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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)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?！娟P(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(dòng)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(shí)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(duì)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(huì)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。可見汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段，且能同時(shí)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)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(shí)，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(shí)對(duì)汽車的車體的彎曲鋼性和扭轉(zhuǎn)剛性也會(huì)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(shì)外，綜合成型性能的優(yōu)勢(shì)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。現(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(duì)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(duì)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(gè)零件，市場(chǎng)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(gè)方面，一方面是對(duì)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(duì)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(shí)效析出動(dòng)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(shí)效30min后的強(qiáng)度及時(shí)效相應(yīng)速度和峰值硬度。田妮等[5]對(duì)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(shí)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(duì)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(cè)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(gè)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(shí)，采用焊接電流為19kA，焊接壓力為2.6kN，通電時(shí)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(duì)鎂合金車身和普通車身剛度和模態(tài)進(jìn)行對(duì)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(duì)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(gè)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。現(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)量?jī)H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(dòng)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(dòng)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?cè)谲嚿磔p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(jí)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(duì)落后，生產(chǎn)成本較高，目前車用塑料所占比例不到1%，市場(chǎng)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(duì)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(shí)，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(shí)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Α５诰C合考慮到市場(chǎng)，研究各個(gè)方面，輕金屬材料與鋼鐵材料會(huì)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(huì)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(huì)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(duì)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.