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汽车车身材料应用现状与发展趋势

来源:用户上传      作者: 任海民

  【摘要】近年来,人们对汽车车身要求开始提高,车身的轻量化、车主需求的多样化、材料工艺的复杂化、配件性能的高标准化、低碳减排节能化以及材料的供求问题,都致使汽车车身材料发展的形势变得越来越复杂。本文就车身材料的应用现状和发展趋势进行展望,着重阐述了现代车身材料的发展趋势。
  【关键词】金属材料;复合材料;汽车车身
  1.汽车车身材料的应用现状
  在当今的汽车制造中,车身材料的使用广泛采用金属材料,这类材料具有较好的实用性、工艺性和经济性。
  1.1 黑色金属
  在大多数汽车中,黑色金属约占汽车车身材料的90%以上,而其他材料不足10%。黑色金属即铁碳合金,根据常见金属材料在车身上的应用场合不同,铁碳合金可分为普通低碳钢板和特殊钢板。
  (1)普通低碳钢板
  目前,汽车车身生产中,特别是冲压生产中,使用得最多的是普通低碳钢板。该钢板的厚度大致为0.2~3.0mm,其中0.6~2.0mm是现在白车身钢板优选的厚度。低碳钢板具有很好的塑性加工性能,其强度和刚度也能完全满足汽车车身的强度和刚度要求,同时能满足车身拼焊的焊接要求。
  (2)特殊钢板
  冷轧钢板。表面质量好,多用于车身冲压件冷轧钢板的厚度在0.15~3.2mm之间,汽车车身多采用0.6~0.8mm的薄钢板。这种薄板的尺寸精度非常高,表面光滑具有良好的力学性能、加工性能、成形性能和焊接性能。主要用于车身侧围板、顶盖、发动机罩、翼子板、行李箱盖、车门板和仪表板等覆盖件。
  高强度钢板。拉伸强度在350MPa以上。具有较高的屈服点,降低板厚不会对冲压件的质量造成太大影响,因而可以减少外表面的厚度,达到减少质量的目的。一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的汽车零件。
  表面处理钢板。可以防止腐蚀提高车身材料的抗高温抗氧化能力。表面处理钢板常见的有镀锌钢板、镀铝钢板、镀铅锡合金钢板和复层钢板。
  高强度拼焊钢板。在冲压前按车型设计将不同厚度和不同性能的钢板裁剪后拼焊起来的一种钢板。随着成形工艺的发展,超轻超薄高强度钢板的应用正在向汽车附件(如车门、发动机罩、尾箱盖板等)延伸。高强度钢车身骨架结构,在保证车身强度和刚度的同时,可以实现减轻重量的目的。
  1.2 有色金属
  有色合金在汽车上应用的快速增长是汽车材料发展的大趋势。
  (1)铝合金
  铝在地壳中的含量约占8.13%,在金属元素中是最丰富的。铝具有良好的机械性能、耐腐蚀性、导热性、加工性及回收性,其密度只有钢铁的1/3,因此在汽车车身轻量化中的作用非常明显。
  2000系铝合金具有优良的锻造性、良好的焊接性能和高的强度。5000系铝合金中的Mg固溶于铝中,形成固溶强化效应,使得该系合金具有接近普通低碳钢板的强度,并且成形性较好,可以用于内板等复杂形状的部位。6000系铝合金塑性好、强度高,具有优良的耐蚀性,综合性能好,可以用作汽车车身内板和外板。
  (2)镁合金
  除了高强度钢和铝合金外,镁合金在车身上也得到一定程度的应用。
  镁具有加工性好、良好的抗凹性、良好的减振性等优点,镁合金密度大约为1.89/cm3,是铝合金的2/3,具有极大的轻量化应用潜力。用于车身组件的变形镁合金主要有Mg-Al-Zn系合金和Mg-Zn-Zr系合金两大类。
  目前汽车工业镁合金用量最多的国家和地区主要包括北美、欧洲、日本和韩国,这些镁合金主要用来制造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架、转向盘骨架及进气歧管等。尽管镁合金具有诸多优点,但是目前全球每辆汽车镁合金的平均用量约3kg,技术以及成本问题是当前制约镁合金大量使用的关键因素。
  1.3 工程塑料和复合材料
  工程塑料和复合材料是另一类重要的汽车轻质材料。与通用塑料相比,工程塑料具有优良的机械性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点,比被取代的金属材料轻且成型时能耗少。
  纺织复合材料由纺织结构物和基体材料组成,将纺织技术和现代复合材料的成型技术相结合,有效地克服了传统复合材料的取向性和力学性能的不均匀性以及损伤容限低等缺点,比强度和比模量高,抗疲劳性能好,在汽车工业中的应用越来越广泛。柔性纺织复合材料主要用于车身内、外装饰及车用管材、带材,刚性纺织复合材料可以制作车身部件。
  2.汽车车身材料的发展变化
  随着车身材料的发展,车身的材料虽然仍以钢材为主,但材料的性能和比例都发生了改变,安全性、经济性和实用性得到了提高。
  汽车车身材料主要在性能、材料选择、质量上发生了巨大的变化。
  2.1 性能的变化
  (1)刚度、强度提高
  现代车身高强度钢、超高强度钢、薄钢板广泛应用于轿车外板、车门、顶盖和行李厢盖等部位,车身的强度、塑性、耐腐蚀性和点焊等性能得到很大提高。
  (2)塑性、韧性增加
  车身材料的塑性和韧性非常重要,现代车身材料通常使用增塑剂、回火处理等方式来提高塑性和韧性。同时也会增加Si、Mn、S、Sn等微合金元素在金属材料中的应用,来改善金属的性能。
  (3)防腐蚀
  钢铁材料具有优秀的强度、刚度、硬度以及加工性,但是钢材的最大的问题就是耐腐蚀性差。对于钢制车身来说,材料生锈会吸附更多水气而加快其腐蚀,影响到车身整体强度,因此,防腐蚀尤为重要。
  2.2 材料的变化
  (1)碳纤维材料
  碳纤维是一种纤维丝状的材料,在制作成型时需要像织布一样纺织成片状,用有机胶浸润成形并固化,制作过程类似于玻璃钢,具有较好的韧性和抗拉强度,且重量只有钢的1/4。
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