日本汽车新材料发展综述

日本汽车新材料发展综述时间:2009-12-1910:10来源:汽车与配件作者:王建萍近年来随着全球经济的发展，能源问题和环保问题日益受到人们的关注，汽车行业面临一系列新的问题。诸如，一方面汽油价格在不断地创新高，安全法规越来越多，汽车排放指标的更新版本在不断地发布，另一方面全球化竞争愈演愈烈，降低汽车成本压力越来越大。面对这些课题，人们对新材料技术研发寄予了厚望。近年来日本汽车行业在材料技术研发方面，诸如钢铁、有色金属、非金属等，出现了一些新的动向。钢铁材料1.钢板材料车身与底盘的轻量化对于提高燃油经济性和削减CO2具有重要意义。目前，解决该问题的有效手段是使用具有高撞击安全性的高强度材料。从车身高强度材料的应用情况来看，汽车外板如发动机罩、车门、行李箱、侧围外板等处已经应用了340MPa级烘烤硬化型钢板(以下称为BH钢板)和440MPa级高强度材料。车身骨架部件目前流行使用440MPa和590MPa级高强度材料。590MPa级高强度材料大体分为析出硬化钢、双相钢(以下称为DP饮)和相变诱导塑性钢(以下称为TRIP钢)三种。DP钢比析出硬化钢的屈服强度低、延伸性高；TRIP钢比DP钢的延伸性高、能量吸收性能好。另外，还有一部分780MPa级和980MPa级的高强度材料也被应用，780MPa级高强度材料主要使用DP钢和TRIP钢，980MPa级的高强度材料主要使用DP钢。另外，随着高频淬火和热冲压成型技术等新的热处理技术的应用，零部件高强度化技术得到进一步发展。热冲压成型技术就是对加热的钢板进行冲压的同时还进行冷却淬火，这样零部件抗拉强度可达1470MPa。汽车行驶部位的部件形状复杂，强度要求高，焊接性能要求也很高，所以高强度钢板应用很困难。但是近年来人们为了提高成形性，开发了TRIP钢；为了提高扩孔加工性，开发了贝氏体钢；为了确保焊接接头疲劳强度，开发了耐HAZ(保持热影响区性能)的软化钢板，其强度为590MPa级，有的可达780MPa。以前汽车的耐腐蚀钢板多为各种镀锌钢板，近年来，热浸镀锌铜板(GA)成为了主流。为了提高冲压成形性，对GA上敷覆无机类或有机类起润滑作用的氧化膜，该工艺得到了推广应用。人们还进一步开发了耐腐蚀性好的Zn-AL—Mg镀锌板，主要为了省略后面的电镀工序，这已在汽车上得到了广泛应用，，在环保方面，由于EU-ELU对报废汽车的规定)对特定的环境污染物进行了使用限制，人们开发了无六价铬表面处理技术代替以往的电镀钢板中使用含有铬酸盐“钝化”处理的六价铬。油箱钢板不应含Pb，所以现在不再使用过去的Pb-Sn合金电镀钢板而采用Sn-Zn电镀钢板、镀铝钢板。混合动力车实现了提高燃油经济性和轻量化的目的，，随着技术的进步，驱动电机的铁芯材料即电磁钢板的需求量越来越大，与此同时，要求驱动电机小型轻量化、高效率化，为此有必要开发最优性能的电磁钢板及其应用技术。2.结构用钢结构用钢大多用于发动机、变速器、底盘等强度要求高的部件上，它们不仅需要低成本、高强度、轻量化，而且还需要环保。发动机的连杆、曲轴等部件通过省略热处理而降低制造成本，广泛应用非调质钢，并且还在向更高强度化发展。曲轴由于在轴颈圆角处进行了高频淬火，增加了强度。这样我们可以用低成本的钢材而获得较高强度的性能。涨断式连杆的大头不进行机械加工，而进行涨断分离加工，贴合也非常好。自动变速器内一些零件要求耐磨性和高疲劳性能的材料。另外还探讨使用新材料、高浓度渗碳、喷砂等新工艺。差速器齿轮过去使用CrMo钢，而现在添加了B进行晶界强化，还开发了低循环疲劳强度高的钢材。在环保方面，欧洲比较流行使用低压渗碳、气体淬火技术。为了减少环境污染物，还开发了无铅材料。3.不锈钢由于不锈钢的耐热性和耐腐蚀性好，所以被用于发动机和排气系统的部件上。对于单层排气管，铁素体不锈钢是最佳的选择。随着排气温度的不断上升，它既能满足小型复杂零部件的耐热性，还具有良好的加工性。对于薄壁化结构的双层排气管，添加REM(稀土金属)的奥氏体不锈钢是最佳的选择。