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汽车轻量化设计的金属材料(粉末冶金的机会所在)

日期: 2019-11-06
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汽车行业未来发展的2个主力方向,一个是新能源,一个便是汽车轻量化。


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汽车轻量化的核心在于各个部件新材料的应用。理论分析和试验结果都表明,轻量化是改善汽车能源经济性的有效途径。为了适应汽车轻量化的要求,一些新材料(包括粉末冶金)应运而生并扩大了应用范围。


 一、有色金属 


以乘用车来说,1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0%,1980年增至5.6%,而1997年则达到了9.6%。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。

 

1、铝合金

 

铝的密度约为钢的1/3,是应用最广泛的轻量化材料。以美国生产的汽车产品为例,1976年每车用铝合金仅39kg,1982年达到62kg,而1998年则达到了100kg。

 

(1)铸造铝合金 


汽车工业是铝铸件的主要市场,例如日本,铝铸件的76%、铝压铸件的77%为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。


铝铸件中不可避免地存在缺陷,压铸件还不能热处理,因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制。为此在铸件生产工艺上作了改进,铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多用的工艺。


(2)变形铝合金


变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材,在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。 


由于轻量化效果明显,铝合金在车身上的应用正在扩大。如1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身,比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg,引起全世界的瞩目。NSX全车用铝材达到31.3%,如在全铝车身上,外板使用6000系列合金,内板使用5052-0合金,骨架大部使用5182-0合金;由于侧门框对强度和刚度要求很高,使用以6N01合金为基础、适当调整了Mg和Si含量的合金。在欧美也有用2036和2008合金作车身内外板的。


(3)铝基复合材料


目前,铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能,如本田公司开发成功的由不?钢丝增强的铝基复合材料连杆比钢制连杆降重30%,对1.2L的汽油发动机可提高燃料经济性5%;采用激冷铝合金粉末与SiC粉末(重量百分数2%)混合并挤压成棒材,用此棒材经锻造成型的活塞因强度高可降重20%,发动机功率大幅度提高;用铝基复合材料强化活塞头部而取消第一道环槽的奥氏体铸铁镶块可降重20%;铝基复合材料制动盘比铸铁制动盘降重50%。


2、镁合金


镁的密度约为铝的2/3,在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好,很适合制造汽车零件。

镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用,镁压铸件的生产效率比铝高30%~50%。新开发的无孔压铸法(Pore Free Diecast)可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。

镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱上支架相比,镁制件降重65%;与传统的钢制转向轮芯相比,镁制件降重45%;与全铝气缸盖相比,镁制件降重30%;与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比,整体的镁铸件降重40%,同时其刚性也得以改善。

 

3、钛合金


钛的密度为4.5g/cm3,具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵,至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。尽管如此,对钛合金在汽车上应用的试验研究工作却不少。例如用α+β系钛合金制造的发动机连杆,强度相当于45钢调质的水平,而重量可以降低30%;β系钛合金(Ti-13V-11Cr-3Al等)经强冷加工和时效处理,强度可达2000MPa,可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等,与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比,钛弹簧可降重20%。


钛合金应用的最大阻力来自其高价格,丰田中央研究所开发了一种成本较低的钛基复合材料。该复合材料以Ti-6Al-4V合金为基体,以TiB为增强体,用粉末冶金法生产,已在发动机连杆上应用。


 二、钢铁材料的轻量化举措 



钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势,通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力,以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。

 

1、高强度钢板

 

轿车自重的25%在车身,车身材料的轻量化举足轻重。


加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750MPa,可用于车轮和其它底盘零件。


近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。日本日产汽车公司进行了590MPa级高强度钢板在车身上的应用研究,他们选用TRIP钢和DP钢裸板以及DP钢镀锌板并运用有限元分析技术解决了冲压开裂和回弹问题,优化了焊接工艺参数,通过实车检测,刚度和碰撞性能满足要求,比采用440MPa级钢板时降重10kg。


激光拼焊毛坯(Tailored Blank)是新近开发并应用的钢板轻量化技术。在前述ULSAB车身有18个零件采用了此技术。


2、结构钢


钢铁材料的用量虽逐年减少,但高强度钢的用量却有相当大的增加。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化,有助于汽车的轻量化。

 

(1) 弹簧


悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素,开发出强度和韧性都很高的钢种,设计许用应力可达1270MPa,这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能,结合改进的奥氏体轧制成型,可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。


 气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V,通过晶粒细化确保韧性,由增C提高强度。这样改进后,弹簧的高周疲劳强度约提高8%,可实现15%的轻量化。通过有限元分析,螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发,使弹簧实现7%的轻量化。


提高弹簧疲劳强度的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。弹簧的喷丸,除了传统的应力喷丸之外又发展了双级喷丸。喷丸和氮化也可以复合使用。

 

(2) 齿轮


汽车发动机有高功率化的趋势,而传动器有紧凑小型化的倾向。这势必加大传动齿轮的负荷,从而对齿轮钢的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求也相应提高。


