汽车轻量化材料及成形技术

图5 Volvo XC90 减轻质量15 kg
图6 可用超高强度钢制造的车身件 硼合金超高强钢的强度可以达
到1 500 MPa，是铝合金的5倍，而 密度只有铝合金的3倍，因此减重比 铝合金更有效。比如全铝合金车身
可减重30%，而硼合金钢可使白车 身减重33%，但成本却比铝制车身 减少30%。车身强度也大幅提高， 碰撞安全等级达到最高级，能够同 时满足汽车对轻量化和安全性能的 要求。当钢板厚度分别减少0.05、 0.10、0.15 mm时，车身减重分别为 6%、12%、18%。采用先进的高强 度钢，增加了安全性，降低了噪声 和振动，提高了燃油效率，减轻了 汽车总质量。成本不增加，而加速 性、驾驶性能则有所改善。 1.3 塑料及复合材料
目前，钛及其合金可用于制造 发动机配气系、曲轴连杆机构和底 盘零件，如气门、气门弹簧、凸轮 轴、连杆等。此外，钛合金板材和 管材还可用于消声器及车轮。钛合 金材料的应用范围已从赛车逐渐扩 大到批量生产的轿车。美国在其新 一代汽车研究计划中指出，钛在汽
车上的可能应用主要分布在发动机 零件和底盘部件上，每辆汽车仅底 盘部件的潜在用钛量就达9.9 kg。由 于汽车用钛合金零部件的出色性能， 发达国家的汽车用钛量持续增长。 1995年，全球汽车领域用钛量只有 100 t，2002年就超过了1 000 t。随 着材料技术的进步，钛合金材料的 生产和加工成本将不断降低，有望 在汽车领域得到更大的应用。
镁合金和塑料、铝合金零件相 比，除易于回收利用、是典型的绿 色结构材料外，还具有突出的资源 优势。我国是一个镁资源大国，镁 矿产品种类多、储量丰富，占世界 可利用镁资源储量的70%左右。 因此，在许多传统金属矿产日益枯 竭和全球对技术革新、能源消耗、 废气污染及噪声限制不断升级的今 天，加速镁合金的研究、开发和产 业化具有重要的现实意义。
（2）镁合金
汽车零部件有60多种，单车上的镁 合金质量为9.3~20.3 kg。如仪表板 骨架、转向盘（图3）、气缸体、气 缸盖、进气歧管、轮毂、车身部的镁合金板材等。为进一步 扩大镁合金的应用，国外又在开发 耐蚀性好的镁合金及其表面处理技 术。
北美正在使用和研制的镁合金 汽车零部件有100多种,是世界上汽 车用镁合金量最大的地区,单车上的 镁合金质量为5.8~26.3 kg。
15～25
10～12.5
100～250
50～167
镁合金 1.74～1.9
45
24～26
180～300
118～172
轻量化材料与汽车产品设计、 制造工艺的结合将更为密切，汽车 车身结构材料将趋向多材料设计方 向。通过新的成形技术，不断优化 设计，提高性能，降低成本，促进 汽车轻量化不断发展。 1.1 轻合金
表1 各种材料的相关力学性能对比
材料
比重ρ /g·cm-3
弹性模量 E/GPa
比弹性模量 E/ρ
拉伸强度 σ /MPa
比拉伸强度 σ /ρ
铸铁
7.15
180
24.3
200～400
27～54
钢
7.8
210
27
200～500
27～64
铝合金
2.7
70
25.9
200～350
73～128
塑料
1.13～2.0
欧美的汽车用镁合金压铸件正 在以年均25%的速度增加，汽车用 镁量正在以年均20%的速度上升。 世界各大汽车公司都已经把采用镁 合金零部件的多少作为衡量其汽车 产品技术是否领先的标志。福特汽 车公司计划在今后20年内将每辆汽 车的镁合金用量提高到113 kg。
Magna国际公司认为镁合金 压铸件可以达到净成形一次加工成 品，不需要二次加工，因而在成本 上可以和铝合金压铸件竞争。在保 证强度要求的前题下，若采用最佳 化设计，镁合金比铝合金可减轻质 量33%。随着新型镁合金材料的不 断开发和加工技术的改进，汽车用 镁合金市场将不断拓宽并持续稳定 增长。
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。从20世纪70年代起，以 软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫 类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽 车工业中被广泛采用。福特公司开 发的LTD试验车，塑料化后的车身取 得了轻量化方面的明显成果，整车 减重可达300 kg以上。
机械科学研究总院先进制造技术研究中心 姜 超 华南精密设计开发研究院汽配技术中心 张 悦
1 轻量化材料
世界汽车材料技术主要发展方 向仍然是轻量化和环保。虽然钢铁 材料仍保持主导地位，但高强度钢 和超高强度钢、铝合金、镁合金、 塑料和复合材料用量在不断增长， 铸铁和中、低强度钢的应用将逐步 减少，各种材料的性能差异（见表 1）导致其在汽车上的应用比例不断 变化。
