新型材料在汽车方面的运用.docx

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新型材料在汽车方面的运用

新型材料在汽车方面的运用

摘要：

随着汽车技术发展的日益成熟，汽车的功能日益完善，汽车的结构越来越复杂，传统的汽车通常由几千个零件组成，现代高级矫车由几万个零部件组成。

为满足汽车节能、环保、安全、舒适的要求，实现轻量化、高强度、高性能的目标，构成汽车的材料也发生了巨大的变化。

通常按照材料的成分，将汽车材料分为金属材料和非金属材料两大类。

随着汽车技术的发展，未来汽车材料除金属材料、非金属材料外，复合材料和纳米材料也将获得广泛应用。

比如全铝合金、钛合金、陶瓷合金、碳纤维材料等等越来越多的新材料应用在汽车上。

1.传统汽车材料的现状和不足

目前汽车材料行业是向着轻量化以及环保化的方向发展，轻量化的发展能够很大程度上减少汽车尾气，增大汽油的燃烧效率，所以轻量化材料是将来的一个重要发展方向。

1.1传统汽车材料的现状

目前在汽车制造过程所使用的主要材料是钢铁，因为其不仅拥有良好的物理性能，具备极强的抗拉抗压能力，还拥有良好的化学性能，具有优秀的抵抗化学腐蚀的能力，而且还有一个重要的原因是钢铁价格低廉，能够充分满足汽车制造的需求，所以钢铁材料在汽车中的应用十分广泛。

通过研究德系车的相关资料可以发现，在整个汽车的质量中，金属材料的质量占比达到了69.7%，其中低合金钢和非合金钢的质量占比大约38.2%，铸钢和烧结刚的质量占比约14.8%，还有一小部分属于高合金钢，质量占比大约1.8%。

常见的用来生产汽车材料的钢材主要是钢板和特钢，在汽车的一些重要部分，比如说车盖、门板等处需要使用到一些质量比较好的钢材，其对物理和化学性能的要求都比较高，要具备良好的塑性、抗拉抗压强度，还要拥有一定的抗腐蚀能力。

有些部门的对钢材的一些特殊性能还有着要求，这就需要使用到特殊钢，例如弹簧、连杆等处适宜使用碳结钢和弹簧钢。

1.2目前传统汽车材料存在的不足

随着社会的发展，科技的进步，人们对汽车性能要求越来越高，节能降耗和降低排放污染为主要要求，而传统汽车由于自身材料的性质，无法满足人们的要求。

在环保方面的不足，特别是在空气污染方面，在大气中排放的大量有害气体会对大自然的生态环境带来极其严重的破坏，对大气层造成破坏，全球气候变暖等等。

在北京市中，每年的激动数量都在迅速增长但是汽车生产技术并没有同步提高，关于净化排气系统的技术也一直没有进步，造成了国内汽车尾气的排放量远远超过了国外发达国家。

同时因为交通条件差，汽车的维修条件差等一些因素造成了背景的汽车尾气污染问题一天比一天严重。

最近几年在市区内的对其氮氧化物含量一直在增加尤其是交通干道和路口地区的空气中一氧化碳和氮氧化物含量常年超过国家标准。

在油耗方面的不足，由于技术问题，传统动力总成的油耗居高不下，造成一部分不必要的燃油损耗。

在2017年的时候，有国内学者表明通过一些技术手段可以降低30%的油耗，若是能够同时应用盈量化，则油耗还能够将的更低。

2.轻量化新型材料的优势

有相关资料表明，在2012年年底以前，我国已有的机动车数量达到2.38亿，其中汽车数量在历史上第一次过亿，在全球范围内排名第二，专家预测这个数量在未来几年还会继续增加，一直到2020年的时候将会不低于两亿。

在全球范围内，2007年的时候，汽车数量有9.2亿，到了2015年的时候，这个数量上升到了11.2亿。

汽车数量的增加在给人们的出行带来便利性的同时也带来了新问题，比如能耗增加，环境污染加剧等等。

为了防止汽车尾气对大气的污染，各个国家都出台了相关政策来对汽车的尾气排放进行了限制，制定了标准值，汽车排放的尾气含量不能超过标准值。

世界铝业协会曾经进行过统计，若是汽车重量能够降低10%，则其在一定里程内的油耗能够降低不低于6%，不超过8%，在每一百公里中，燃油的消耗能够减少一升，二氧化碳的排放能够减少2.45千克。

