汽車車身材料輕量化的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

汽車車身材料輕量化的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展【摘要】汽車車身的輕量化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢之一，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，可以有效的節(jié)約能源，減少廢氣排放。本文綜述了車身材料輕量化的應(yīng)用現(xiàn)狀及最新研究進(jìn)展。【關(guān)鍵詞】汽車車身輕量化新材料據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，截至2012年底，中國機(jī)動車保有量達(dá)到2.38億輛。其中，汽車保有量首次突破1億輛大關(guān)，躍居全球第二，預(yù)計(jì)到2020年中國汽車保有量將超過2億輛。到2015年，全球汽車保有量將從2007年的近9.2億輛增至11.2億輛左右。汽車保有量的增加在給人們出行帶來方便的同時也帶來了能耗，安全和環(huán)保問題。為了治理環(huán)境污染，各國相繼對大氣中各種排放污染源提出控制要求，制定強(qiáng)制性排放標(biāo)準(zhǔn)，以控制汽車污染物的排放量。按照世界鋁業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，汽車總重減輕10%，百公里油耗減少6%-8%，排放降低5%-6%，而燃油消耗降低1L，CO2排放量將降低2.45Kg?？梢娖囕p量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段，且能同時滿足安全、油耗和排放三項(xiàng)法規(guī)要求。輕量化，即是在滿足碰撞要求且保證汽車整體性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量，達(dá)到質(zhì)量-性能-成本三者的最優(yōu)結(jié)合。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有3種途徑：一是改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化、中空化、小型化及復(fù)合化；二是開發(fā)新型輕質(zhì)材料，如使用鋁、鎂合金等有色金屬、塑料及非金屬復(fù)合材料，或者截面厚度較薄的高強(qiáng)鋼度鋼；三是采用先進(jìn)的制造工藝，如激光拼焊、液壓成型、輥壓成型等。汽車車身質(zhì)量占整車自重的30%-40%[1]，對于整車的輕量化具有重要的意義，因此輕量化新材料的開發(fā)與應(yīng)用是汽車輕量化的最有效途徑之一。1高強(qiáng)度鋼板材料鋼鐵材料由于其高強(qiáng)度，成本低的特點(diǎn)，相對于高分子材料和鎂、鋁合金材料而言仍是車身材料最廣泛的應(yīng)用材料。鋼鐵材料的結(jié)構(gòu)已發(fā)生很大變化，高強(qiáng)度鋼的用量越來越大。目前已經(jīng)先后開發(fā)出高強(qiáng)度鋼（屈服強(qiáng)度大于210Mpa）和超高強(qiáng)度鋼（屈服強(qiáng)度大于550Mpa）。由于高強(qiáng)度鋼屈服點(diǎn)較高，降低板厚不會對沖壓件產(chǎn)生太大影響，因而可以減少外表面的厚度，達(dá)到減少質(zhì)量的目的。當(dāng)鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm時，車身減重分別為6%、12%、18%[2]；在成本方面，零件厚度減薄10%-20%，高強(qiáng)度鋼板的均價(jià)增加10%-25%，因此單件成本基本不變。高強(qiáng)度鋼板的使用，不僅能提高汽車輕量化，同時對汽車的車體的彎曲鋼性和扭轉(zhuǎn)剛性也會有顯著的提高作用。高強(qiáng)度鋼除在基本力學(xué)性能方面有優(yōu)勢外，綜合成型性能的優(yōu)勢也越來越顯著，包括成型極限、回彈性、擴(kuò)孔性能和彎曲性能等?，F(xiàn)在中高檔轎車中高強(qiáng)度鋼板的用量已達(dá)鋼板用量的20%～50%。在新型鋼材開發(fā)方面，國外鋼鐵企業(yè)也投入大量資金先后開展了ULSAB（UltraLightSteleAutoBody）項(xiàng)目，ULSAC（UltralightSteleAutoClosures）項(xiàng)目，ULSAB-AVC（UltraLightSteleAutoBody-AdvancedVehicleConcepts）計(jì)劃，從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料的汽車，明顯提高了鋼鐵材料的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。