壓部件。輕量化迭層鋼板迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的復(fù)合資料，表層鋼板厚度為0.2～0.3mm，塑料層的厚度占總厚度的25％～65％。與擁有同樣剛度的單層鋼板比較，質(zhì)量只有57％。隔熱防振性能優(yōu)異，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、車身底板等部件。鋁合金與汽車鋼板比較，鋁合金擁有密度?。?.7g/cm3）、比強(qiáng)度高、耐銹蝕、熱牢固性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟。德國(guó)大眾公司的新式奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結(jié)構(gòu)，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼資料車身減少了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。嶄新奧迪A8經(jīng)過(guò)使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身部件數(shù)量從50個(gè)減至29個(gè)，車身框架圓滿閉合。這種結(jié)構(gòu)不僅使車身的扭轉(zhuǎn)剛度提高了60%，還比同類車型的鋼制車身車重減少50%。由于所有的鋁合金都能夠回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎。依照車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，采用激光束壓合成型工藝，將不同樣樣厚度的鋁板也許用鋁板與鋼板復(fù)合成型，再在表面涂覆防擁有優(yōu)異的耐腐化性。鎂合金鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35％，鋁材密度的66％。其他它的比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性、導(dǎo)熱性好，電磁障蔽能力強(qiáng)，尺寸牢固性好，所以在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中獲取了寬泛的應(yīng)用。鎂的儲(chǔ)存量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，特別是海水的鹽分中含3.7%的鎂。近來(lái)幾年來(lái)鎂合金在世界范圍內(nèi)的增加率高達(dá)20％。鑄造鎂合金的車門(mén)由成型鋁材制成的門(mén)框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門(mén)，它由內(nèi)外車門(mén)板和中間蜂窩狀加強(qiáng)筋組成，每扇門(mén)的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門(mén)輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，已能夠制造出形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金車身部件，泡沫合金板泡沫合金板由粉末合金制成，其特點(diǎn)是密度小，僅為0.4～0.7g／cm3，彈性好，當(dāng)受力壓縮變形后，可憑自己的彈性恢復(fù)原料形狀。泡沫合金板種類眾多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可依照不同樣樣的需要進(jìn)行選擇。由于泡沫合金板的特別性能，特別是出眾的低密度、優(yōu)異的隔熱吸振性能，深受汽車制造商的喜歡。當(dāng)前，用泡沫鋁合金制成的零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋等。蜂窩夾芯復(fù)合板蜂窩夾芯復(fù)合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。依照夾芯資料的不同樣樣，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維加強(qiáng)樹(shù)脂蜂窩、鋁蜂窩等；面板能夠采用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等資料。由于蜂窩夾芯復(fù)合板擁有輕質(zhì)、比強(qiáng)度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃等特點(diǎn)，故在汽車車身上獲取很多應(yīng)用，如車身外板、車門(mén)、車架、保險(xiǎn)杠、座椅框架等。英國(guó)發(fā)了然一種以聚丙烯作芯，鋼板為面板的薄夾層板用以取代鋼制車身外板，使部件質(zhì)量減少了50%~60%，且易于沖壓成型。工程塑料與通用塑料比較，工程塑料擁有優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能、耐化學(xué)性、耐熱性、耐磨性、尺寸牢固性等特點(diǎn)，且比要取代的金屬資料輕、成型時(shí)能耗少。二十世紀(jì)七十年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖資料等塑料在汽車工業(yè)中被寬泛采用。