汽车车身材料轻量化的应用现状及研究进展

来源:用户上传      作者: 樊友煜

　　【摘 要】 汽车车身的轻量化是一个复杂的系统工程，也是汽车行业发展的趋势之一，实现车身的轻量化，可以有效的节约能源，减少废气排放。本文综述了车身材料轻量化的应用现状及最新研究进展。
　　【关键词】 汽车车身 轻量化 新材料
　　据最新数据显示，截至2012年底，中国机动车保有量达到2.38亿辆。其中，汽车保有量首次突破1亿辆大关，跃居全球第二，预计到2020年中国汽车保有量将超过2亿辆。到2015年，全球汽车保有量将从2007年的近9.2亿辆增至11.2亿辆左右。汽车保有量的增加在给人们出行带来方便的同时也带来了能耗，安全和环保问题。为了治理环境污染，各国相继对大气中各种排放污染源提出控制要求，制定强制性排放标准，以控制汽车污染物的排放量。按照世界铝业协会的统计标准，汽车总重减轻10%，百公里油耗减少6%-8%，排放降低5%-6%，而燃油消耗降低1L，CO2排放量将降低2.45Kg。可见汽车轻量化是实现节能减排的重要手段，且能同时满足安全、油耗和排放三项法规要求。
　　轻量化，即是在满足碰撞要求且保证汽车整体性能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量，达到质量-性能-成本三者的最优结合。实现汽车轻量化主要有3种途径：一是改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化；二是开发新型轻质材料，如使用铝、镁合金等有色金属、塑料及非金属复合材料，或者截面厚度较薄的高强钢度钢；三是采用先进的制造工艺，如激光拼焊、液压成型、辊压成型等。汽车车身质量占整车自重的30%-40%[1]，对于整车的轻量化具有重要的意义，因此轻量化新材料的开发与应用是汽车轻量化的最有效途径之一。
　　1 高强度钢板材料
　　钢铁材料由于其高强度，成本低的特点，相对于高分子材料和镁、铝合金材料而言仍是车身材料最广泛的应用材料。钢铁材料的结构已发生很大变化，高强度钢的用量越来越大。目前已经先后开发出高强度钢（屈服强度大于210Mpa）和超高强度钢（屈服强度大于550Mpa）。由于高强度钢屈服点较高，降低板厚不会对冲压件产生太大影响，因而可以减少外表面的厚度，达到减少质量的目的。当钢板厚度分别减少0.05mm、0.10mm、0.15mm时，车身减重分别为6%、12%、18%[2]；在成本方面，零件厚度减薄10%-20%，高强度钢板的均价增加10%-25%，因此单件成本基本不变。高强度钢板的使用，不仅能提高汽车轻量化，同时对汽车的车体的弯曲钢性和扭转刚性也会有显著的提高作用。高强度钢除在基本力学性能方面有优势外，综合成型性能的优势也越来越显著，包括成型极限、回弹性、扩孔性能和弯曲性能等。现在中高档轿车中高强度钢板的用量已达钢板用量的20%～50%。
　　在新型钢材开发方面，国外钢铁企业也投入大量资金先后开展了ULSAB（Ultra Light Stele Auto Body）项目，ULSAC（Ultra light Stele Auto Closures）项目，ULSAB-AVC（Ultra Light Stele Auto Body-Advanced Vehicle Concepts）计划，从整体上研究开发新一代钢铁材料的汽车，明显提高了钢铁材料的弯曲和扭转刚度。相比国外，国内钢铁企业对汽车用高强度钢的开发与应用也取得了较大的进展，如宝钢已经形成CQ、DQ、BH、DP及TRIP等多种商业化供货能力的高强度钢板品种，已涵盖了国外当前生产的主要品种。朱士凤等[3]应用中国一汽与宝钢共同开发的高强度IF钢板BIF340、烘烤硬化钢板BH340分别替代St14和St13冷轧钢板，使CA1092载货车用高强度冷轧钢板占整车的57.6%。邢蕊蕊等[4]通过提高白车身高强度钢板的应用比例和调整应用位置，分析研究了优化前后高强度钢板对汽车轻量化、安全碰撞、模态刚度的影响。
　　2 铝合金材料