相比國外，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)對汽車用高強(qiáng)度鋼的開發(fā)與應(yīng)用也取得了較大的進(jìn)展，如寶鋼已經(jīng)形成CQ、DQ、BH、DP及TRIP等多種商業(yè)化供貨能力的高強(qiáng)度鋼板品種，已涵蓋了國外當(dāng)前生產(chǎn)的主要品種。朱士鳳等[3]應(yīng)用中國一汽與寶鋼共同開發(fā)的高強(qiáng)度IF鋼板BIF340、烘烤硬化鋼板BH340分別替代St14和St13冷軋鋼板，使CA1092載貨車用高強(qiáng)度冷軋鋼板占整車的57.6%。邢蕊蕊等[4]通過提高白車身高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用比例和調(diào)整應(yīng)用位置，分析研究了優(yōu)化前后高強(qiáng)度鋼板對汽車輕量化、安全碰撞、模態(tài)剛度的影響。2鋁合金材料鋁合金是目前采用最多的輕金屬材料。純鋁密度為2.68g/cm3，密度約為鋼的1/3，單件可輕量化50%左右，強(qiáng)度高，耐蝕性耐候性好，可100%回收。目前鋁在車身的應(yīng)用已經(jīng)不限于單個零件，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了全鋁車身的車型。表1為目前的全鋁車身車型。汽車車身鋁合金的研究目前主要集中在兩個方面，一方面是對鋁合金本身的研究，通過添加一些合金元素改變鋁合金的力學(xué)性質(zhì)。王小寧等[11]研究了微量Ag對6022合金T4態(tài)下成形性能，模擬烤漆處理后的力學(xué)性能以及時效析出動力學(xué)的影響，結(jié)果顯示，在6022合金添加0.35%可以顯著提高175℃時效30min后的強(qiáng)度及時效相應(yīng)速度和峰值硬度。田妮等[5]對汽車車身板用Al-1.5Si-1.2Mg-0.6Cu-0.3Mn鋁合金冷軋薄板進(jìn)行了固溶處理，發(fā)現(xiàn)在500℃-550℃溫度區(qū)間，隨著溫度的提高，合金板材的強(qiáng)度和延伸率單調(diào)增大，540℃時保溫30min可使其具有良好地成形性。另一方面的研究集中在鋁合金的成形工藝上，車身現(xiàn)在主要的成形工藝主要有塑性成形、連接、液態(tài)成形。鋁合金由于其本身很好的延展性和可焊性，所以其主要成形工藝為焊接和沖壓，自沖鉚接技術(shù)。周清林等[6]對CO2激光焊接和TIG兩種焊接方式的鋁合金薄板焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了測定，結(jié)果顯示材料的各向異性影響焊接接頭的性能，焊接接頭的力學(xué)性能與各個區(qū)域的性能存在一定的關(guān)系，為焊縫的表征提供了理論依據(jù)。倪建東[7]研究發(fā)現(xiàn)，在中頻電阻點(diǎn)焊6061鋁合金0.9mm薄板時，采用焊接電流為19kA，焊接壓力為2.6kN，通電時間在90～120ms能得到較好的點(diǎn)焊接頭。3鎂合金材料鎂合金密度1.3-1.9g/cm3，比鋁合金輕33%，比鋼輕77%，是工業(yè)金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的材料，可在鋁合金車輛的基礎(chǔ)上在減輕15%-20%，并且具有加工性好、良好的抗凹性、良好的減振性等優(yōu)點(diǎn)。通過對鎂合金車身和普通車身剛度和模態(tài)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，鎂合金車身的剛度和模態(tài)基本保持普通車身的水平并滿足車身力學(xué)性能的要求。但鎂合金的使用也受到一些限制，由于鎂和鎂合金屬大多數(shù)呈密排六方結(jié)構(gòu)，室溫成形相對困難，需要高溫下成形。此外，作為汽車面板，表面質(zhì)量也是需要考慮的一個重要問題。歐美等發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)90年代開始就把鎂合金用于汽車零部件上，歐美國家研制的零部件已有60多種，北美國家已達(dá)100多種，從變速桿，變速箱體，儀表盤，車內(nèi)門框到車扶手等，單車用鎂合金從9.3kg至40kg?，F(xiàn)在用于車身部件的鎂合金主要有兩種Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系兩種合金，汽車上使用最多的是AM60B和AZ91D，此外AS41B在一些北美生產(chǎn)的汽車上也得到了應(yīng)用。鎂在汽車工業(yè)上的年增長率每年遞增25%以上，可見鎂合金在汽車輕量化上有極大應(yīng)用潛力。在鎂合金的制造工藝因素的研究上，很多學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)的研究。