金属材料在现代汽车制造中的应用及发展方向

金属材料在现代汽车制造中的应用及发展方向

现代车用金属材料发展方向

近年来，工业发达国家对汽车的发展提出了节约能源、防止环境恶化和改进汽车安全性等几个主要目标。这些目标的提出反映了当今的汽车存在着下述问题：

消耗燃油过多，使地球的剩余石油储量和供应告急，汽车发展业已遇到了能源上的制约因素汽车排放废气过多，废气的有害成分危及大气环境，对城市特别不利，这也是地球气候变暖的重要因素之一；此外，汽车报废量大，每年报废车辆的物资回收不完全，致使汽车废弃物严重污染了环境，这使汽车的发展又已遇到环保上的制约因素；汽车使用中事故频发，危及行人及乘客的生命、健康，这又使汽车的发展也遇到安全上的制约因素。

可持续发展涉及面极其广阔，诸如人口、资源、工业、农林牧渔业、城市发展等等，无所不包，而汽车以其在现代社会中的重要作用，也处处遇到这个主题。寻求汽车业可持续发展通路，克服制约其发展的障碍，是汽车发展和汽车材料技术开发的重要动力和追求目标。

随着科学技术的飞速发展现代汽车制造材料的构成发生了较大的变化高密度材料的比例下降，低密度材料则有较大幅度的上升，可以说，从90年代开始，汽车材料已逐步向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。

常见车用钢材

长期以来，钢铁一直是制造汽车的主要材料，在汽车用钢中，合金钢比例较高。国外不少汽车采用含Cr、Ni、Mo等元素的结构钢和含Co量很高的永磁材料，但这些资源都较稀缺，节约合金资源成为指导汽车材料开发和应用的方针之一。

构成汽车的零件约有两万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料。其中86%约是金属材料，而在金属材料中，钢铁材料占了80%。90年代，日本汽车制造业对钢铁材料的消费中冷轧薄板占37%，热轧薄板占33%，特殊钢占24%；另外铝铸材料的83%都是用于汽车制造上这对日本经济界的发展产生了很大的影响。钢铁材料的理论强度约为14000MPa，直径为1～2μm的铁单晶体试棒可接近这个理论强度，但实际使用材料的最大强度只有2000 MPa。从宏观上看是由于材料的缺陷，从微观上看是由于结晶的缺陷，所以，为得到强度高而便宜的钢铁材料，应尽量进行各种各样的研究，减小这些缺陷。

汽车的车体钢板，以前使用的是容易成型的软质钢材。为适应轻量化的需求，后来开发了高张力钢板。这种钢板具有成型性好、强度高，板材薄的优点。高张力钢板是在原有钢板基础上添加固溶强化型元素硅、锰等和析出强化型元素铌、钛等，并在退火炉内连续退火得

到的。它有着屈服点低、复合成分多的特点。

车身外板使用最多的是加磷的抗拉强度为350～400MPa的钢板，轿车上使用的20%～50%都是高张力钢板。目前正在进行将以前铸造的一体成型的发动机气缸体改为钢板冲压成型的研究，这样可大幅度减轻汽车重量，制成轻量化(约33%)的钢板制气缸体。另外，为实现高功率输出、轻量化、降低噪声等的需要，人们对驱动系统齿轮提出了严格的质量要求，期望其强度好，热处理变形小。为达到这一要求，在钢铁材料的制造过程中，采用了连续铸造法。这种方法跟以前的铸锭法相比，具有冷却速度快、成分偏析少的优点，它与制钢时的真空脱气技术组合，可以满足对齿轮强度的要求。进而，缩小对热处理变形影响大的钢的淬透性的偏差，制造出高品质的连续铸造钢成为新的目标。现在铸造的钢可将日本工业标准规定的淬透性规格限制在1/3上。除此以外，连续铸造法还具有提高制钢材料利用率和降低能耗的优点，且因制造工艺合理也使成本降低了。

降低成本和提高质量是同等重要的课题，降低成本主要有两个手段：一是减少合金元素的添加量和降低替代材料的成本。例如，可将价高且不稳定的含Mo的Cr～Mo钢换成钼添加量只有其一半的半Mo钢和硼钢。二是降低零件制造成本。在这里，为降低零件制造所消耗的能源，采用了非调质钢；为提高加工能力，采用了易切削钢。因非调质钢添加了钒，控制了热锻后的冷却速度，省去了淬火、回火的热处理，故确保了强度。它可部分使用在汽车的曲轴、连接件、FF车的车轮上，而且用途可望得到进一步扩大。另外，由于易切削且强度低而用于齿轮的低铅、易切削钢是一种新的易切削钢材。它可用于小型车的变速器，并具有降低制造成本的效果。

