新材料与工艺手册

[轻量化材料] 轻量化材料在汽车上的精准应用

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发表于 2020-12-4 14:29:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】轻量化材料在汽车上的精准应用
来源:期刊-《汽车零部件》;作者:秦超,姚晨冉,朱雪林
(中国汽车技术研究中心)


摘要:汽车用轻量化材料近年来受到汽车企业的广泛关注,国家也鼓励汽车产品实现轻量化。对国内外常用的汽车轻量化材料的成分及微观组织、材料性能、在汽车零部件上的精准应用等进行了归纳总结,具有一定的可实施性。
关键词:轻量化材料;先进高强钢;铝合金镁合金;工程塑料复合材料



0 引言
受能源和环境的影响,国家鼓励汽车产品实现轻量化,以达到节能减排的目的。目前国内外常用的汽车轻量化材料包括高强钢(以先进高强钢和超高强钢为代表)、铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料等。不同的轻量化材料在微观组织、材料特性、加工工艺、使用优势等方面均存在差异,通过分析、总结上述特性,形成对轻量化材料的综合研究,最终实现正确的材料用到正确的位置十分有意义。

<span]受能源和环境的影响,国家鼓励汽车产品实现轻量化,以达到节能减排的目的。目前国内外常用的汽车轻量化材料包括高强钢(以先进高强钢和超高强钢为代表)、铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料等。不同的轻量化材料在微观组织、材料特性、加工工艺、使用优势等方面均存在差异,通过分析、总结上述特性,形成对轻量化材料的综合研究,最终实现正确的材料用到正确的位置十分有意义。
<span]通常屈服强度为210~550 MPa的钢被称为传统高强钢,屈服强度大于550 MPa的钢则被称为先进高强钢(抗拉强度大于780 MPa的先进高强钢被称为超高强钢,抗拉强度达到1 000 MPa的先进高强钢被称为“CPa钢”)。传统高强钢与先进高强钢的主要差别在于微观组织:传统高强钢是单相铁素体钢,而先进高强钢是双相或多相钢,包含铁素体、马氏体、贝氏体和残留奥氏体等。
目前先进高强钢共分为三代,第一代先进高强钢以铁素体为基体,包括双相钢、复相钢、TRIP钢和马氏体钢等,强度可以达到800]目前先进高强钢共分为三代,第一代先进高强钢以铁素体为基体,包括双相钢、复相钢、TRIP钢和马氏体钢等,强度可以达到800]汽车用铝合金主要包括变形铝合金和铸造铝合金,其中铸造铝合金占据主导地位,占汽车用铝量的80%左右,主要用于制造离合器壳、发动机缸体及缸盖、保险杠、车轮等;变形铝合金主要用于车身覆盖件的制造。铝合金性能及其在汽车上的应用详见表2。

表1]表1]目前,镁合金的主要合金元素有铝、锌、锰、硅、锆和稀土元素等。按化学成分不同,镁合金主要划分为Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Zr、Mg-Th、Mg-Ag和Mg-Li等二元系,以及Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Mn-Ce、Mg-RE-Zr和Mg-Zn-Zr等三元系以及其他多组元系镁合金[2]。其中,使用最广的是镁铝合金,其次是镁锰合金和镁锌锆合金。
汽车工业青睐镁合金重要原因是它具有优秀的铸造能力。汽车使用的镁合金约有89%为铸造镁合金[3]。使用镁合金可以铸造出大尺寸零部件,从而降低零部件数量,减少装配工序,降低装配不良的可能性,进一步提升汽车的NVH性能。与铝合金相比,镁合金的热流动性好,故适用于薄壁件的压铸生产,同时其铸件的生产周期短,对模具的损伤较小。镁合金性能及其在汽车上的应用详见表3。

表3]汽车工业青睐镁合金重要原因是它具有优秀的铸造能力。汽车使用的镁合金约有89%为铸造镁合金[3]。使用镁合金可以铸造出大尺寸零部件,从而降低零部件数量,减少装配工序,降低装配不良的可能性,进一步提升汽车的NVH性能。与铝合金相比,镁合金的热流动性好,故适用于薄壁件的压铸生产,同时其铸件的生产周期短,对模具的损伤较小。镁合金性能及其在汽车上的应用详见表3。
表3]目前国内外汽车内饰件已基本实现塑料化,而塑料在汽车中的应用正由内饰件向外装件、车身和结构件扩展。
考虑到塑料在汽车上的应用,采用按理化特性进行分类,可分为热塑性和热固性两类。热塑性塑料是一类以热塑性树脂为基本成分的塑料,一般具有线型或支链型结构,分子链之间无化学键作用,因而受热后会变软,甚至成为流动黏稠液体,具有可塑性,冷却后能保持既得形状;可反复加热多次而不改变化学结构,可回收再利用。热固性塑料是与热塑性塑料相对应的一类材料,]考虑到塑料在汽车上的应用,采用按理化特性进行分类,可分为热塑性和热固性两类。热塑性塑料是一类以热塑性树脂为基本成分的塑料,一般具有线型或支链型结构,分子链之间无化学键作用,因而受热后会变软,甚至成为流动黏稠液体,具有可塑性,冷却后能保持既得形状;可反复加热多次而不改变化学结构,可回收再利用。热固性塑料是与热塑性塑料相对应的一类材料,]复合材料一般由组分材料及它们之间的界面构成,组分材料包括基体和增强体(或功能体)。复合材料中各种组分材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料,以满足各种不同的要求。在汽车工业日益提高的轻量化需求下,复合材料越来越受到汽车制造商的重视,是汽车轻量化发展的重点之一。复合材料性能及其在汽车上的应用详见表5—表7。

表5 热固性树脂基复合材料在汽车上的应用


表6 热塑性树脂基复合材料(能够熔融重复加工制造新产品)在汽车上的应用


表7 陶瓷基复合材料和生物复合材料在汽车上的应用


2 影响轻量化材料在汽车上应用的主要原因
<span]<span](2)材料差异性。轻量化材料与传统材料、轻量化材料之间的性能差异使材料拼接时遇到很多困难,拼接后的性能差异也对整车性能及耐久性产生一定影响。
<span]<span](4)材料供应链不完善。供应链问题也在一定程度上影响着轻量化材料在汽车中的应用,如镁合金、碳纤维等材料,其应用领域、应用企业相对集中,企业需要掌握从始到终的材料生产及应用能力,没有形成合理的供应链支撑。
<span]<span]不同的轻型材料都有自己的优点和局限性,很难有哪一种轻型材料能“包打天下”,汽车轻量化是多种轻量化材料并存的未来。可预测的是,实现汽车进一步轻量化的主要材料将从超强钢向铝合金再向复合材料演变。



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