孫宏圖等[8]在常溫條件下對AZ61鎂合金進(jìn)行壓縮變形實(shí)驗(yàn)，采用鎂合金結(jié)構(gòu)對某轎車車身前端進(jìn)行輕量化的改進(jìn)設(shè)計(jì)，顯著降低了車身質(zhì)量。胡基貴等[9]對AZ31鎂合金熱擠壓變形過程中溫度的演變與控制進(jìn)行了有限元模擬與實(shí)驗(yàn)研究，通過控制擠壓速度的方法可以對坯料在擠壓過程中溫度的變化加以控制，為實(shí)際擠壓生產(chǎn)過程中對溫度的控制提供了有效的工藝參數(shù)。鎂合金的高溫鍛造抗蠕變性對鎂合金最終強(qiáng)度有很大影響，國外學(xué)者在這方面的研究相對的走在前列。Pekguleryuz，M.O.等[10]通過在Mg-Al合金中添加稀土類元素和Sr、Ca、Sn等來提高其抗蠕變性。Easton，M.A等[11]以Mg-Zn合金為研究對象，通過升高Nd/La所占的比率來生成固溶體Mg-4RE-0.6Zn合金，結(jié)果表明α-Mg基中固溶體生成率對抗蠕變性有重要作用。4鈦合金材料鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)及功能材料，它具有優(yōu)異的綜合性能，密度小，比強(qiáng)度高，耐高溫，抗氧化，耐腐蝕，而且在地球中資源存儲量僅次于鋁，鐵，鎂，居第四位。鈦是繼鋼和鋁之后崛起的“第三金屬”。鈦合金的應(yīng)用已經(jīng)從航空、海洋領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到建筑、汽車等領(lǐng)域。目前，鈦合金用于減輕汽車質(zhì)量方面主要應(yīng)用于汽車連桿、發(fā)動機(jī)氣門、鈦合金彈簧類，比如意大利的新型法拉利3.5LV8與Acura的NSX發(fā)動機(jī)首次使用了鈦合金，質(zhì)量可減小15%～20%；用Ti-6Al-4V等制成的氣門比鋼制氣門輕30%～40%。鈦合金在車身上的應(yīng)用發(fā)展較緩慢，主要是由于鈦合金的加工條件復(fù)雜，材料成本較高，極大的限制了鈦合金的發(fā)展。世界各國正在尋求新的途徑，選用較廉價(jià)的合金元素，采用熱加工和冷加工工藝，降低鈦合金的生產(chǎn)成本，達(dá)到汽車行業(yè)可接受的水平。5非金屬材料汽車工業(yè)應(yīng)用的非金屬材料主要包括塑料及其復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料。它們在車身輕量化方面的應(yīng)用方面占了很大比重?，F(xiàn)在，汽車用塑料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PEL）、ABS、尼龍（PA）、聚氨酯（PUR）等。塑料基復(fù)合材料主要指的是纖維增強(qiáng)塑料是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料，常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。塑料及其復(fù)合材料主要有以下的優(yōu)點(diǎn)[12]：①質(zhì)量輕，密度低；②加工性能好，生產(chǎn)效率高；③可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，手感好，適合于車輛的各種內(nèi)飾件；④容易實(shí)現(xiàn)零部件的一體化，可大大減少一些部件或總成的零件數(shù)量，減少部件的加工工序，降低部件生產(chǎn)成本，并可提升部件的性能；⑤耐沖擊，具有較強(qiáng)的撞擊性能；⑥抗蝕性能優(yōu)良。汽車的保險(xiǎn)杠、儀表盤、內(nèi)外裝飾件等差不多用的都是塑料件。歐美等發(fā)達(dá)國家現(xiàn)在汽車上的塑料用量已占塑料總消耗量的7%-11%，美國的GM公司的Ultra的全塑車身采用玻璃纖維復(fù)合材料，用于高檔跑車，在普通高級乘用車上，骨架采用金屬材料，外覆蓋件采用塑料件，如Satburn車型，國內(nèi)由于起步較慢，成型技術(shù)等相對落后，生產(chǎn)成本較高，目前車用塑料所占比例不到1%，市場開發(fā)潛力巨大。碳纖維復(fù)合材料由于有足夠的強(qiáng)度和剛度已在航天航空等領(lǐng)域有較廣泛使用。它也是適用于制造汽車主結(jié)構(gòu)-車身、底盤最輕的材料。密度不到鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度卻達(dá)到鋼的7～9倍，預(yù)計(jì)碳纖維材料的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕重量40～60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重量的1/3～1/6，汽車可以節(jié)油30%。