汽车材料应用发展趋势

Jillian

1前言
       对于今天的汽车制造商来说，可以选择的材料越来越多，从塑料ABS到氨基甲酸乙脂，从金属铝到金属钛，而且随着材料技术研究的深入，其选择范围还在不断扩展。制造材料的选择受诸多因素的影响，正如同我们不能将两个相距很远的国家用同一个市场规则和消费需求来衡量，即使是同一地区的两个不同的分市场，如北美的中型轿车市场和紧凑型皮卡，车辆使用的材料也不同，在某些情况下，材料革新的成功能够成为产品明显的竞争优胜。诚然材料重量是一个非常重要的选材因素，但并不是唯一的决定因素，例如近来保险杠横梁的选材开始由原来的铝、塑料等轻型材料向钢材转化，显然钢材要比铝材和塑料重量重，但其强度一般而言要比铝和塑料略胜一筹。另一方面轻型材料的选择无疑可以大大降低整车的重量，一向在人们心目中的“重磅金属”钢铁在车身材料的选择中，却仍占有一定的比例。材料的不同选择最终是要为汽车的性能服务，如噪音、震动、气流、重量和成本等。由此可见性能有时比材料重量更能决定材料的选择，材料只是在如何帮助汽车满足其最终目的方面起一个重要的作用。因而对不同品牌的车辆其选材之间差异较大，如发动机材料的选择在不同车型上变化非常大，甚至同一车型可以配备不同的发动机；有些车型的发动机配备塑料进气歧管，挤压铸造的铝转向节，有些则配备铝进气峻管，而有些情况下却要综合和兼顾两者。综上所述，材料的选择不仅仅决定于材料的性能。

2汽车材料应用发展趋势
2.1塑料
       塑料材料具有重量轻，易于加工和防锈防腐蚀的特点，而受到众商家的普遍“青睐”。目前汽车的保险杠几乎都是塑料。塑料最先使用在汽车的内饰和外饰件上，为汽车饰件的软饰化、高档化、纤维化、舒适化起到了一定的作用。近年来，塑料在车身板和发动机周围的零部件上的使用量在不断增大，约占车身重的10～15％，仅以欧洲为例，和20年前相比，目前西欧的各汽车制造商用于制造汽车的塑料耗量增加了100多万吨。根据欧洲塑料制造联合会的（APME）统计，1997年欧洲有1700万吨的塑料用于汽车生产，1998年塑料的使用量更多，从1999年开始，平均每辆车的塑料用量将从原先的70kg增加到100kg，净增30kg。根据APME的统计，目前现代汽车上100kg的塑料件取代了原先需要200～300kg的传统汽车材料（如钢铁等），其减重效果达到100～200％。APME估计，按这种标准计算，由于大量使用塑料部件，每辆车每行驶150000km，将减少燃油消耗750L，按此计算，每年西欧由于车重的减少而节约的燃油就有1200万吨，CO2排放下降3000吨。
       一般热固性塑料力学性能好，强度高，表面质量好，具有良好的表面着色、电镀、植绒、铆接、喷溅、耐腐蚀等性能，多作为外表面件生产使用，主要用于生产内部构件。塑料在轿车的使用量占车重的8～30％，用玻璃纤维增强的不饱和聚酯塑料制造车身零件，比钢板冲压的轻40％，其特点是重量轻，耐腐蚀和成形好，采用玻璃纤维增强不饱和聚酯模压复合塑料板直接在压力机上模压成形，成形后只需切掉飞边。用复合塑料压制的整体发动机罩，是将翼子板、大灯罩和发动机前罩等联成一体，大大简化了生产工艺。
       除了已经成熟的塑料部件制造技术外，塑料材料制治技术在2000年有一个长足的发展，一些高技术含量、低成本、高效率与持久耐用的塑料材料的使用比例在不断上升：如通用汽车公司在其生产的汽车上使用命名为Bafour 425的塑料产品，其生产商是Baydur，该材料采用结构反应喷射模制（SRIM）手段，通用将该材料用于制造Chevrolet、Silvercdo的组合式车厢、车厢后挡板和翼子板。使用该材料制造的车厢体厚度仅为3mm，非常轻薄。该材料采用强化反应注射成型（RRIM），在反应喷射成型的原料中加入强化剂，以达到减少其线膨胀系数，提高材料的耐热性能的目的。采用这种材料制造的厢体、厢体后挡板、翼子板的皮卡和同车型常现钢材厢体、厢体后挡板、翼子板的车辆相比重量减少350磅。除此之外，通用还将Baydur425材料用于制造Chevy、GMC全尺寸载重皮卡的后翼子板，每个翼子板重量仅有26磅，和常规客车车厢相比减少66磅。这种选材方式除了材料本身的特点外，最大的优点是允许卡车的两侧采用整体设计。无独有偶，克莱斯勒和福特汽车公司在其2001年的选装车型上采用了塑料保险杠，如克莱斯勒的Towm、Country、Voyager和DodgeCaravan微型厢式车采用热塑料保险杠，重量仅有11．4磅，比采用钢铁保险杠系统减重41％。福特在其2001年的ExPlorer运动型车上采用了新型保险杠，这种保险杠采用钢铁和喷射模制塑料的复合材料，经过PC／PBT树胶处理合金横杠，外覆盖有彩色聚稀烃类热塑料。这种材料的保险杠在制造时间和制造工具上都较常规的保险杠要经济。Johnson控制公司为克莱斯勒Sebring提供聚丙稀和天然纤维复合材料，用以制造门的装饰衬板，可以不使用粘结剂，减轻重量并具有侧碰保护功能。