提高钢中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齿轮钢的淬透性和强度,但单纯靠合金元素来强化齿轮钢会使钢的切削性能变坏、热处理工艺复杂,原材料成本和生产成本都会大幅度提高。齿轮渗碳时,为了防止或减少异常层的出现,降低钢中的Si和P含量,Mo量增加到0.35%~0.45%,并采用经改良的碳氮共渗工艺。改进的钢种可使齿轮实物的冲击寿命提高3~5倍,若在上述降低表面异常层钢种加上强力喷丸,可使齿轮疲劳极限提高20%~30%。


齿轮钢中的非金属夹杂物是疲劳裂纹的起点,会降低强力喷丸的强化效果,为此开发了高纯净度齿轮钢。例如对SCM420HZ钢,将氧浓度降到9ppm以下、磷浓度降到90ppm以下时,与前述降低表面异常层的低Si高Mo钢相比,齿轮齿根弯曲疲劳寿命提高10%~17%,接触疲劳寿命提高25%。


3、高强度铸铁 


铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点,在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。

 

(1) 球墨铸铁


铁素体球墨铸铁拉伸强度可达500MPa,韧性也较高,因此多用于底盘零件,有的车型甚至用作转向节等保安件。


珠光体球墨铸铁强度更高,在一些零件上可代替锻钢件。带平衡块的4缸轿车发动机曲轴采用球墨铸铁加圆角滚压强化,已成为美、德、法等国汽车厂家的标准工艺。因球铁的密度比钢约小10%,所以以球铁代钢可以产生一定的轻量化效果。


奥贝球铁(ADI-Austempered Ductile Iron)具有很高的强度和韧塑性,按美国和德国标准制造的奥贝球铁牌号,其最高强度级别达到1400MPa,超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量,代替锻钢制造曲轴可以降重10%,代替铝合金制造载货车轮毂每只可降重0.5kg。

 

(2) 蠕墨铸铁


 蠕墨铸铁(Vermicular graphite castiron)又称紧密石墨铸铁(Compacted graphite cast iron),其机械-物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间,很适合制造强度要求较高和要承受热循环负荷的零件,如气缸体、气缸盖、排气歧管和制动鼓等。


 蠕墨铸铁的发现与球铁同时,但由于蠕化工艺控制难度较大而应用受到限制,Sinter Cast工艺控制系统为蠕铁的应用开辟了广阔的前景。Ford汽车公司从1996年开始应用这套系统生产发动机气缸体。据称蠕铁气缸体比灰铸铁气缸体降重16%,而结构刚度则提高12%~25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪音、改善排放。


4、粉末冶金材料


 粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点,其在汽车上的应用有增加的趋势,特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。

 

  组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品,它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮,然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比,可降重25%~30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用,随?柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻,粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。

 

  粉末锻造连杆已经成功应用,近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低,可实现11%的轻量化。德国Opel公司装在2.0L的OHC发动机上行驶30万km的效果未见异常。


 三、塑料在汽车轻量化技术中的应用 



塑料在汽车行业的应用前景同样看好。目前世界上不少轿车的塑料用量已经超过120千克/辆,个别车型还要高,德国奔驰高级轿车的塑料使用量已经达到150千克/辆。国内一些轿车的塑料用量也已经达到90千克/辆。可以预见,随着汽车轻量化进程的加速,塑料在汽车中的应用将更加广泛。汽车轻量化使塑料作为原材料在汽车零部件领域被广泛采用,从内装件到外装件以及结构件,塑料制件的身影随处可见。目前,发达国家已将汽车用塑料量的多少,作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志从现代汽车使用的材料看,无论是外装饰件、内装饰件,还是功能与结构件,到处都可以看到塑料制件的身影。


统计显示,汽车一般部件重量每减轻1%,可节油1%;运动部件每减轻1%,可节油2%。国外汽车自身质量同过去相比,已减轻20%—26%。预计在未来的10年内,轿车自身的重量还将继续减轻20%。而塑料等轻量化材料的开发与应用,在汽车的轻量化过程中发挥着重大作用。


汽车材料应用塑料的最大优势是减轻车体的重量。一般塑料的比重在0.9—1.5,纤维增强复合材料的比重也不会超过2.0,而金属材料的比重,A3钢为7.6,黄铜为8.4,铝为2.7。这就使得塑料材料成为汽车轻量化的首选用材。从现代汽车使用的材料看,无论是外装饰件、内装饰件,还是功能与结构件,到处都可以看到塑料制件的影子。外装饰件的应用特点是“以塑代钢”,减轻汽车自重,主要部件有保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板等;内装饰件的主要部件有仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、坐椅、后护板等;功能与结构件主要有油箱、散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶片等。


对于中国来说,塑料在汽车行业的应用尚处于初级阶段。目前,塑料等非金属材料在国产车上的应用状况还比不上进口车。在欧洲,车用塑料的重量占汽车自重的20%,平均每辆德国车使用塑料近300千克,占汽车总重量的22%。与国外相比,国产车的非金属材料用量仍然偏少。国产车的单车塑料平均使用量为78千克,塑料用量仅占汽车自重的5%—10%。

 END 


汽车轻量化设计的金属材料(粉末冶金的机会所在)


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