从这里便能够看出来轻量化技术对于节能减排，降低污染有重大意义。

所谓轻量化，便是在不影响汽车各个构件的使用性能的前提下，通过技术手段来降低其重量，从而使得能够以最小的重量提供最优秀的性能。

通常来说轻量化手段有三种：

其一是在结构上改进，比方说原本的实体构件用空心构件来代替；其二是新型材料，开发性能上能够满足要求但是重量上比原本的材料低的材料，比如一些非金属材料或者铝合金镁合金等等；其三是先进的工艺，比方说激光拼焊，辊压成型等。

车身在整辆车中的质量占了大头，在三分之一到二分之一左右，若是能够降低车身质量，则能够极大的降低整辆车的质量，所以通过开发新材料的方式来降低车身质量是将来轻量化技术的一个重要发展方向。

3.金属材料对轻量化的应用

金属在工业化发展中起到了不可替代的作用，铝合金是其中一个重要代表，率合金比重小，强度高，抗腐蚀能力优秀，拥有良好的物理化学性能。

目前，铝材才汽车上的应用主要是车身、车轮、发动机等。

有相关资料表明，德系车的平均重量为1.3吨，在其中铝材占了九个点，日系车的平均重量为1.1吨，在其中铝材占了九个点，韩系车的平均重量为1.2吨，在其中铝材占了八个点，国产车的平均重量为1.4吨，在其中铝材占了五个点。

很明显可以看出来，这些车系中，国产车的铝材占比最低。

同时其他的一些优秀合金，像镁锌合金，在汽车中或多或少也有所应用，但是其工艺水平还有待提高，在目前还不能完全取代钢铁材料的地位。

3.1有色金属

有色合金取代钢材应用于汽车在将来是一个重要的发展方向。

3.1.1铝合金的应用

铝材随着汽车技术的发展在其中应用的范围越来越广。

铝材作为轻量化材料很早就被应用在汽车技术中了，并且随着技术发展，工艺也越来越成熟。

随着轻量化技术的发展，铝材的相关工艺也迅速的进步，现在铝材正在逐渐应用于车身零件或者结构件。

比如车厢盖，后车门等位置的构件已经开始出现铝材。

铝材具备优秀的物理化学性能，同时其重度低，只有钢材的三分之一，因此铝材的应用非常有助于轻量化技术的发展。

2000系铝合金的强度不低，并且可锻造性优越，易焊接并且焊缝牢固。

500系铝合金中含有一定的镁元素，镁元素在铝材中发生固溶强化效应，导致其拥有极高的强度，同时因为其本身优秀的塑性，所以在一些几何形状复杂的构件中很适宜应用。

6000系铝合金具备优秀的物理化学性能，在车身的内板外板都能使用。

3.1.2镁合金的应用

不只铝合金在轻量化技术的发展中起到了促进作用，还有镁合金同样具有优秀的性质。

镁的可加工性好，抗凹性能强，减震性优秀，重度上比铝合金还要小，大约为其三分之二，在轻量化技术上的应用上有着极大的发展空间。

在所有种类的轻金属中，镁是储量最多的一种，在轻量化技术是效果最好的一种材料，即拥有足够的强度，又拥有良好的可加工性和减震性能。

被称为二十一世纪的绿色工程材料，受到全世界的关注，在机动车、飞机甚至摄像机中有得到了普遍的应用，而且需求量每年还在提升。

镁合金容易被切削和抛光，在热环境下的可加工性能优越。

其熔点更低，更容易压铸成型。

其抗拉强度通常能够达到260兆帕，很难超过600照跑。

在屈服强度和断后伸长率指标上比较接近铝合金。

除此之外还具备抗腐蚀，抗辐射以及电热良导体的性能。

压铸成型能力强，生产效率高。

美国通用公司在1997年的镁消耗量为9500吨，在2003年的时候涨到30800吨，福特公司由17500吨涨到17900吨，而戴姆勒公司由7000吨涨到10000吨。

在全世界范围内的汽车平均用镁量大致为五千克，并且在逐年递增。

镁在过去只是一种可选材料，现在已经成为了必选材料。

现在发展的重点是研究出应用于结构件或者动力构件的耐高温抗侵蚀的镁合金材料。

目前车门骨架也可以使用镁合金来制造，其车门门框用铝材制造，骨架和内板用镁合金制造，或者用镁合金制造内外车门板，中间使用加强筋来固定，从质量上来看，比传统的车门降低了十千克，而且具备不低的刚度。

现在压铸技术越来越成熟，用镁合金已经能够制造出各种几何形状复杂的零件了。

3.1.3钛合金的应用

钛合金是一种新型的，具备良好综合性能的材料，不仅密度小，而且还具有良好的物理化学性能，同时由于其在自然环境中的储量十分丰富，所以这种材料在轻量化应用上具备着广阔的前景。

