汽车用新材料的研究发展状况

汽车用新材料的研究发展状况摘要：本文主要介绍了国内外汽车用新材料发展状况，并针对发动机连杆、轮毂用新材料进行了分析，提出了今后汽车用新材料的发展趋势。关键词：汽车连杆轮毂1国内外汽车用新材料发展状况1.1国外汽车用新材料的发展现状与趋势当前世界汽车材料技术发展的主要特征如下:(1)轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向；(2)尽管近阶段钢铁材料仍保持主导地位,但各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化。主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料的用量将有较大的增长,铸铁和中、低强度钢的比例将会逐步下降,但载重车的用材变化不如轿车明显；(3)轻量化材料技术与汽车产品设计、制造工艺的结合将更为密切,汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向；(4)更重视汽车材料的回收技术；(5)电动汽车、代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强。减轻汽车自身质量是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效措施之一。世界铝业协会的报告指出,汽车的自身质量每减少10%,燃油的消耗可降低6~8%,根据最新资料,国外汽车自身质量同过去相比减轻了20~26%。预计在未来的10年内,轿车自身质量还将继续减轻20%。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的开发与应用在汽车的轻量化中将发挥重大作用。可以看出,尽管钢铁材料在当前仍然占主导地位,但其份额却在逐年减少,而铝合金、镁合金、塑料等轻量化材料的用量则呈持续上升的趋势。在最近投产的某些新车型中,钢铁材料的比例更低,例如在奥迪A2中,钢材的比例仅为34%,轻质材料则高达52%。国外开发的全铝车身已经在AUDIA8、BMWZ8、FERRARI360等很多车型上使用,甚至全铝发动机、轮毂都已经开始实际应用。虽然联邦政府和欧共体有多种与材料有关的研究项目,但整体上主要还是体现在墓础研究方而。从汽车行业的应用性研究来讲,主要依靠企业的自身力量,这与美国汽车行业的情况很不相同,后者可从国家得到各种资助。不仅如此,德国政府在支持、促进和推广新材料在汽车行业的应用以及采用新材料的汽车的生产、销信等方而也没有任何鼓励的政策与措施。虽然从长远战略上说,汽车采用新材料具有多种重要意义,但就口前的实际而言,首要目的是减轻重量、提高效率、降低能耗、减少环境污染。从根木上来讲,汽车减轻屯量很有好处,既可增加使用面积,又可节省燃料消耗,减少环境污染。汽车能耗的70%与汽车重量有关,如中型轿车的自重每减少100公斤,每百公里的燃料消耗就可减少0.4公升。此外,自重减轻对加速和弹性等行驶效率也有积极影响,同时可使转动和振动部件的噪音明显降低。试验证明,假如负荷是单轴的或者在结构上可以沿纤维方向伸展的话,纤维强化的材料明显比金属优越。近年来,虽然日本汽车工业由于各种原因而陷于持续的不景气状况之中,但各汽车厂商从长远利益出发,仍继续着各种汽车用新材料及其相关伎术的研究开发,并取得品些进展。总的来看,这一领域研究开发的重点主要集中在三个方面。一是大力开发各类“低公害车”所需材料；二是继续发展汽车以铝、塑等代钢技术；三是提高汽车用材料再生利用率。一、“低公害车”所需材料的发展状况随着全球环保呼声日益高涨,电动汽车、甲醇汽车、天然气汽车等不以汽油为动力源的所谓“低公害车”展现出诱人的发展前景。但是,目前这类汽车离实用化都还相距甚远。其有待解决的主要问题之一就是所需的各种材料技术尚未过关。在被认为是最理想的“低公害车”的电动汽车的研究中,目前面临的主要课题仍然是车体的轻量化和蓄电池的高性能化,而这都与材料技术密切相关。在东京电力公司和日产汽车公司分别开发的高性能电动汽车的概念车IZA和FEV,为了减轻车休重量,外板均采用了碳纤维强化塑料,底盘均采用了各种招合金材料。然而,这两种概念车的开发者一致认为,对批量生产而言,采用昂贵的CFRP材料是不现实的。