英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室曾對碳纖維復(fù)合材料減重效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)聚合物材料車身重172kg，而鋼制車身質(zhì)量為368kg，減重約50%，并且當(dāng)產(chǎn)量在2萬輛以下時，采用RTM工藝生產(chǎn)復(fù)合材料車身成本要低于鋼制車身。近些年來，碳纖維復(fù)合材料的研究集中在成型工藝上。樹脂傳遞模塑工藝是復(fù)合材料常用一種成型工藝。該工藝是將纖維增強(qiáng)材料或預(yù)成坯鋪放到閉模模腔內(nèi)，用壓力將樹脂液注入模腔，浸透纖維或預(yù)成型坯，然后固化，脫模成型制品[13]。該方法特點(diǎn)是為閉膜成型技術(shù)，不污染環(huán)境，增強(qiáng)材料可根據(jù)產(chǎn)品受力情況任意鋪放生產(chǎn)設(shè)備投資少，屬于低成本、高性能復(fù)合材料成型技術(shù)，尤其適合于小批量、多品種汽車結(jié)構(gòu)件、覆蓋件的生產(chǎn)。尤其衍生的成型技術(shù)，如真空輔助樹脂傳遞模塑法（VARTM）和西曼復(fù)合材料公司樹脂浸漬模塑法（SCRIMP）是目前用得較多的成型技術(shù)。但由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格昂貴，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限。為提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的用量，發(fā)展廉價(jià)的碳纖維和高效率碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)方法和工藝已成為汽車輕量化材料研究中的關(guān)鍵課題。6結(jié)語高強(qiáng)度鋼由于其良好的安全性，低成本等因素，在今后的一段時間內(nèi)還將是降低汽車質(zhì)量的主要材料；鋁、鎂合金、鈦合金材料，在未來的汽車領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿?。但在綜合考慮到市場，研究各個方面，輕金屬材料與鋼鐵材料會復(fù)合起來使用。塑料及其復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料等新型車身材料，將會隨著其成形技術(shù)等方面問題的解決，在輕量化材料方面會有很大的上升比例。參考文獻(xiàn)：[1]胥志剛，林忠欽，來新民，王皓.面向車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的水平集拓?fù)鋬?yōu)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（09）：1393-1397[2]李桂華，熊飛，龍江啟.車身材料輕量化及其新技術(shù)的應(yīng)用[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2009，24（2）：87-93.[3]朱士鳳，宋起峰.CA1092車身輕量化的研究[J].汽車工藝與材料，2002，（8/9）：58-62.[4]邢蕊蕊，方舟，史杰.高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用對汽車輕量化的影響研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，（26）：139-142.[5]田妮，趙剛，劉春明，左良.固溶處理Al-1.5Si-1.2Mg-0.6Cu-0.3Mn鋁合金組織性能的影響[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2007，6（1）：50-54.[6]周清林，喬及森，陳劍虹等.鋁合金CO2激光與TIG薄板焊接接頭力學(xué)性能分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27（8）：63-66.[7]倪建東.車身鋁合金板材中頻點(diǎn)焊工藝的研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2008.[8]孫宏圖，申國哲，胡平，楊姝，劉波，周定陸.汽車鎂合金車身設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（7）：4-6.[9]胡基貴，李落星，莫建虎，李光耀，鐘志華.AZ31鎂合金熱擠壓變形過程溫度變化與控制[J].礦冶工程，2007，27（4）：83-86.[10]徐義.鎂合金型材彎曲變形過程數(shù)值模擬研究[D].湖南大學(xué)，2008.[11]武小娟，王忠堂，錢芳，常榮輝.鎂合金薄板焊接性能研究[J].輕合金加工技術(shù)，2009，37（8）：43-45.