Jillian

       日产在其2001年的ZTERRA上采用塑料行李架顶棚，使该部件的制造成本降低61％，2个铝质侧面扶手和由6个顶棚支撑架托起的装配横梁，可移动的行李架可以支持30磅的重物。2001年的Dodgestratus、Neon和克莱斯勒的Cirnus、Sebring采用低密度的发泡绞合线，该材料内呈蜂窝状，可以全部回收使用。

       除此之外富含高技术的尼龙材料，具有强度高的优点，也被广泛地应用在汽车进气歧管上，如Dodgestrutus和克莱斯勒的Sebring采用含有35％玻璃纤维的新型尼龙材料制造进气歧管，在保证材料强度的前题下，进气歧管的重量只有6磅。另外尼龙材料还被用以生产发动机盖。一些工程塑料的用量近年呈上升趋势，如LNP工程塑料用于制造可以在暗处发光的聚碳酸脂／不饱和树脂，来生产卡车安全放松手柄。根据汽车部件联合会的报告，未来5年内，增强型热固塑料的应用将增长47％。

2.2铝金属及合金

      铝的密度为2.7g／cm3，约为钢的1／3，铝作为汽车材料有许多优点，如在满足相同机械性能的条件下，铝比钢减重60％，易于回收，在碰车中，铝比钢多吸收50％的能量，铝不需防锈处理，此外传统的钢板成形压机都可以用于成形铝，只是工艺设计中应注意补偿铝板中较大的回弹量即可，因而铝被广泛用于汽车（尤其是轿车）。随着铝及铝合金制品工艺的成熟，铝及铝合金作为一种汽车轻量化材料，越来越多地应用于各种车辆上。1978年每辆中级轿车的铝材耗量为32kg，1998年增加到85kg，即20年内增长l.7倍，据预测2008年，每辆轿车的铝使用量将进一步上升到130kg与1998年相比增长53％。日本在铝合金材料应用方面发展比较快，从1985～1995年10年间，日本汽车工业用铝量几乎增加一倍达到100万吨，其中跑车平均每车用铝量达到250kg，占整车的164％，各种轿车的每车平均用铝量达到101kg，占整车重的88％。日本分析家认为，到2001年用铝量平均将突破10％。1996年奥迪公司生产的全铝A8轿车采用铝合金挤压车架，重量降低了35％，抗扭强度增加了50％，该公司推出的A2小型轿车也将采用全铝车身，其年产量A8要大得多。美国的一项研究报告表明，采用铝材料整备质量为1483.6kg的轿车，在保持全部性能的前提下，车身质量能降低125kg。可见铝及铝合金制品对于车辆的轻量化，其前景非常可观。