钢板钢板是汽车制造中耗量最大的材料品种。我国中型载货汽车的钢板消耗量约占整车全部钢材消耗量的50%或稍多，日本的中型载货汽车也在相当水平。对轿车来说，每车钢板消耗量则占整车全部钢材消耗量的70%以上。德国汽车钢板平均用量占整车质量的45%，英国、日本的这一比例分别为30%和36%。钢板主要发展方向是高强度化、高防锈能力、好的加工性能和减振性能。

高强度钢板在车身上的应用始于70年代初期，20多年来高强度钢板的应用取得了长足的进展。现在日本乘用车上高强度钢板的消耗达到30%～40%，而载货车驾驶室则较低，为5%～10%。在高强度钢板方面，含磷钢板、烘烤硬化钢板(BH钢板)、双相钢板(DP钢板)己经得到了实际应用。含磷钢由于利用了P的固溶强化，抗拉强度一般在340～460MPa，其冲压、焊接、涂装等加工性能优良，在车身内、外板上均有广泛使用。

BH钢是通过适当的退火工艺控制固溶C原子数量，达到冲压前低屈服强度，从而使成

形和烘烤过程中屈服强度增高40～80MPa的高强度钢种，其主要特点是抗凹陷性好，用于加工车身外板。DP钢通过适当地加入合金元素和控制生产工艺，可获得80%～90%的铁素体和10%～20%的马氏体组织。它具有低的屈服强度、高的加工硬化指数成形性良好，拉伸强度可达560～1030MPa。

新型弹簧钢新型弹簧钢主要指汽车悬挂系统的弹簧用钢，目前使用最广的钢板弹簧是Si钢，其性能基本上能满足使用要求。近年来，变截面少片弹簧在汽车上的应用越来越多，使用这种弹簧可以节约1/3左右的材料，并使汽车的平顺性能得到改善，有显著的技术经济效益。但由于其生产工艺发生了相应的变化含Si量较高的弹簧钢具有较高的脱碳倾向，故应发展低Si或无Si的弹簧钢，以满足生产的需要。

微合金非调质钢是指在钢中加入微量V、Ti、Nb等元素，经锻造或轧制冷却后在铁素体、珠光体中析出碳化物或碳氮化物而达到强化、不需要调质、减少热处理工序和设备、避免热处理变形和淬火裂纹造成废品、降低能耗和生产成本的目的特殊钢种。

高强度钢板采用高强度钢板既可以减少汽车自身的质量，又可以提高汽车的安全性和可靠性，含磷深冲压高强度钢板主要应用于车身、驾驶室上的深冲压件使用得当，可降低材料消耗的10%，双相钢板有较低的屈服强度和高的加工硬化能力比较适宜于制造变形程度大的冲压或拉延深件，根据成形特点，可使零件质量减轻30%～60%。

镀覆钢板镀层钢板和钢管的研制，是为了改善耐腐蚀等性能。国外在汽车上大量使用覆层钢板。镀铝或渗铝钢管主要用来制造消声器、排气净化装置的接触容器和反应器部件。镀锌钢板用来制造车身、车架、驾驶室、油箱等零件。含锌、铬的高分子化合物涂层钢板，主要用于防腐蚀要求高和不便于涂装的车身、驾驶室零件。

齿轮钢齿轮是汽车的重要基础零件，应按其模数和工作状况选用不同级别的齿轮钢。在我国变速器和后桥齿轮大都使用2CCrMnTi，目前急需仿制国外成熟的先进钢种形成汽车齿轮用钢系列化。

常见车用有色金属材料

(1)、铝合金铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、适合多种成形方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料。如今，能源、环境、安全等方面的原因使人们对汽车轻量化的要求越来越迫切。使用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径，而铝是应用得比较成熟的轻量化材料之一。近20年来，铝在汽车上的用量在汽车材料构成比中所占份额有着明显的增加。由铝合金制造的零件己经遍及汽车的发动机、底盘、车身等各个部