它既能提高耐热性，又能使催化剂早期地活性化。目前这些技术都处在实用化阶段。4.铸铁材料铸铁廉价且形状设计自由度大、切削性好，对于复杂形状的部件，控制化学成份和组织，可以带来优良的特性(高强度、高耐热性、高耐磨损性)。常应用于发动机的缸体、曲轴、凸轮轴和排气管等处。缸体的轻量化除了使用铝铸件，还使用蠕墨铸铁，控制熔化过程的石墨组织，使之付予一定的性能，同时应考虑轻量、高强度、高韧性。一体化的涡轮壳和排气管的铸件采用了耐热不锈钢铸件，它是通过真空吸铸来达到薄壁化。在底盘部件中，钣金焊接件也换成了一体结构的薄壁球墨铸铁，如摇臂类部件。过去由于铸铁焊接困难，所以把价格昂贵的钢铸件与桥壳进行焊接，而现在的做法是在铸造时，把球墨铸铁与钢进行结合，从而达到低成本和轻量化的目的，这样的桥壳已处在实用化阶段。5.铁基粉末冶金材料由于粉末；台金的设计形状自由度较大，认为可以替换钢材。可用于气门座和气门导杆。近年来压粉磁芯材料应用较为广泛，电机芯子通过增大形状自由度来达到小型化，并且回收利用性高。喷射器的定子铁芯通过高密度成形技术可提高其性能。为了提高机械性能，人们在研究使用液相烧结来使物质迅速扩散的方式，代替过去添加Cu、Mo、M合金元素的方式。制造工艺的动向是：提高致密度，改进成形方法，现已应用在发动机的链轮和喷射器转子铁芯上。还有一种方法是烧结扩散结合法，就是多数部件在烧结的同时进行焊接的方式。有色金属材料1.铝合金铝合金的比重为2.7，是铁的1/3，与其它材料相比，轻量化效果好，成本较低，耐腐蚀性和回收利用性也好，被广泛地应用于发动机、传动系统、车身和底盘部件。铝合金分为铸件、锻件、板材和轧制件，汽车上所用的铝合金主要是铸件。铸件的主要制造方式有重力铸造、压铸、低压铸造和液锻。尤其是压铸铝合金，尺寸精度和生产率很高。铝合金常应用在缸体、缸盖、变速器壳和接头上。主要的难点是容易产生气孔，目前的措施是使用真空压铸。过去副车架的做法是把液压成形铝制管子与冲压成形的多片铝制板焊接在一起，而现在副车架是一体化结构。再加上，真空压铸横粱与热膨胀横梁之间进行了金属极惰性气体保护焊，副车架的零部件数和焊接长度也比过去减少了。要想铸造高质量的厚壁部件，一般使用半凝固／半熔化铸造法。欧美一般使用半熔化铸造法，需要进行钢坯预制、剪切和再加热。日本是直接从熔化铁水制作半凝固泥浆来进行铸造，目前已应用在盘式制动钳和缸体上。锻件机械性能比铸件好，广泛地应用于悬架臂和转向节等零件，目前的问题是成本高。要想降低锻造毛坯的成本，通过添加微量元素，改善冶炼工艺提高表面质量，开发无清理工序的钢坯。近年来日本许多厂家使用铝制车身、车门。要想降低铝材的成本，就要开发含杂质容许值高的、低成本基体金属的连续铸造材料，目前已被应用在发动机罩加强件上。超塑性成形工艺以前只用于小批量生产的高档车上，目前通过提高生产率和改善材料成本、提高成形性被应用到了批量生产车上。副车架现在采用在高温下膨胀成形，使复杂形状的成形成为可能。2.镁合金镁合金的比重是7.8，比铝合金轻2／3，强度和刚性也很好，作为轻量化材料一直倍受人们的关注。但是除压铸外，其它的各种成形适应性差，再加上耐腐蚀性差、基体金属成本高、耐热性差，应用上受到了局限。通过减少杂质可以大幅度提高耐腐蚀性，其实它并不比铝合金压铸逊色。从目前日本国内汽车部件的应用状况看，压铸性能和耐腐蚀性能好的AZ91D合金主要应用在缸盖和各类密封垫上，延性好的AM类合金(AM50A，AM60B)主要应用在转向器芯棒上。大多应用于没有腐蚀性和环境温度不高的小部件上。欧美的情况是，应用在仪表板骨架和有耐热性要求的驱动部件的罩类上。近年来，日本国内镁合金应用在座椅和仪表板骨架等大部件的情况已进入了实用化阶段。在镁合金中添加Ca和稀土元素，提高其耐热性，目前已开始应用在机油盘壳和变速器壳上。如果耐热镁合金部件的成本进一步降低的话，应用范围还会更加广泛。