       采用铝合金材料的主要目的是减轻整车重量和节省能源，然而无论是材料成本和生产工艺，铝板都要比钢材昂贵。铝的价格是钢的3～4倍，但其废料卖出价格也高，同时铝合金再生耗电能也少。尽管铝板的成本高，但铝板的应用仍在不断增加，对车身覆盖件来说，主要用在发动机罩和行李箱，铝合金向全车身的应用进展发展较慢。80年代后期开始在发动机罩、挡泥板上使用，全铝型无骨架车身，用6000系（AL-Mg-Si）合金和7000系（AL－Zn－Mg）合金，不仅可减重30～40％，其安全性也很强。针对化学合成处理差的问题，研究者又开发了可与钢板在同一流水线进行磷酸锌处理的铝板。由于在轻量化方面效果显著，目前美国和德国把特制铝用于车身外板，使汽车的铝材化进入实用阶段，其用量有不断增加的趋向。特别是现代无骨架车的推出，加大了铝材的应用空间。从近年国外出现的概念车来看，在车体结构上大都采用无骨架式结构和空间框架结构，而且大都以铝挤压型材料为主，挤压型铝材是将铝合金挤压成各种复杂断面形状和中空状型材，其具有比重小，比强度大，制造成本低的优点。用中空铝型材作车身结构和保险杠，能减轻车身重30～40％，并与钢材件具有同等的抗冲击强度，特别是当汽车发生意外时，还能吸收因碰撞带来的冲击能，保护乘客安全。挤压型材料用于保险杠，可比钢板焊接保险杠大幅度减少质量。                                         

Jillian

       就目前来看，因为材料的回弹增加和出现裂纹，使铝板的冲压比钢板难度大，目前还没有大批量生产的汽车完全采用铝板，但使用专为铝板设计的模具，这种影响会减少些。目前采用全铝车身的汽车一般是年产在几千辆的中等规模的小批量生产，大批量生产的中型轿车车身中铝结构的比重只为3～7％。运动车、电动车、概念车等对减重有特别的要求，铝用量较大，一般轿车中，铝通常用来制作覆盖件、车轮、空调系统、保险杠、座椅、窗框和换热器扰流板等。

       2001年铝材料的使用除了延续以往的趋势外又呈现新的发展态势。目前国际豪华车市场，铝平均用量在245磅，而1991年仅为160磅。铝材料的使用为汽车减重作出了巨大的贡献。奥兹莫比尔的Anrora的铝质部件的总重为480磅，几乎是汽车铝平均使用量的两倍，由于铝金属的使用，2001年的Anrora 4．0比2000年同型号的产品减重165磅，Anrora 3.5和4．0型跑车由于采用新的可拆卸或卷叠的活动车顶，使其重量大大降低，包括保险杠横梁、前（后）控制手柄、转向节都采用铝制件。福特2001年的Explorer是目前铝材料使用量最多的一个车型，其转向节、发动机罩和前翼子板都采用铝材料制造。福特的Mountaineer同样也采用了铝转向节，福特Expedition  4.6L V8采用了铝汽缸体以减少汽缸重量。奥迪A2采用了铝质后坐框架来取代传统的铁质框架，该框架由Lear公司生产，为了保证部件所需的强度，采用铝夹层结构，断面用铝材料制造，通过胶粘和柳焊来满足部件的形状和材料的要求，其重量大约为铁质框架的一半。

       2001年铝材料的另一个使用领域集中在发动机上，如莲花的LS430采用铝曲柄铀和连接轴承连杆，该车的上控制手柄采用热锻铝，后桥承架采用铸造铝，除此之外日产的Pathfimlor、Infiniti QZ4都采用了铝气缸代替传统的铸铁气缸，日产Altima还采用了铝气门挺杆等。

