符合汽车轻量化要求的金属材料

技术分类: 工程材料    作者:张英才 一汽集团汽车材料研究所副总  发表时间:2007-11-27
金大部分以压铸件的形式在汽车上应用,镁压铸件的生产效率比铝高30%~50%。新开发的无孔压铸法(Pore Free Diecast)可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。
  
  镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。德国波舍尔公司1970年起使用AM60A合金压铸车轮,镁车轮比铝车轮轻20%以上。在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱上支架相比,镁制件降重65%;与传统的钢制转向轮芯相比,镁制件降重45%;与全铝气缸盖相比,镁制件降重30%;与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比,整体的镁铸件降重40%,同时其刚性也得以改善。
  
  镁基复合材料的研究也有进展,以SiC颗粒为增强体,采用液态搅拌技术得到的镁基复合材料具有很好的性能且生产成本较低。在AZ91合金中加入25%的SiC颗粒增强的复合材料比基体合金拉伸强度提高23%,屈服强度提高47%,弹性模量提高72%。  
  
  钛合金
  
  钛的密度为4.5g/cm3,具有比强度高、高温强
度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵,至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。尽管如此,对钛合金在汽车上应用的试验研究工作却不少。例如用α+β系钛合金制造的发动机连杆,强度相当于45钢调质的水平,而重量可以降低30%;β系钛合金(Ti-13V-11Cr-3Al等)经强冷加工和时效处理,强度可达2000MPa,可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等,与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比,钛弹簧可降重20%。
  
  钛合金应用的最大阻力来自其高价格,丰田中央研究所开发了一种成本较低的钛基复合材料。该复合材料以Ti-6Al-4V合金为基体,以TiB为增强体,用粉末冶金法生产,已在发动机连杆上应用。  
  
  钢铁材料的轻量化举措
  
  钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势,通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力,以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。
  
  高强度钢板
  轿车自重的25%在车身,车身材料的轻量化举足轻重。20世纪90年代,世界范围内的35家主要钢铁企业合作完成了“超轻钢质汽车车身”(ULSAB-Ultra Light Steel Auto Body)课题。该课题的研究成果表明,车身钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板(包括高强度、超高强度和夹层减重钢板),可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%(以4门轿车为参照),且静态扭转刚度提高80%,静态弯曲刚度提高52%,第一车身结构模量提高58%,满足全部碰撞法规要求。当然,这还是一个研究的成果,高强度钢板在车身上的实际应用还未达到如此高的水平。
  在普通的IF钢板的基础上相继开发了高强度IF钢板和烘烤硬化IF钢板,在保持高成型性的同时提高了强度和抗凹陷性,为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。
  
  加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750MPa,可用于车轮和其它底盘零件。
  
  近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。其中铁素体-贝氏体钢强度级别为500MPa,双相(DP)钢和相变诱发塑性(TRIP)钢强度级别为600~800MPa,复相(CP)钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。日本日产汽车公司进行了590MPa级高强度钢板在车身上的应用研究,他们选用TRIP钢和DP钢裸板以及DP钢镀锌板并运用有限元分析技术解决了冲压开裂和回弹问题,优化了焊接工艺参数,通过实车检测,刚度和碰撞性能满足要求,比采用440MPa级钢板时降重10kg。
  
  激光拼焊毛坯(Tailored Blank)是新近开发并应用的钢板轻量化技术。在前述ULSAB车身有18个零件采用了此技术。
  
  结构钢
  钢铁材料的用量虽逐年减少,但高强度钢的用量却有相当大的增加。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化,有助于汽车的轻量化。
  
  (1) 弹簧
  悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化,材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素,开发出强度和韧性都很高的钢种,设计许用应力可达1270MPa,这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能,结合改进的奥氏体轧制成型,可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。
  
  气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V,通过晶粒细化确保韧性,由增C提高强度。这样改进后,弹簧的高周疲劳强度约提高8%,可实现15%































1】【2】【3
收藏此页】【  】【打印】【关闭

精彩专题

超值订阅2009年度DESIGN NEWS China杂志

DESIGN NEWS China杂志向国内读者介绍国际上最先进的工业技术与设计,涉及电子/测试、运动控制/自动化、创新材料、工程软件/硬件、汽车设计等领域,现在订阅可获更多优惠…[ 详细内容 ]

浏览该文章的用户还看过

  • 文章
  • 论坛
  • 博客