（1）铝合金
尝试着生产出了流线型铝车身的K 型车。2006年，奥迪铝材及轻量设 计中心整合了轻量化产品开发、生 产规划和质量保障功能，其在该领 域研发的重心已超越了单纯的铝材 概念，将研究方向扩展至对高强度 钢材、型材、加固塑胶及镁合金材 料的应用，系统地将轻量化设计运
导热系数 W/mk 80 46 247 20～50 157
此前，曾一度出现合成塑料的 车身，成本和强度都没有问题，但 不能推广的最大原因在于当车身发 生损坏时很难进行局部修补，甚至 要整件更换。
（2）复合材料 20世纪80年代以来，许多世界 著名的车辆制造商投入大量人力、 物力开发了复合材料，并对先进复 合材料在汽车工业中的应用进行研 究。20世纪80年代后期，复合材料 车身外覆盖件得到大量的应用和推 广，如发动机罩盖、翼子板、车门、 车顶板、导流罩、车箱后挡板等，甚 至出现了全复合材料的轿车车身， 如大众的1-Litre Car原型车，外壳使 用强化碳纤维材质（图7），车身长
太平洋地区 1
1
2
2
2
3
3
45
6
7 8 9 11 13 16
其他
5
5
7
8
7
8
9
9 10 11 11 12 14 15 17 18
发达国家轿车平均每车用铝量 已达到130 kg以上。铝合金材料是 当前汽车材料研究的热点，在合金 改良、成型性、铸件的疲劳强度、 结构件的可焊接性、原材料循环利 用等方面；在发展低成本、稳定制 造的生产工艺方面，均有待于深入 研究。我国汽车材料用铝仅达到日 本20世纪80年代的水平，与汽车 工业的高速发展极不适应。增加品 种、提高质量、降低成本，已成为 我国铝加工行业和汽车行业跟踪世 界先进水平应发展的研究方向。
表3 汽车上镁合金用量的发展趋势
kt
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
北美
10 12 14 18 23 31 39 44 49 51 55 60 65 72 78 86
欧洲
8 7 6 9 10 9 16 23 30 35 40 45 50 55 60 66
用于车身、发动机、悬架等各个领 域，在保证整车高性能、舒适性和 安全性的前提下，达到显著降低油 耗的目的。见图1、图2。
宝马新5系是世界上首款采用创 新的钢铝组合结构的汽车。车身前 部采用铝材，车身其他部位由钢材 制成。这样使整车质量比上代5系最 多减轻了75 kg。另外，BMW是世界 上唯一将铝制传动轴作为动力传输 的汽车生产商，主要目的也是为了
图4 镁合金纵梁支架 目前，应用的镁合金材料主要 为铸造镁合金，AM、AZ、AS系列 为传统的铸造镁合金，其中AZ91D 用量最大。近年来，为适应发动 机零件工作温度较高的需要，欧 美等国家先后开发出AE、Mg-AlCa、Mg-Al-Sr等抗蠕变镁合金，以 及最近的ZAC8506(Mg-8Zn-5Al0.6Ca)。变形镁合金新材料有美国 开发的ZK60变形镁合金，日本的 IM Mg-Y系变形镁合金以及可以进行
铝合金是轻量化材料中应用比 较成熟的材料之一。根据美国铝学 会的报告,汽车上每使用0.45 kg铝就 可减轻车重1 kg。理论上铝制汽车 可以比钢制汽车减重40%左右。对 于1辆1 300 kg重的轿车,若质量减轻 10%,其燃油消耗可降低8%。
早在1913年，NSU汽车联盟公 司生产的8/24型汽车便实现了全铝 合金车身。1923年，奥迪生产了六 缸全铝合金发动机。同年，奥迪还
塑料在汽车中的应用范围正在 由内饰件向外装件、车身及结构件 扩展，今后的重点发展方向是开发 结构件、外装件用的增强塑料复合 材料、高性能树脂材料及塑料，并 会更加重视材料的可回收性。从品
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种上看，聚烯烃材料因密度小、性 能好、成本低，其用量会有较大的 增长。预计聚丙烯和聚氯乙烯今后 分别可保持8%、4%的年增长率，聚 乙烯的增长势头也比较强劲。
2007年，中国海绵钛和钛加工 材料均呈翻番式增长，海绵钛的产 量已居世界第一位，是我国车用钛 合金材料的有利条件。 1.2 超高强钢
超高强度钢可制造大部分车身 件，见图5，图6。不论从成本角度 ，还是从性能角度来看，高强度钢 板是满足车体轻量化、提高撞击安 全性的最佳材料。为适应今后更为 严格的法规，高强度钢的使用量将 会越来越大。随着用户对撞击安全 性能要求的提高，其作用也将愈发 明显。
镁合金变速杆几乎被日本所有 生产自动变速汽车的企业采用。日 本大多数生产手动变速汽车的企业 也在开始应用镁合金变速杆。日本 采用镁合金座椅架的车种在不断增 加，另外镁合金变速器壳体、仪表
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