　　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，比方说在李大力出产的法拉利系列车型中，曾第一将钛合金用做了汽车材料，所生产出的车型比常规车型的质量降低了不低于15%，不超过20%；用Ti-6Al-4V材料制作而成的气门相较传统的钢材所制作的气门在质量上降低了三成到四成。

但是钛合金在轻量化技术的应用上发展并不快，因为这种合金的制作工艺比较复杂，加工比较困难，这些因素导致其成本高昂，因此钛合金的应用遭受了极大的限制。

全球各个国家都在通过各种手段寻找成本更低的合金元素来降低其生产费用，促进钛合金在轻量化应用上的发展。

3.2黑色金属

大部分汽车中黑色金属在制造材料中的占比都不低于80%，其余材料的占比不超过20%。

所谓黑色金属便是钢材，是铁和碳元素的合金，根据碳元素含量的高低不同可以将其分为低碳钢和特殊钢。

3.2.1普通低碳钢板

当前在生产过程所使用最多的材料是低碳钢板。

其厚度通常不低于0.2毫米，不超过3毫米，目前常见的白车的车身钢板厚度通常不低于0.6毫米，不超过2毫米。

这种材料的塑性加工性能比较强，而且其抗压抗拉强度以及柔度都能满足汽车的性能要求以及焊接要求。

3.2.2特殊钢板

冷轧钢板：

主要用途在于车身冲压件，其厚度通常不低于0.15毫米，不超过3.2毫米，车身采用的钢板一般比较薄，不低于0.6毫米，不超过0.8毫米。

薄板在几何尺寸上极为精确，表面光滑，拥有良好的机械性能，主要用途在于侧围板、行李箱盖、发动机罩等等。

　　高强度钢板：

指的是抗拉强度不低于350兆帕的钢板。

其屈服强度较高，可以通过减少板材厚度的方法来达到轻量化的效果。

通常在一些对强度和碰撞能力的要求比较高的部位使用高强度钢板。

　　表面处理钢板：

表面处理通常是给钢板表面镀一层性质不活跃的金属材料。

常见的镀层材料有锌、铝、铅锡等，通过镀层将钢板与外界环境隔绝起来，就不容易被元素侵蚀或者发生氧化反应，从而增强了钢板的性能。

高强度拼焊钢板：

根据所设计车型的特点在没有进行冲压之前将几个厚度和性能有差异的钢板拼焊起来便成了高强度拼焊钢板。

工艺的进步越来越快，现在已经出现了超薄的拼焊钢板，这种钢板在保持高强度的同时极大的降低了质量。

含磷高强度冷轧钢板：

这种板材在汽车中的各个构件中都有使用，比如车外板、顶盖、冲压件等。

其强度相对来说比较高，比起普通冷轧钢板来说提高了不低于15个点，不超过25个点；在具备高强度的同时，其塑性也不差，断后伸长随着强度的提高有所降低，但降低的幅度非常小；抗侵蚀能力也很强，比起普通冷轧钢板来来说增强五分之一；点焊性能也很优秀。

烘烤硬化冷轧钢板：

经过高温时效处理而使得强度提高的钢板。

简称为BH钢板，在保持了足够小的厚度的前提下拥有不低的强度，可以在轻量化工艺中起到重要的作用。

冷轧双向钢板：

具备了很多优点，比方说加工硬化高，塑性高，强度高等等，如果能进行烤漆处理还可以将其强度再度增加。

在一些对外形不规则但是强度要求又比较高的车身零部件以及一些对抗拉性能要求高的承力零部件比较适宜使用。

超低碳高强度冷轧钢板：

超低碳钢指的是碳含量不超过十万分之五的钢材，在其中加入一些钛元素或者铌元素能够提高其深冲性能，加入一些磷元素能够增加其强度。

在其中同时加入这两者能够使其既拥有深冲性，又具备高强度，适合应用于一些性能要求高并且形状比较复杂的冲压零件。

轻量化迭层钢板：

在两块超薄钢板中间加入一层复合材料便成了迭层钢板，钢板厚度通常不低于0.2毫米，不超过0.3毫米，中间的复合材料厚度不低于总厚度的25%，不超过总厚度的65%。

相比较起来相同厚度的非迭层钢板，这种迭层钢板的重量只有整块钢板重要的一半稍多。

具备优秀的隔热能力以及抗振能力，在发动机罩、底板等部分适宜使用这种材料。

4.非金属材料对轻量化的运用

当下国内外汽车生产技术都在向着轻量化