2.3钢铁

       到目前为止钢铁还是汽车上使用最多的材料，其构成占50％。然而目前车身使用的钢材大部分是近10年开发的新型钢材，由于性能的不断改进，新的制造技术和加工工艺的开发，至少在今后的一段时间内，钢仍然是大批量生产汽车车身的主要材料。作为车身重量的主要部分，近年来通过多种改进技术，使其品质和性能大大提高，其中尤以超轻超薄高强度钢板最具发展潜力。预计到2010年新型钢材的使用将超过70％，目前美国在高强度钢的应用领域发展较快，每辆车的高强度钢的用量从1970年的24.1kg上升到1995年的166．4kg。正因为新型钢材满足轻重和高强两方面需求，出现了一些原使用铝和塑料材料的部件重新启用钢材，特别是复合钢材近年的使用引人注目。如DC采用钢材取代原先的塑料件生产发动机罩和活动车顶，其出发点主要是从材料的强度考虑，福特利用低噪音钢材制造2001年Explorer的仪表板，这种低噪音钢材有两层结构，外复25μm的可焊接的粘弹性高聚物，该材料可以全部回收使用，和常规材料相比减重7磅。美国MSC板材公司和复合材料公司开发出一种叠层的驾驶室前壁板，比传统的前壁板质量减轻4～4.5kg，并且减少了另部件的数量，降低了零件的复杂性和生产成本，这种叠层的钢板还可以制作气缸盖、油底壳、圆盘制动阻尼器、隔热板、车门、车顶和地板等，因为叠层钢板内加入了粘弹性的聚合物，可以降低噪声和震动。另外福特用钢材制造隔板代替原先的铝材隔板，丰田在其Prius上使用全钢车身等。

2.4镁金属

       继铝金属之后，镁金属有望成为又一前景广阔的车用轻量化材料。镁金属已成为美国汽车研究理事会（USCAR）汽车材料分会关注的中心，USCAR正着手2．9L／100km耗油家庭轿车的研究，目前轻材料的研究机构开始转向对镁金属的研究。未来镁金属部件必须能够抵御外界恶劣条件如：雨、盐分、尘埃等，而那只是第一步，一个耗资1000万美元的包括政府、汽车制造商、汽车部件供应商、大学和国家实验室共同参与的镁金属应用的开发计划已经开始，主要解决关于材料的收缩性、防腐性、与相关的分析技术和合金制造方法等问题。

       目前镁金属的应用主要用于内部部件，如：转向柱套管、固定架、仪表板、座位框架、转向轮、凉栅安装导轨以及用于光盘机与录音机上，未来镁金属的应用将扩展到顶棚面板、活动车顶、车轮、进气歧管、气缸盖、油箱磐层、启动器、转化器和发动机气缸体。在欧洲已有6家汽车制造公司开发使用镁金属发动机气缸体，在未来的3～5年，镁金属发动机气缸体将进一步投入实用。为了拓展镁金属的实用性，化学家正积极寻找镁金属发动机气缸的冷却材料，一些专业化学公司也在从事这方面的工作，在发动机罩下的高温区域，如汽车变速箱和发动机部件正成为镁金属应用的一个焦点。90年代，合金技术的快速发展使得研制良好的抗蠕变性能的镁合金完全可能，加拿大的Noranda大学最近开发出3种镁金属压铸合金，并研制出高温下具有优良强度和抗蠕变性的合金材料，镁合金良好的抗蠕变性，对发动机部件来说非常重要，好的抗蠕变性意味着变速箱的材料不会变形，螺栓不会松动，因而镁金属在汽车上的应用前景非常乐观。

       随着一些相关材料的技术问题的解决，未来10年镁金属合金在每辆汽车上的使用量将突破60kg。如果关键的技术问题得以解决，其使用量将远远超过这个数，因而世界一些主要汽车制造商对镁金属的研制工作非常重视。福特公司就看好镁金属的市场前景，目前福特公司镁金属的使用量为22045吨／年，而这主要由于其汽车生产量的上升，2004～2005年公司计划将镁金属用于车身结构和仪表板上，届时其镁金属的消耗将达到44100～55155吨，与此同时福特计划2001年运动型多用途车的仪表板全部采用镁金属材料，进而扩展到福特F系列车。如果仅从成本的角度来考虑的话，镁金属和铝等轻质材料显然和钢铁相比没有优势，通用的高级材料工程师阿兰罗说，通过零件的设计和制造以及关键技术的解决，完全可以使镁金属应用于传动系、发动机缸体、变速器盖、进气歧管、水泵嘴以及底盘，如多孔镁金属合金的制造工艺的解决将扩展镁金属合金在底盘上的应用。专家相信，随着相关技术问题的解决，未来镁金属必将成为汽车轻量材料家族中的重要成员。