新材料新工艺简介

新材料、新工艺在汽车上的应用

摘要：本文对目前主流的汽车新材料、新工艺应用情况进行了简要介绍，通过对具体车型零部件应用情况的展示，使读者能够对新材料、新工艺的应用有初步的了解。

关键词：新材料、新工艺

随着人们的环保意识逐步增强，以及国家汽车正碰、侧碰、排放等强制法规的相继推出，节能、环保和安全已成为汽车生产的必备要素，汽车轻量化与高强度是解决该问题的有效途径，而新材料与新工艺在汽车上的应用正是解决汽车轻量化与高强度的最佳方法。本文将分为新材料和新工艺这两部分进行简要介绍。第一部分：新材料在汽车上的应用

一、新材料——超高强钢的应用

汽车用钢板以屈服强度为标准大致分为普钢（软钢）、高强钢和超高强度钢三类（见图1），图中屈服强度为横坐标、板材伸长率为纵坐标，以这两项指标来综合评价汽车板材的性能。其中，屈服强度是指钢板抵抗永久变形的能力，屈服强度越大，钢板在受力时越不容易产生永久变形，使用在汽车上会增加其整体的强度。而伸长率是描述钢板成形性能的重要参数，伸长率越大钢板的可成形性能越好，也越容易加工出形状复杂的零部件。

在超高强度钢出现以前，屈服强度和伸长率这两项性能指标是相对立的，即屈服强度高必然导致伸长率下降，也就是板材成形性下降。导致某些形状较复杂的零件加工不出。而超高强钢的出现恰恰解决了这两个看似对立的性能。超高强度钢板不同于普钢和高强度钢板的最大特点就是兼备了良好的成形性和极高的强度，即在屈服强度升高的情况下，相对于同等强度的高强钢其伸长率还有较大幅度的提升。

图一 汽车用钢的强度分类

超高强钢能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要，超高强度钢能够大幅增加零件的抗变形能力，提高能量吸收能力，最终提升汽车的安全性能。图二中显示了高强度钢（HSS ）和超高强钢（UHSS ）在白车身（BIW ）上应用比例对整车碰撞性能的影响，其中高强度钢应用越多的车型其碰撞安全性越高。

图2 高强度钢（HSS）应用的多少直接决定了汽车的安全性能

此外，超高强度钢应用于汽车零件上，可以在保持甚至提升零部件原有性能的前提下，通过减薄零件厚度来减轻车身质量实现汽车的轻量化。当钢板厚度分

别减少0.05、0.10、0.15mm时车身可减轻6%、12%、18%。目前，车身用钢向高强度化发展已成为必然的趋势。

目前，用于汽车较多的超高强度钢包括DP钢（双相钢）、TRIP钢（相变诱导塑性钢）和MART钢（马氏体钢）。他们的性能和用途见表1。

表1：DP钢、TRIP钢和MART钢性能及用途

二、新材料——铝合金的应用

汽车的轻量化是实现节能、减排的重要方法，而铝合金作为轻质金属，密度约为钢铁的1/3，应用于汽车上减重效果十分明显。近年来铝合金在汽车领域的用量在逐步增加，大有代替钢铁成为汽车车身主要材料的趋势。

铝合金在车身上的应用是从发动机罩和行李箱盖开始的，逐渐发展到全铝车身。因为材料成本和制造成本等问题，全铝车身主要出现在高级轿车上，如图3、4所示，也有向中级车扩展的趋势，但是目前全铝车身不会成为主流。绝大多数车型是部分零部件上采用，如发动机罩、前翼子板和顶盖等车身覆盖件。如图5所示。

汽车用铝合金的成形方式主要有以下三种：

1）铝板材。铝板件的成形大致与钢板成形相同，都采用冲压成形，主要用来制造车身覆盖件。（如图5）

2）铝型材。用挤压方法加工成各种断面形状的型材，直接使用或经弯曲、焊接等加工后使用，作为各种梁和骨架的基础材料。（如图3、4）

3）铝铸件。用重力铸造和真空铸造等方法制造出铝合金铸件，主要是做连接用的连接件或支架等。（如图6）

在汽车中扩大铝合金的应用将会产生巨大的经济效益和社会效益，但高成本

和低成型性能导致铝合金在中低端汽车上的应用还很有限。

图3奥迪A8全铝车身结构 图4本田公司的Insight hybrid轿车

图5奇瑞某车型的发罩外板 图6宝马某车型使用的铝合弹簧支架 三、新材料——镁合金的应用

镁是极重要的有色金属，资源丰富。它比更铝轻，体积质量约是铝的2/3，并且能够很好地与其他金属构成高强度的合金。镁合金的优点是降低车重实现汽车的轻量化；其次是减震性能好，降低汽车噪音及震动。但是耐腐蚀性差，成本高等缺点限制了镁在汽车上的应用。

目前用镁合金制造的汽车零件较少，主要有方向盘芯、座椅骨架、仪表板支架等。国内自主品牌长安汽车在镁合金在汽车上的应用上面也做了很多的研究，并且在某些车型上应用了镁合金零部件，如座椅骨架、方向盘骨架等。（如图7）随着镁合金性能的改进和制造方法的进步，镁合金在汽车上的应用会进一步扩展。（如图8）

图7长安汽车应用的镁合金 图

8宝马E60应用的镁合金发罩外板

第二部分：新工艺在汽车上的应用

一、新工艺——热成形技术

热冲压成形技术是一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术。是对钢板进行加热达到900-1000度以上再进行冲压加工、冷却的先进成形工艺（如图9所示）。通过这种方法制得的冲压件强度可以达到1500MPa以上。目前这项技术在国外发展十分迅速，通用、福特、大众等汽车公司都在运用该项技术制造高强度冲压件。

图9热冲压工艺流程

1、热冲压技术优势

与传统的冷冲压成形技术相比，热冲压成形技术有以下优点：

1）得到超高强度的车身零件；

2）减轻车身重量；

3）提高车身安全性、舒适性；

4）控制回弹，提高零件尺寸精度；

5）改善冲压成形性，降低压机吨位要求。

2、热冲压零件的应用

热冲压零件应用车型较多，目前中端及以上车型应用比例较大，热冲压件的总质量占白车身质量的10%以上，涉及B加强板、中通道、车顶侧梁、防撞钢梁等安全件及重要结构件。图10为热冲压件的典型应用。

图10热冲压应用的典型零部件

二、新工艺——激光拼焊技术

激光拼焊技术是利用“裁缝”的原理，根据汽车零件设计的要求，将不同厚度、不同强度、不同镀层或不同材质的钢板激光焊接成一块整体板后，再进行冲压的工艺技术。主要是满足零部件对材料性能的不同要求，以提高材料利用率。

1、采用激光拼焊板有着巨大的优势

1)提高车身质量和安全性；

2)减少零件数量、减轻构件重量；

3)提高了产品的精度，降低零部件的制造及装配公差；

4)提高车身耐蚀性；

2、拼焊板的应用

目前，由拼焊板生产的汽车零部件已经被成功地应用于车身骨架件、车门两侧的Ａ，Ｂ立柱以及车门内板等车身部位。与传统点焊工艺的产品相比，激光拼焊板最为显著的优点是减少了零部件数量和材料消耗，减轻了整车质量，简化了

装配工艺，因而得到越来越广泛的应用。如图11、12所示。