福特公司開(kāi)發(fā)的LTD試驗(yàn)車，塑料化后的車身獲取了輕量化方面的明顯成就（見(jiàn)表2）。中國(guó)工程塑料工業(yè)寬泛存在工藝落后、設(shè)備迂腐、規(guī)模小、品種少、質(zhì)量不牢固的情況，而且價(jià)格高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。工程塑料在汽車上的應(yīng)用僅相當(dāng)于外國(guó)上世紀(jì)八十年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量?jī)H為2.86kg/輛，紅旗CA7228型轎車為2.4kg/輛，而日本轎車平均為14kg/輛，寶馬則更高，為35.64kg/輛。但這種場(chǎng)面將很快被打破，由上海普利特復(fù)合資料有限公司投資新建、國(guó)內(nèi)最大的汽車用高性能ABS工程塑料生產(chǎn)基地日前在上海建成投產(chǎn)。此項(xiàng)目引進(jìn)了世界先進(jìn)的工程塑料生成線和試驗(yàn)檢測(cè)儀器等設(shè)備，形成了年產(chǎn)15,000噸高性能ABS工程塑料的能力。高強(qiáng)度纖維復(fù)合資料高強(qiáng)度纖維復(fù)合資料，特別是碳纖維復(fù)合資料（CFRP），因其質(zhì)量小，而且擁有高強(qiáng)度、高剛性，有優(yōu)異的耐蠕變與耐腐化性，所以是很有前途的汽車用輕量化資料。碳纖維復(fù)合資料在汽車上的應(yīng)用，美國(guó)張開(kāi)的最好。二十世紀(jì)八十年代后期，復(fù)合資料車身外覆件得到大批的應(yīng)用和實(shí)行，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車門(mén)、車頂板、導(dǎo)流罩、車廂后擋板等，甚至出現(xiàn)了全復(fù)合資料的卡車駕駛室和轎車車身。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美等國(guó)汽車復(fù)合資料的用量約占本國(guó)復(fù)合資料總產(chǎn)量的33％左右，并連續(xù)呈增加態(tài)勢(shì)，復(fù)合資料作為汽車車身的外覆件來(lái)說(shuō)，無(wú)論從設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)制造、應(yīng)用都已成熟，并已從車身外覆件的使用向汽車的內(nèi)飾件和結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展。圖2為法國(guó)SORA公司為雷諾汽車公司開(kāi)發(fā)的全復(fù)合資料轎車車身和重型卡車駕駛室。上海通用柳州汽車公司和東風(fēng)公司計(jì)劃推出全復(fù)合資料車身的家庭用小轎車。車身新資料應(yīng)用的現(xiàn)狀當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外車身輕量化的研究方向是開(kāi)發(fā)擁有較高強(qiáng)度的輕質(zhì)高性能新資料及設(shè)計(jì)新的輕量化結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多年的研究，已獲取了新的進(jìn)展。德國(guó)大眾九十年代末開(kāi)發(fā)的路波TDI車型就是采用新設(shè)計(jì)、新資料、新工藝的綜合成就。TDI所有車身部件都是輕質(zhì)金屬制成的，包括前擋泥板、車門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和尾門(mén)，其中尾門(mén)的金屬外層是鋁質(zhì)，內(nèi)板是鎂制成的。汽車的內(nèi)部設(shè)備很多也是輕質(zhì)金屬制成的，如，座椅的框架由鋁制成，方向盤(pán)的內(nèi)骨架是鎂制成。乘客艙和發(fā)動(dòng)機(jī)室之間組合隔板是鋁質(zhì)的。支撐結(jié)構(gòu)平時(shí)也是由高強(qiáng)度的薄板金屬制成的。為解決新資料的防腐化保護(hù)和連接，大眾采用創(chuàng)新的沖孔鉚接法、迭邊壓接、激光釬焊等技術(shù)。路波TDI的自重為830kg，包括417kg（50.5％）的鋼、136kg輕質(zhì)金屬（16.4％，包括3.7kg的鎂）、116kg塑料（14.0％）。在保證車身抗扭剛度、使用壽命和安全性的前提下，車身的重量減少了50kg，汽車的總重減少了154kg。由于汽車自重要幅度減少，使得百公里油耗降至2.99升，總能量耗資可是傳統(tǒng)汽車的一半。這意味著二氧化碳的排放量也將減少一半，碳?xì)浠衔锏呐欧帕拷档剿姆种?新資料回收再用性的研究研究汽車新資料的最后辦理問(wèn)題至關(guān)重要，從某種程度上講，關(guān)系到它的生計(jì)與發(fā)展。目前，汽車上約占自重25％的資料無(wú)法回收再用，其中三分之一為各種塑料，三分之一為橡膠，還有三分之一為玻璃、纖維?；谶@種情況，世界各國(guó)都開(kāi)銷大批的人力、物力進(jìn)行資料的回收再生問(wèn)題的研究?，F(xiàn)在能夠經(jīng)過(guò)三種路子進(jìn)行回收：顆粒回收，重新碾磨；化學(xué)回收，高溫分解；能源回收，將荒棄物作為燃料。德國(guó)在回收塑料等資料的法規(guī)是世界上最為圓滿的，其管理方式特別明確，即第一是防備產(chǎn)生，今后才是“循環(huán)使用”和“最終辦理”。