　　铝合金是目前采用最多的轻金属材料。纯铝密度为2.68g/cm3，密度约为钢的1/3，单件可轻量化50%左右，强度高，耐蚀性耐候性好，可100%回收。目前铝在车身的应用已经不限于单个零件，市场上已经出现了全铝车身的车型。表1为目前的全铝车身车型。
　　汽车车身铝合金的研究目前主要集中在两个方面，一方面是对铝合金本身的研究，通过添加一些合金元素改变铝合金的力学性质。王小宁等[11]研究了微量Ag对6022合金T4态下成形性能，模拟烤漆处理后的力学性能以及时效析出动力学的影响，结果显示，在6022合金添加0.35%可以显著提高175℃时效30min后的强度及时效相应速度和峰值硬度。田妮等[5]对汽车车身板用Al-1.5Si-1.2Mg-0.6Cu-0.3Mn铝合金冷轧薄板进行了固溶处理，发现在500℃-550℃温度区间，随着温度的提高，合金板材的强度和延伸率单调增大，540℃时保温30min可使其具有良好地成形性。
　　另一方面的研究集中在铝合金的成形工艺上，车身现在主要的成形工艺主要有塑性成形、连接、液态成形。铝合金由于其本身很好的延展性和可焊性，所以其主要成形工艺为焊接和冲压，自冲铆接技术。周清林等[6]对CO2激光焊接和TIG两种焊接方式的铝合金薄板焊接接头的力学性能进行了测定，结果显示材料的各向异性影响焊接接头的性能，焊接接头的力学性能与各个区域的性能存在一定的关系，为焊缝的表征提供了理论依据。倪建东[7]研究发现，在中频电阻点焊6061铝合金0.9mm薄板时，采用焊接电流为19kA，焊接压力为2.6kN，通电时间在90～120ms能得到较好的点焊接头。
　　3 镁合金材料
　　镁合金密度1.3-1.9g/cm3，比铝合金轻33%，比钢轻77%，是工业金属结构材料中最轻的材料，可在铝合金车辆的基础上在减轻15%-20%，并且具有加工性好、良好的抗凹性、良好的减振性等优点。通过对镁合金车身和普通车身刚度和模态进行对比发现，镁合金车身的刚度和模态基本保持普通车身的水平并满足车身力学性能的要求。但镁合金的使用也受到一些限制，由于镁和镁合金属大多数呈密排六方结构，室温成形相对困难，需要高温下成形。此外，作为汽车面板，表面质量也是需要考虑的一个重要问题。 　　欧美等发达国家从20世纪90年代开始就把镁合金用于汽车零部件上，欧美国家研制的零部件已有60多种，北美国家已达100多种，从变速杆，变速箱体，仪表盘，车内门框到车扶手等，单车用镁合金从9.3kg至40kg。现在用于车身部件的镁合金主要有两种Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系两种合金，汽车上使用最多的是AM60B和AZ91D，此外AS41B在一些北美生产的汽车上也得到了应用。镁在汽车工业上的年增长率每年递增25%以上，可见镁合金在汽车轻量化上有极大应用潜力。
　　在镁合金的制造工艺因素的研究上，很多学者进行了大量相关的研究。孙宏图等[8]在常温条件下对AZ61镁合金进行压缩变形实验，采用镁合金结构对某轿车车身前端进行轻量化的改进设计，显著降低了车身质量。胡基贵等[9]对AZ31镁合金热挤压变形过程中温度的演变与控制进行了有限元模拟与实验研究，通过控制挤压速度的方法可以对坯料在挤压过程中温度的变化加以控制，为实际挤压生产过程中对温度的控制提供了有效的工艺参数。
　　镁合金的高温锻造抗蠕变性对镁合金最终强度有很大影响，国外学者在这方面的研究相对的走在前列。Pekguleryuz，M.O.等[10]通过在Mg-Al合金中添加稀土类元素和Sr、Ca、Sn等来提高其抗蠕变性。Easton，M.A等[11]以Mg-Zn合金为研究对象，通过升高Nd/La所占的比率来生成固溶体Mg-4RE-0.6Zn合金，结果表明α-Mg基中固溶体生成率对抗蠕变性有重要作用。
　　4 钛合金材料
　　钛合金是一种新型结构及功能材料，它具有优异的综合性能，密度小，比强度高，耐高温，抗氧化，耐腐蚀，而且在地球中资源存储量仅次于铝，铁，镁，居第四位。钛是继钢和铝之后崛起的“第三金属”。钛合金的应用已经从航空、海洋领域逐步扩大到建筑、汽车等领域。