除铸造成形工艺外，还有锻造、挤压、轧制和焊接的新工艺也处在研究开发之中，今后研究成果将层出不穷。非金属材料1.陶瓷材料陶瓷中分为氧化类、非氧化类、烧结体、膜和纤维材料等，从特性上来分，分为工程机械陶瓷和电陶瓷。工程机械陶瓷材料具有高强度、高刚性、耐热性和耐磨性等机械特性。主要应用在汽车以氮化硅为材料的涡流增压器转子、柴油发动机的涡流室、燃油喷射泵的滚轮和滚轮衬套上。电陶瓷材料具有高绝缘性、高传热性和压电特性。氧化铝陶瓷应用在火花塞上，氧化锆应用在排气控制不可缺少的氧传感器上，压电材料应用在门锁控制中的车速传感器上。2.塑料材料塑料材料由于造型容易、重量轻、成本低而受到汽车行业的青睐，尤其是形状变化自由度大，过去主要用于汽车的内外饰造型部件上，而现在的趋势是用在使用条件苛刻的功能部件上。随着“汽车回收再利用法”的出台和环保意识的加强，人们开始使用环保的生物分解性塑料(聚乳酸)，该材料便于回收再利用，并且人们按照回收再利用流程对材料的种类进行整合。(1)外装部件：聚丙烯(PP)类材料的性价比好，而且刚性高，耐撞击性好。为了满足个别部件的造型性和耐撞击，在外延翼子板、包层钢板、摇臂、后围板上采用了与保险杠相同的材料。虽然聚酰胺(尼龙)／聚苯醚(PA／PPO)类的工程塑料是发展的主流，但是聚碳酸脂(PP)类通用塑料的开发也正在进展之中。PC材料的遮阳板、侧窗玻璃的树脂化研究也在进行中，一部分部件已被应用。提高抗划伤性和耐气候性是今后的课题，随着表面处理技术的提高，今后应用将更加广泛。外装部件具有代表性的新技术是“干漆膜”(采用熔融树脂注塑成型法的已成型漆膜作为嵌入件)，又称为“压入着色薄膜(将聚丙烯共聚物注塑在压入着色膜的背面)”和材料着色技术，一部分部件已进入了实用化阶段。为了提高生产率和产品质量，进一步降低成本，低压成形技术、一体成形技术和发泡成形技术等新的制造工艺层出不穷，与之相匹配的新材料开发也在进行之中。(2)发动机部件：PA(聚酰胺)、POM(聚甲醛)、PPS(聚苯硫醚)等工程塑料大多应用在使用条件恶劣的发动机舱内。对缸盖、进气歧管、散热器用塑料，人们大多采用具有耐热性和刚性好的玻璃纤维增强的PA66和PA6。部件数较多的发动机，为了减轻其重量，工程师们正在研究一体化部件，这种材料一般用于汽车的前端模块、风扇罩和节气门等处。(3)其它：对于燃油系统的油箱，为了加大燃油器内空间和满足防锈性和轻量化需求，人们广泛地采用多层结构吹塑成形的高密度聚乙烯(PF)。对于底盘和驱动系统的部件，其球接头采用滑动性能好的POM，齿轮部件采用PA66。电装部件采用绝缘性好的PBT(聚双苯二甲酸丁二醇酯)，比如插座处采用该材料。3.内饰材料考虑到内饰塑料材料的回收再利用性、轻量化和成形性，PP类树脂的应用越来越广泛。然而，从设计和成形方面考虑又对其种类进行了整合。以前仪表板表皮采用聚氯乙烯(PVC)，发泡层采用聚氨酯(PU)，基材采用ASG(玻璃纤维强化AS树脂)。目前考虑到环保，表皮不使用PVC而使用热塑性聚氨酯(TPU)或热塑性聚烯烃(TPO)，基材使用PP类材料。对于车门内饰，对PP类基材进一步施加了轻量化技术，即通过化学发泡剂进行喷射发泡。由于CO2的排放导致地球的温室效应，为了实现循环经济，将来采用以植物为原料的塑料(生物塑料)件来代替石油类的塑料件。为了提高汽车室内空气质量，减少VOC(挥发性有机化合物)是很有效的手段。内饰部件对室内空气质量影响很大，所以选择材料非常重要，还要考虑涂装和表皮粘结技术(材料及工艺)。4.橡胶材料针对汽车的挥发性物质，2004年由LEVII进行法规约束，2005年以后开始由P-ZEV进行法规约束，因此，燃油管开始使用氟树脂，密封垫开始采用氟橡胶(材料的低温性能比过去高)。一方面使用共轨柴油系统来提高燃油温度，另一方面使用氟橡胶来提高耐热老化性和耐酸性。另外，由天然气制取生物燃料(GTL)、DME(二甲醚)和高浓度乙醇已受到了人们的关注，与各种燃料相对应的材料开发还在不断进行。欧洲的柴油车比较多，