新材料与工艺手册

[轻量化材料] 新材料在汽车轻量化技术中的应用

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发表于 2020-11-16 11:56:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】新材料汽车轻量化技术中的应用
董鸣
北京北汽模塑科技有限公司 北京市 102606
摘 要: 目前,减少汽车燃料消耗以及降低汽车排放对环境的污染已经成为汽车工业可持续发展所急需解决的主要问题。本文紧密围绕高强钢、铝合金镁合金和生态、轻量复合材料展开论述,以期为汽车工业、汽车新材料产业的可持续发展提供参考。
关键词:新材料 汽车 轻量化 应用
20 世纪70 年代的发生的石油危机,推动了国外汽车轻量化材料技术的发展。发达国家在研究如何解决能源短缺和环境恶化的过程中,制定了一些非常严格的强制性法律和制度,目的是为了降低车辆的燃油消耗,减少汽车的尾气排放[1]。因此,汽车厂商为了满足政策法规的要求,投入了大量的人力及物力用于研发节能环保、轻量化、可回收的材料。此外,各国政府为企业、大学以及研究机构提供了大量的资金支持,用于研发汽车轻量化材料,从而进一步促进了汽车轻量化的发展。目前,我国汽车材料产业已经粗具规模,大量自主研发的新材料以及新技术已经成功实现商业化。
1 车用高强度钢材料及其技术发展趋势
为了在与其他种类竞争中保持优势地位,扩大高强度钢材料在汽车上的应用范围,巩固高强度钢在汽车用材中的主导地位,未来高强度钢的技术开发将紧密围绕汽车工业降低成本、减轻车辆自重的要求来展开。研究重点内容包括:
1.1 新一代先进高强度钢(板、管材)的开发
目前的高强度钢(比如双相钢、低合金高强度钢、TRP 钢和复相钢)的强度均在400~1200MPa 左右。而通过对化学成分的优化设计以及对冶炼技术的改进,可以减少或取消贵重合金元素的用量,开发出强度更高,且其他性能(塑性、韧性、成形性)优良的高强度钢。比如,高成形性的品种、高弹性模量的品种和成形后强化非烘烤硬化新品种等[2-3]。
1.2 先进的成形技术研发
目前高强度钢的成形工艺主要有深冲、延展、拉伸翻边、弯曲等,由于这些工艺本身的局限性,先进成形技术的研发显得十分迫切。未来成形技术研发方向主要有:管件液压成形、板件液压成形、辊压成形、电磁成形与气体热成形等; 此外先进高强度钢的焊接高强度钢与其他合金连接的激光拼焊技术以及开发新的连接技术,也是未来研发的重点。
1.3 成形过程的CAE 分析
高强度钢在汽车工业中的应用遇到的难题是“成形”。由于强度的升高,必然造成成形困难且成形后可能发生开裂和回弹,用计算机进行成形的CAE 分析,对成形过程的变形路径进行优化,以保证成形而避免开裂;对回弹进行模拟分析,预测回弹,进而进行回弹补偿,可大大提高和改善高强度钢的成形性,从而大大节约模具调试时间和修模工作量。
1.4 进一步研发超细晶粒钢
超细晶粒钢是一种新的高强度钢板材料。这样的钢材料的主要经济指标得到了进一步提高,与现有的钢材相比较而言,其强度和韧性均超过了现有钢材的一倍以上。新型超细晶粒钢主要类型分为400MPa 级和800MPa级,具备了高均匀度、超细晶粒以及高洁净度等三大主要特征。
2 铝合金材料的应用进展
最近几年来,全球性的能源和环境问题愈发严峻,面对这样的形势,很多汽车制造商就要在降低车辆自重和降低燃油消耗方面加大投入和研发力度,降低因为汽车生产过程多带来的环境损害后果。
在材料属性方面,铝硅合金多具有共晶和亚共晶结构,也有一部分的汽车零件仍然会使用传统的过共晶铝硅合金,但是这种材料的铸造性能和机加工性能不够优越,近些年来多采用的是低硅或中硅亚共晶铝硅合金材料。再者不同用途的汽车零部件,所采用的铝合金材料特点也存在差异(图1)。铝铸造产品多应用于转向机构和制动器零部件中,铝铸造零部件可以承受大于10MPa 以上的压力,其耐腐蚀性和强度也较高,要不断研究开发出力学性能高、耐腐蚀强度高的铝合金材料。研发具有良好铸造性能的Al-Cu 系耐热铝合金以满足制动器耐热要求;研发具有良好耐磨性的Al-Si-Fe-Mn-Cr 合金以满足自动变速箱离合器零件、冷气压缩机汽缸、换挡拨叉件的要求。此外,应用于车体与悬挂系统的部件,除了具备高强度外,还要求开发具备能量吸收与良好的变形特性,Al-Si-Mg 系非热处理型高强高韧性铝合金是未来研发方向之一[3]。
图1 汽车全铝车身示意图

