浅谈汽车车身材料及应用
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邢台职业技术学院
毕业论文
题目:常用汽车车身材料种类及材料
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常用汽车车身材料种类及材料
摘要:随着汽车保有量的不断增长,汽车已成为我们身边不可缺少的交通工具,那么面对越来越高的油价,我们无法把有限的石油再次利用,有资料表明,在2010年前,汽车数量突破10亿大关。在1990-2020年期间,估计汽车数量将从7亿增加到14亿辆,到2013年石油的储备总量的1/2将被耗尽,如何减少石油的损耗?那么车身材料的轻量化无疑是一个重大的突破口。本文详细地论述了车身材料,车身材料应用现状以及车身材料应用的发展趋势。
关键词:钢板,铝合金,镁合金,工程塑料,高强纤维度复合材料
1.汽车车身材料的种类
1.1钢板
车身结构中有两种类型的钢板:热轧钢板和冷轧钢板。热轧钢板是在 800℃以上的高温下轧制的,它的厚度一般在 1.6~8 mm之间,用于制造汽车上比较厚的零部件,例如车身和横梁;车架、车辆车身内部钢板、底盘零件、底盘大梁等。冷轧钢板是由热轧钢板经过酸洗后冷轧变薄,并经过退火处理得到的(因为滚轧的关系,内部结构变硬,故而实施退火处理使它软化)。他的厚度精度高,厚度为0.4~1.4mm。表面质量好,并且具有良好的可压缩性。
当今的汽车主要使用高强度钢板,从前的高强度钢板,延伸强度虽高于低碳钢板,但延伸率只是后者的50%,所以只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素,经各种处理轧制而成,其抗拉强度高达420N/mm2,是普通低碳钢板的2~3倍,延伸性能极好,可轧制成很薄的钢板,是车身轻量化的重要材料。到2000年,其用量已上升到50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作,2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg,占车身钢板用量的46%,对减重和改进车身性能起到了良好的作用。其品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢和超低碳高强度冷轧钢板等。
①含磷高强度冷轧钢板:含磷高强度冷轧钢板主要用于车门、顶盖和行李箱盖,也可以用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为:具有较高强度,比普通冷轧钢板高15%~25%。良好的强度和塑性平衡,即随着强度的增加,延伸率和应变硬化指数下降甚微,具有良好的耐腐蚀性,比普通冷轧钢板提高20%;具有良好的焊点性能。
②烘烤硬化冷轧钢板:经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理,屈服强度的以提高。这种简称BH钢板的烘烤硬化钢板,即薄又有足够的强度,是车身外板轻量化的首选材料之一。
③冷轧双相钢板:具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点,如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的
车身零件。主要用于拉伸性能好的成立零部件,如车门加强版,保险杠等。
④超低碳高强度冷轧钢板:在超低碳钢(c≤0.005%)中加入适量的钛或铌,以保证钢板的深冲性能,再添加适量的磷来提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合,特别适用于一些复杂而强度要求高的冲压零件。
⑤高强度低合金钢板:又称回磷钢板,是通过在低碳钢中加入磷来提高钢的强度。它具有和低碳钢相类似的加工特性,为汽车的外部面板和车身提供了更高的抗拉强度。它的强度主要取决于添加的化学元素。可用来制造前后梁、车门槛板、保险杠面杆、保险杠加强筋、车门立柱等。
⑥高抗拉强度钢板:又称Si-Mn固溶体淬火钢板,这种钢增加了硅、锰和碳的含量,使抗拉强度得到提高。日本生产的汽车上装有高抗拉强度钢制成的车身构件,常规的加热和焊接方法不会降低这种钢的强度,它的屈服强度可达 350 MPa,抗拉强度可超过 450 MPa。在汽车受到碰撞而产生变形时,它的应力将增加,超过屈服强度。如果对受到碰撞的部位加热,促它恢复原来的变形,可减小因碰撞而产生的应力,因此强度又恢复到了原来的水平。如果碰撞所产生的应力超过了材料的抗拉强度,钢材将会破裂。
1.2铝合金
铝合金在车身上的应用主要分三个阶段:“四门两盖”阶段,这是比较昂贵的权宜之计,对车身承载没有太大的影响;“壳式支撑结构”车身阶段,这是第一阶段中的一个提升,带有了加强筋结构从而可以替代高强度钢板;“空间框架结构”车身阶段,这才是真正意义上实现了全铝车身设计的制造。与汽车钢板相比,铝合金具有密度小、强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点,技术成熟。如表1是铝合金在车身上的应用。根据车身结构设计的需要,采用激光束压合成型工艺,将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型,再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。
表1 铝合金在车身上的应用
1.3镁合金
镁的密度为1.8g/cm3,仅为钢材密度的35%,铝材密度的66%。此外它的强度、钢度高,导热性好,电磁屏蔽能力强,尺寸稳定性好,因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富,镁可从石棉、白云石、滑石中提取,特别是海水的盐分中含 3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。
铸造镁合金的车门是由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门,它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成,每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg,且钢度极高。随着压铸技术的进步,已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件,如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。
1.4泡沫合金板
泡沫合金板由粉末合金制成,其特点是密度小,仅为0.4~0.7g/cm3,弹性好,当受力压缩变形后,可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多,除了泡沫铝合金板外,还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等,可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能,特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能,深受汽车制造商的青睐。目前,用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。
1.5蜂窝夹芯复合板
蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同,可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等;面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、强度高、钢度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点,故在汽车车身上获得较多应用,如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯,钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板,使零件质量减轻了50%~60%,且易于冲压成型。
1.6工程塑料
与通用塑料相比,工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点,且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起,以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车,塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果。
中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况,而且价格高,缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆,红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆,而日本轿车平均为14kg/辆,宝马则更高,为35.64kg/