出路在于能多大程度地采用铝合金材料。比车体轻量化更为重要、也更为复杂的问题是蓄电池的高性能化。在IZA和FEV中采用的是镍镉电池,它是已能实用的各种蓄电池中能量密度高的。但因镉资源很少,故对大批量生产电动汽车并不合适。据日本通产省估计,全球镉储藏量仅约97万吨,只能供制造1000万辆电动汽车使用。二、铝、塑代钢技术发展状况从80年代起,主要为了减轻汽车重量以降低耗油量、节约能源、保护环境,在汽车制造中以铝、塑代钢技术开始发展起来,但至今仍未出现成热的批量生产车型。其重要原因是以铝、塑代钢并不仅仅意味着材料的替换,还意味着汽车的设计、加工、装配各个环节都必须进行大幅度的更动,因而风险很大。目前,除马自达公司外,日本各大汽车厂商都还只在少量零部件或特殊车种（如运动车）试制中应用铝、塑代钢佼术。三、汽车用材料再生利用发展状况为了节省资源、保护环境,日本于1992年10月开始实施“关于促进再生资源利用的法律”。汽车是该法律适用对象之一,要求制造商在设计阶段就对再生利用作出评价,并从材料、结构、拆分等各方面进行积极研究。该法实施以来,日本有关汽车用材料再生利用的研究进一步受到重视,取得了一些新进展。丰田、日产、本田等公司均已开始通过各自的销售网来系统地回收在维修中换下的保险杠,经洗净、粉碎后,加工成货物周转箱（丰田）、通风管迸（日产）、换气口（本田）等等重新加以利用。为了进一步提高由高级聚丙烯材料制成的保险杠的再生利用率,各汽车公司正在加紧研究能完全消除旧保险杠表面油漆的影响,从而用旧材料制造新保险杠的有关技术,升已取得阶段性成果。如日产公司的“有机盐系溶剂分解、剥离法”、富士重工业公司的“微粉碎法”、丰田公司的“加压水分解法”等,在不远的将来,即可望获得实际应用。汽车车身、底盘(含悬挂系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应,是汽车轻量化的重要途径。车身轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前,节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势,尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。汽车油耗与车重关系密切,汽车行驶过程中受到空气阻力、轮胎阻力、加速阻力和爬坡阻力等,其中后面三项均与车身本身的重量成正比,这直接影响轿车的油耗,因此,降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减小汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。尤其是当前全球能源缺少的危机之下,轻量化技术对于未来轿车发展有着巨大的意义。实现轻质车身,最主要就是大量应用使车身轻量化的材料,同时进行车身轻量化的结构设计等。目前,车身轻量化的主要途径有2条:效果比较明显的是用轻型材料(如镁、铝、塑料盒复合材料等)替代车身骨架及内、外壁板原有的钢材,目前已制造出部分产品;另一种有效的方法是通过优化车身结构实现轻量化,其代表性成果为ULSAB(UltraLightSteelAutoBody)项目112。现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外,还应该满足基本性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。在九十年代以前,以轿车为例,其整车质量中,钢铁占有80%,铝占3%,树脂占4%。由于能源价格不断上升,作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板用量逐年上升,有色金属材料的用量也在不断增加,其中,铝合金材料的应用明显增加,非金属材料也逐步增加。本文主要就车身轻量化材料的发展做研究。1.2国内汽车用材料发展状况分析我国汽车材料是伴随着汽车工业的发展而发展起来的。尤其是在/七五0至/九五0期间,我国通过合资的方式引进了国外先进的汽车产品技术,缩短了与发达国家之间的差距。