3 镁合金材料的应用进展
镁及镁合金材料是一种较为理想的汽车轻量化材料,但存在一些必须解决的问题,如材料性能随着温度升高而降低问题和腐蚀问题等。因此需要进一步研究开发新的镁合金材料及其成形制造技术。
镁合金材料的成形方法分为铸造加工成形和塑性成形,当前主要运用的是铸造成形方法,且压铸方法是镁合金铸造成形方法中应用最广泛的。最近发展起来的镁合金压铸新技术包括充氧压铸和真空压铸,充氧压铸在生产汽车镁合金零部件上的应用较广泛,真空压铸可生产出AM60B 镁合金汽车方向盘和轮毂4。
镁合金成形以铸造工艺为主,但铸件的缺陷限制了镁合金性能的提高,局限了镁合金的广泛应用。镁合金使用塑性成形方法,可有效地消减铸件缺陷的影响,通常采用热处理强化和形变强化可明显地提高合金的性能,但由于镁的密排六方结构,变形难度比钢、铝和铜等要大。如果直接运用铝合金已有的塑性成形方法,往往会使得镁合金材料的成品率很低,使塑性加工成形成本过高,影响了镁合金在各领域的应用。因此,加快发展镁合金塑性成形方法也是研究的热点和发展的趋势[4]。
4 碳纤维增强树脂基复合材料应用
碳纤维增强聚合物基复合材料( Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRP) 具 有独特的性能优势,是汽车新材料领域备受关注。相较于其他汽车材料而言其优势有以下几个方面:
4.1 力学性能优异
汽车上使用的碳纤维增强树脂基复合材料密度仅为1.5~2.0g/cm3,只达到普通碳钢密度的20~25%,质量是同体积铝合金的约2/3,但是碳纤维复合材料的综合力学性能要高于传统的金属材料,抗拉强度达到了钢材的3~4 倍。CFRP 的疲劳强度是抗拉强度占比达到70%~80%。另外,CFRP 的振动阻尼特性也要优于轻金属,例如通常轻合金发生震动后需要9s 震动才能停止,而CFRP 振动2s便可以停止。
4.2 一体化制造
汽车结构发展的另外一种趋势就是模块化与整体化。采用复合材料能够在其成型过程中制成形状各异的曲面,能够完成汽车零部件的一体化制造。采用一体化成型制造一方面可以大幅度减少汽车零部件数量和零部件之间的连接工序,另一方面也使得零件的生产周期大幅缩短。
4.3 吸能抗冲击性强
CFRP 具有的粘弹性也相当出色,同时碳纤维和基体之间会因为局部的微小摩擦而产生界面应力。在粘弹性与界面摩擦力共同作用下,CFRP 汽车制件能够表现出优越的吸能抗冲击能力。再者,经过特殊制作的碳纤维复合材料,其具有的碰撞吸能结构可以在剧烈碰撞状态下碎裂成很小的碎片,使得撞击能量得以最大化的分散,这种材料的能量吸收能高出普通金属材料的5 倍左右,极大提升了汽车的安全性,保障乘车人员的生命安全[5]。
4.4 耐腐蚀性好
碳纤维丝束和树脂材料共同组成了碳纤维增强聚合物基复合材料,其耐酸碱性能也较为优异,用其制造的汽车零部件无需进行表面防腐处理,其耐候性及耐老化性极好,寿命是普通钢材的约2 ~3 倍。
5 结语
汽车轻量化是实现节能、减排的重要技术措施之一。世界铝业协会的报告指出,汽车自重每减轻10%,燃油消耗可降低6%~8%。因此,汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。高强钢、铝合金、镁合金和天然纤维增强聚合物生态复合材料是当前轻量化、节能环保、可回收汽车新材料的重要组成。轻量、节能、环保和可回收将成为国内外汽车工业发展的重要方向。



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