浅谈金属材料在汽车轻量化中的应用

　　低碳发展如今已成为全球的热门话题，人们在享受现代技术带来方便的同时，能源的日益紧缺，汽车尾气造成的环境污染，已成为全球不得不关注的问题，我国作为汽车产销大国亦不例外。随着汽车制造技术的快速发展和冷弯成型技术的不断成熟，冷弯型钢在我国汽车车身上的应用越来越受到汽车和冷弯两个行业的高度重视，行业内的专家和工程技术人员对汽车用辊压件的研究不断深入。
　　1 我国汽车工业的未来发展趋势
　　2013 年，我国汽车工业发展势头良好，产销保持稳定增长态势，全年产销量突破2100 万t，增长超过10%。我国乘用车市场仍将是未来发展的重点。展望2014 年，在居民收入持续增长的背景下，三四线城市乘用车普及需求与一二线城市乘用车消费升级换购需求叠加，乘用车消费将继续保持较快增长，节能环保需求将促使新能源汽车产业加快发展。商用车受工业发展增速放缓、能源和环保限制及综合使用成本升高影响，需求将不会出现大幅增长。汽车用钢品种主要包括钢板、优质钢、型钢、带钢、钢管、金属制品等。汽车用钢中的板材(包括热轧、冷轧钢板和镀层板)是生产汽车的最主要原材料，全球每年仅汽车行业消费的钢材就超过1.5 亿t。制造一辆轿车约需使用薄钢板600-800kg。钢材在相当长的时间内仍是汽车最主要的原材料，并长期稳定在60%-70%的比例。在十二五期间，新能源汽车将会得到大力发展，同样将拉动钢材的需求。时下，各地正在新建一批汽车工程项目，其规模都很大，有汽车零配件，有新能源车，还有汽车研究中心等。
　　十二五期间，新能源汽车将是我国汽车行业发展的重要方向。未来10 年，我国将投入超过1000 亿元的资金，用于扶持新能源汽车市场。在十二五期间将大力发展新能源汽车，建立完备的鼓励消费和使用系统。我国重点支持的新能源汽车主要指电动汽车(纯电动汽车和燃料电池电动汽车等)。据预测，到2015 年新能源汽车的年销量将达到100 万辆左右。2015 年我国汽车行业的具体目标如卞:自主品牌轿车占比45%左右;汽车轻量化减重指标为2005 年的20%左右;汽车燃油消耗继续降低;新能源汽车占比3%左右。在十二五末期我国汽车行业将实现年产2500 万辆的生产规模，约占世界汽车产量的30%，其中:乘用车约占80%，商用车约占20%。未来几年内，高强度钢在汽车中的应用将迅速增长，预计年增长率达到5%。
　　2 汽车轻量化发展的要求
　　当前世界汽车工业可持续发展面临着两大难题，即能源短缺和环境污染，而在我国这两者表现得更加突出。2009 年哥本哈根世界气候峰会上，我国对世界承诺将减排目标作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的中长期规化，到2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005 年下降40%-45%。汽车行业作为我国的一个重要制造业，本身需要大量的钢材作为原料，而钢铁作为高能耗、高污染的行业对环境的影响较大。从汽车本身而言，排放的尾气对大气污染也较为严重。因此，汽车企业开始重点关注节能减排。试验表明，减少汽车自身重量(汽车轻量化)是实现节能减排的最有效措施之一。数据显示汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法。此外，轻量化对汽车的稳定性、噪声、加速、振动等方面也都有影响。
　　2.1 什么是汽车轻量化
　　汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。试验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;汽车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L;汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。实现汽车轻量化主要有3 种途径。一是改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化;二是开发新型轻质材料，如使用铝、镁合金等有色金属、塑料及非金属复合材料，或者截面厚度较薄的高强钢;三是采用先进的制造工艺，如激光拼焊、液压成型、辊弯成型等。其中，当前的汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。
　　2.2 汽车轻量化-用于设计的金属材料
　　车用材料主要通过汽车的轻量化来对燃料经济性改善作出贡献。理论分析和试验结果都表明，轻量化是改善汽车燃料经济性的有效途径。为了适应汽车轻量化的要求，一些新材料应运而生并扩大了应用范围。
　　1)有色合金
　　以乘用车来说，1973 年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0%，1980 年增至5.6%，而1997 年则达到了9.6%。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。
　　2)铝合金
　　铝的密度约为钢的1/3，是应用最广泛的轻量化材料。以美国生产的汽车产品为例，1976 年每车用铝合金仅39kg，1982 年达到62kg，而1998 年则达到了100kg。
　　①铸造铝合金
　　许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li 在大量生产中具有重要意义。当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得好的综合性能。
　　②变形铝合金
　　变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。
　　③铝基复合材料
　　铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好，但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约，还没有形成很大的规模。目前，铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能。
　　3)镁合金
　　镁的密度约为铝的2/3，在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好，很适合制造汽车零件。
　　4)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。
　　2.3 汽车轻量化-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。迄今为止，钢铁仍然是在汽车生产上使用最多的材料。
　　2.4 汽车轻量化-辊压制造技术的应用
　　新型金属材料的不断开发，辊压成型技术的成熟发展，为汽车轻量化的实现提供了必要保障。在提高汽车安全和性能的前提下，降低汽车整备质量，已经成为汽车技术发展的核心环节，而采用高强度钢代替普通强度钢，以汽车辊压件代替实心零部件，则是汽车轻量化最有效的手段。辊压成型件系指以热轧或冷轧板带为原料(包括各种涂镀层钢板及有色板带)，经辊压成型而得到的薄壁型材。它是一种生产效率高、节材效果好、应用前景广阔的高效型材品种。近年来，随着世界科技突飞猛进的发展，也推动了辊压设备和工艺的不断更新。过去只能冲压的零件，现在有一部分可以用辊压代替，其生产效率明显提高。在工业发达国家，传统的冲压件，如汽车大梁横梁、车箱的纵横梁等，在许多的车型上都已用辊压件代替。我国的辊压成型线既少又陈旧，在汽车行业，现在很多汽车厂家和汽车零部件制造专业企业都装备了辊压线。目前，冷弯型钢在车身上的应用有一般应用件和高强钢零部件两类，其中一般应用件包括外饰件、非外露件;高强钢零部件包括安全件、底盘件、其他(座椅导轨)。