汽车轻量化材料技术

汽车轻量化材料技术

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。因此，降低燃耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的方向。人们现已熟知的美国PNGV计划，预计到2004年或2005年，美国轿车将达到每升汽油可行驶约34km（3倍燃料效率）。

减小汽车自重是汽车降低燃耗及减少排放的最有效措施之一。美国的PNGV计划要求轿车自身质量减小40％。

1 材料技术在轻量化汽车中的作用

福特汽车公司负责人在一次国际材料学会议上强调指出，21世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。

RNGV:计划中明确提出选用新材料（包括高强度钢、铝、镁、钛合金、塑料及复合材料等）来实现减小汽车自身质量的目的，并把先进的轻质材料作为急需开发的技术领域。

铝、镁合金的优越性与竞争力迫使钢铁企业迅速发展高强度材料，于是引发了一场“金属材料之战”。钢铁业、铝业、镁业都纷纷制定出为汽车减小质量的计划。国际钢铁协会（International Iron and steel Institute）首先开展了超轻钢汽车车身（Ultra Light Steel Auto Body）项目，简称UISAB。参加该项目的有来自5大洲18个国家的35家国际著名钢铁企业。该项目于1994年启动，1998年结束。该项目的主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。

与UISAB相关的项目还有UISAC（Ultra Light Steel Auto Closures）和UISAS（Ultra Light Steel Auto Suspension）两项目，前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后一项目是采用高强度和超高强度钢板、钢管、棒材以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统。其目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架质量减小20%，不增加成本，达到铝材的减小质量标准，而成本与铝相比下降 20％。

UISAB计划后，钢铁企业又于1998年3月开始在全球实施UISAB－AVC计划，即先进的汽车概念项目（Advanced Vehicle Concept）。该项目是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件），于2004年可研制出概念车并满足2004年汽车碰撞安全标准要求，明显改善燃油效率，材料可回收，排放减少并能降低成本，可大批量生产。

与此同时，世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟（Auto Aluminum Alliance），其中包括铝协的汽车及轻卡集团、美国汽车材料合作伙伴（US Automotive Materials Partnership，简称USAMP）。

2 轻量化汽车材料技术的发展趋势

由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越，其

在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。但高强度钢和超高强度钢的应用，如汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。

铝镁合金在汽车上的用量将明显增加。

工程塑料、复合材料所占比例将有明显增长。

德国Paderbom大学O. Habn等人提到“多材料轻量化结构”（Lightweight Construction by multi material）及“合适的材料用在合适的部位”（The right material in the right place）两概念。认为多材料结构设计代表了今后汽车车身结构的发展趋势。通过对多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减小质量。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。要实现多材料轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”。

1 高强度钢板

1） ULSAB项目

ULSAB项目的创新点如下：

高强度钢和超高强度钢在车身结构上的应用大于90％；车身50％采用激光拼焊板；使用液压板成型技术；使用复合夹层钢板；车身组装广泛采用激光焊接。

与ULSAB相关性的ULSAC的创新成果有如下3个方面：

采用无框架车门结构；

采用高强度钢制造车门外板，其厚度0.6mm、0.7mm。钢种有烘烤硬化钢（BH：210MPa、260MPa）、双相钢（DP：500MPa、600MPa）、含磷钢（260MPa）、各向同性钢（260MPa）；

用超高强度钢制造车门杆件，其厚度1.0mm，采用双相钢（DP：650、840MPa）。

2） ULSAB－AVC项目

ULSAB－AVC项目的目标如下：

——安全：满足2004年汽车碰撞安全标准要求；

——减重：明显改善燃油效率，降低油耗；

——环保：减少排放，改善材料的回收再利用；

——经济：降低成本，便于大批量生产。

我国宝钢公司参加了ULSAB－AVC项目。

3）高强度钢板的定义与分类

ULSAB－AVC联合会认为对钢种分类的规范化非常重要。按习惯定义屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）。将钢种标记为XXaaa/bbb，XX为钢种类型、aaa为最低屈服强度（MPa）、bbb为最低抗拉强度（MPa）。钢种的标志符号统一如下：

传统钢种：低碳钢、无间隙原子钢（IF——Interstitial-free）、各向同性钢（IS——Isotropic）、烘烤硬化钢（BH——Bake hardenable）、碳－锰钢、低合金高强度钢（HSLA）。

先进高强度钢（AHSS）钢种：双相钢（DP——Dual Phase）、复相钢（或多相钢）（CP——Complex Phase）、相变诱发塑性钢（TRIP——Transformation-induced Plasticity）、马氏体钢（Mart——Martensite）。

按照ULSAB所采用的术语，将屈服强度为210-550MPa的钢定义为高强度钢（HSS），屈服强度超过550MPa的钢定义为超高强度钢（UHSS）；而先进高强度钢（AHSS）的屈服强度覆盖于HSS和UHSS之间的强度范围。

2 其它轻量化材料

铝具有高的导电性和导热性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。铸、锻、冲压工艺均适合于其零件制造，在汽车上的用量将明显增加。

镁的密度为铝的2/3、钢的1/4。镁具有较高的比强度和比弹性模量、良好的刚性和抗电磁干扰屏蔽性、高的阻尼性能和减震抗冲击能力，其切削加工性和尺寸稳定性优于铝。镁合金易于回收利用，其应用极为广泛，也是汽车工业中最有发展前景的轻金属结构材料。中国钢铁新闻网为了达到进一步减小质量及降低成本的目的，除了开发高强度钢、铝、镁轻合金材料外，近年来还将一系列新工艺应用于高强度钢和轻质材料的开发，如激光拼焊、液压成形、半固态金属成形、注射成形和喷射成形技术等。

下面将简单介绍半固态金属成形技术和喷射成形技术。

1 半固态成形技术

1）半固态金属成形技术的产生与发展

20世纪70年代初．以Flemings教授为首的美国麻省理工学院的研究小组偶然发现了机械搅拌下的半固态金属组织和流变性特点。随后，Flemings教授及其助手在此方面进行了深入、系统的基础和技术研究，提出了半固态金属成形或加工技术（Semi-Solid Forming or Processing of Metals，简称SSF或SSP）的概念，开创了金属材料成形加工技术的新领域。