1991

年規(guī)定回收塑料中的

60％必定是機(jī)械性回收，還有

40％能夠機(jī)械回收，也能夠采用填埋或能量回收的方式。經(jīng)過(guò)十年的努力，現(xiàn)在的回收率已高達(dá)

87％。日本是循環(huán)經(jīng)濟(jì)立法最全面的國(guó)家，其目的是建立一個(gè)資源“循環(huán)型社會(huì)”。為此，日本對(duì)廢舊塑料的回收利用素來(lái)保持積極態(tài)度。其他，日本還大力支持以廢塑料為主的工業(yè)垃圾發(fā)電事業(yè)。計(jì)劃到2010年在全國(guó)建立150個(gè)廢塑料發(fā)電設(shè)備。減少資料的品種未來(lái)汽車在工程塑料種類的選擇大將會(huì)發(fā)生巨大的變化。當(dāng)前汽車使用的塑料由幾十種高分子資料組成，當(dāng)前生界各大汽車公司致力于減少車用塑料的種類，并盡量使其通用化。這將有利于資料的回收再生和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。降低成本限制汽車車身新資料應(yīng)用的重要因素是價(jià)格。作為主要新資料的高強(qiáng)度鋼、玻璃纖維加強(qiáng)資料、鋁和石墨加強(qiáng)，其成本分別為一般碳鋼的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低這些新資料的制造成本，才可能使諸多新資料進(jìn)入批量生產(chǎn)。如玻璃纖維加強(qiáng)材料將在成本上成為鋼材的有力競(jìng)爭(zhēng)者，誠(chéng)然它的重量減罕有限，但價(jià)格卻能為用戶接受。石墨合成資料盡管性能優(yōu)異，但因其成本居高不下，當(dāng)前它在汽車工業(yè)上很難有所作為。先進(jìn)的制造工藝的研發(fā)采用新資料與先進(jìn)的制造工藝是相輔相成的，汽車工業(yè)正在努力開(kāi)發(fā)新的制造方法，對(duì)傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行更新。比方：適用于輕量化設(shè)計(jì)的連接工藝今年來(lái)有所發(fā)展，如德國(guó)某汽車公司在大批生產(chǎn)的轎車上采用CO2激光束焊接，與傳統(tǒng)的焊接工藝比較，焊接成的高強(qiáng)度鋼板車身的強(qiáng)度提高了50％。又如，一些復(fù)合資料的SMC殼體的資料較厚，大體為2.5～3mm，限制了輕量化的幅度。法國(guó)雷諾公司采用新的A級(jí)表面精度的SMC模壓技術(shù)和低密度填料，減薄了部件厚度，使轎車殼體重量比一般SMC工藝下降了30％。車身設(shè)計(jì)方法的革命據(jù)歐洲汽車界人士展望，在今后十年中，轎車自己質(zhì)量還將減少20％，除了大批采用復(fù)合資料和輕質(zhì)合金外，車身設(shè)計(jì)方法也將發(fā)生重要變化。由于大批采用新式資料，