在引进技术的带动下,/九五0期间/轿车新材料技术开发0被列入国家科技攻关计划,同时在国家863高技术计划新材料领域的支持下,先后开发出了一批轿车国产化急需的金属材料和非金属材料,促进了国产汽车材料的技术进步。但是,同国外相比,我国汽车工业整体技术水平还比较落后,汽车材料领域的差距更大。主要表现为:企业开发能力不足,缺乏创新、竞争能力;技术与管理水平落后,生产规模小,劳动生产率低,产品质量差;产品结构不合理,技术含量低,低档产品过剩,高端产品依靠进口;汽车行业采用的材料系列与品种繁杂、数量少,使汽车专用材料的产量难以达到经济规模;汽车材料基础技术研究薄弱,缺少材料评价技术与体系,材料技术标准混乱,基础数据贫乏。从总体上看,国内汽车材料领域的现状还不能满足我国汽车工业的发展需要。国内汽车工业的迅速发展以及加入WTO,使我国汽车材料领域面临着前所未有的机遇与挑战。不仅汽车材料的需求量持续增长(预计从现在起到2020年,年均增长率可达20%以上),而且对材料的品质提出了更高的要求,这为我国汽车材料领域的发展创造了十分有利的条件。2汽车发动机连杆新材料新工艺的应用研究当今，汽车工业的主体技术正步入转型换代的新时期，轻量化、智能化、节能、安全和环保是重要的发展方向。汽车用材料属于技术含量高、性能指标高、附加值高的三高产品，代表着材料发展的最高水平。连杆是发动机主要零件之一，是传递动力的重要运动部件，又是发动机的安全件，所以连杆的质量直接影响发动机的使用性能和安全。连杆从结构上看并不复杂，但其精度要求特别高，因此连杆加工工艺比较复杂。传统连杆材料为高强度碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr或40MnB等，其加工工艺是连杆体和连杆盖分别加工，该工艺对连杆体和连杆盖接合面要求比较高，至少需要3-4道工序，然后合体加工。连杆新材料主要是高碳钢和粉末冶金，其塑性变形非常小，连杆毛坯整体加工，利用撑断技术，使连杆体和连杆盖分开，断面整齐、变形小，利用断口进行定位，无须再加工。1.连杆的功用、结构特点及主要技术要求连杆功用是将活塞的力传给曲轴，变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。连杆的小头随活塞作往复运动，大头随曲轴作回转运动，杆身在大小头运动的合成下作摆动，所以，连杆除承受周期性变化的气体冲击外，还要承受较大的惯性力。这就要求连杆耐疲劳、抗冲击，并具有足够的强度、刚度及较好的韧性。由于发动机的结构不同，连杆结构略有差异，但基本上都由活塞销孔端（小头端），曲轴销孔端（大头端）及杆身三部分组成（如图1所示）。大头与曲轴的连杆轴颈相连，一般做成分开式，即连杆体大头和连杆盖连杆杆身和盖用螺栓连接。小头用来安装活塞销，以连接活塞。杆身常做成“工”字形断面。连杆大小头端的高度根据结构的不同，有等高和不等高两种，在V型发动机中，为了使结构紧凑，连杆经常采用不等高结构。图1连杆结构现代的高性能发动机对连杆的要求是重量轻、强度高、刚度好、惯性力小且尽量采用强化工艺，其发展趋势是采用短连杆结构。发动机运动部件重量的减轻有助于降低能耗和噪声，可以改善发动机的排放。对短连杆的需求是因为发动机正朝着体积小和功率大的方向发展。连杆机械加工的主要技术要求见表一表一连杆机械加工的主要技术要求2.连杆材料及毛坯汽车发动机连杆材料及其选择标准连杆在工作中承受多向的交变载荷，要求有很高的强度，因此毛坯大都采用高强度碳钢和中碳合金钢模锻而成。近年来，由于在连杆加工中所采用得撑断新工艺和粉末冶金技术的发展，高碳钢、可锻铸铁和粉末冶金材料也被广泛应用。特别是粉末冶金锻造工艺的应用使粉末冶金件的密度和强度都大大提高，其密度可达7.8克/厘米3，抗拉强度可达140~240公斤/毫米2。粉末冶金零件毛坯的尺寸精度高，可以减少机械加工量和材料浪费，从而能降低成本。另外，一些具有新型组成或微观结构的材料，如复合材料、铝纤维增强合金材料等也有应用。连杆的毛坯形式有两种，一种是体、盖分开锻造，另一种是先将体、盖锻成一体，在加工过程中再切开后一种具有材料损耗少，锻造工时少等优点，故其应用愈来愈多，成为一种主要的毛坯形式。为了保证连杆的质量和加工精度，各厂对连杆毛坯都有较严格的要求，连杆毛坯必须达到一定的技术要求并经过严外观检查毛坯表面应光洁，非加工表面不允许有凹陷、飞刺及分层，并通过磁力探伤以检查是否有裂纹。此外，我们还要对毛坯的总重量