　　目前，钛合金用于减轻汽车质量方面主要应用于汽车连杆、发动机气门、钛合金弹簧类，比如意大利的新型法拉利3.5LV8与Acura的NSX发动机首次使用了钛合金，质量可减小15%～20%；用Ti-6Al-4V等制成的气门比钢制气门轻30%～40%。钛合金在车身上的应用发展较缓慢，主要是由于钛合金的加工条件复杂，材料成本较高，极大的限制了钛合金的发展。世界各国正在寻求新的途径，选用较廉价的合金元素，采用热加工和冷加工工艺，降低钛合金的生产成本，达到汽车行业可接受的水平。
　　5 非金属材料
　　汽车工业应用的非金属材料主要包括塑料及其复合材料、碳纤维复合材料。它们在车身轻量化方面的应用方面占了很大比重。现在，汽车用塑料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PEL）、ABS、尼龙（PA）、聚氨酯（PUR）等。塑料基复合材料主要指的是纤维增强塑料是一种增强纤维和塑料复合而成的材料，常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。塑料及其复合材料主要有以下的优点[12]：①质量轻，密度低；②加工性能好，生产效率高；③可设计性强，手感好，适合于车辆的各种内饰件；④容易实现零部件的一体化，可大大减少一些部件或总成的零件数量，减少部件的加工工序，降低部件生产成本，并可提升部件的性能；⑤耐冲击，具有较强的撞击性能；⑥抗蚀性能优良。汽车的保险杠、仪表盘、内外装饰件等差不多用的都是塑料件。
　　欧美等发达国家现在汽车上的塑料用量已占塑料总消耗量的7%-11%，美国的GM公司的Ultra的全塑车身采用玻璃纤维复合材料，用于高档跑车，在普通高级乘用车上，骨架采用金属材料，外覆盖件采用塑料件，如Satburn车型，国内由于起步较慢，成型技术等相对落后，生产成本较高，目前车用塑料所占比例不到1%，市场开发潜力巨大。
　　碳纤维复合材料由于有足够的强度和刚度已在航天航空等领域有较广泛使用。它也是适用于制造汽车主结构-车身、底盘最轻的材料。密度不到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7～9倍，预计碳纤维材料的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60%，相当于钢结构重量的1/3～1/6，汽车可以节油30%。英国材料系统实验室曾对碳纤维复合材料减重效果进行研究，结果表明，碳纤维增强聚合物材料车身重172 kg，而钢制车身质量为368kg，减重约50%，并且当产量在2万辆以下时，采用RTM工艺生产复合材料车身成本要低于钢制车身。
　　近些年来，碳纤维复合材料的研究集中在成型工艺上。树脂传递模塑工艺是复合材料常用一种成型工艺。该工艺是将纤维增强材料或预成坯铺放到闭模模腔内，用压力将树脂液注入模腔，浸透纤维或预成型坯，然后固化，脱模成型制品[13]。该方法特点是为闭膜成型技术，不污染环境，增强材料可根据产品受力情况任意铺放生产设备投资少，属于低成本、高性能复合材料成型技术，尤其适合于小批量、多品种汽车结构件、覆盖件的生产。尤其衍生的成型技术，如真空辅助树脂传递模塑法（VARTM）和西曼复合材料公司树脂浸渍模塑法（SCRIMP）是目前用得较多的成型技术。
　　但由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限。为提高碳纤维增强复合材料的用量，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题。
　　6 结语
　　高强度钢由于其良好的安全性，低成本等因素，在今后的一段时间内还将是降低汽车质量的主要材料；铝、镁合金、钛合金材料，在未来的汽车领域将有很大的发展潜力。但在综合考虑到市场，研究各个方面，轻金属材料与钢铁材料会复合起来使用。塑料及其复合材料，碳纤维复合材料等新型车身材料，将会随着其成形技术等方面问题的解决，在轻量化材料方面会有很大的上升比例。
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