淺談金屬材料在汽車輕量化中的應用論文
低碳發展如今已成為全球的熱門話題，人們在享受現代技術帶來方便的同時，能源的日益緊缺，汽車尾氣造成的環境污染，已成為全球不得不關注的問題，我國作為汽車產銷大國亦不例外。隨著汽車制造技術的快速發展和冷彎成型技術的不斷成熟，冷彎型鋼在我國汽車車身上的應用越來越受到汽車和冷彎兩個行業的高度重視，行業內的專家和工程技術人員對汽車用輥壓件的研究不斷深入。
1 我國汽車工業的未來發展趨勢
2013 年，我國汽車工業發展勢頭良好，產銷保持穩定增長態勢，全年產銷量突破2100 萬t，增長超過10%。我國乘用車市場仍將是未來發展的重點。展望2014 年，在居民收入持續增長的背景下，三四線城市乘用車普及需求與一二線城市乘用車消費升級換購需求疊加，乘用車消費將繼續保持較快增長，節能環保需求將促使新能源汽車產業加快發展。商用車受工業發展增速放緩、能源和環保限制及綜合使用成本升高影響，需求將不會出現大幅增長。汽車用鋼品種主要包括鋼板、優質鋼、型鋼、帶鋼、鋼管、金屬制品等。汽車用鋼中的板材(包括熱軋、冷軋鋼板和鍍層板)是生產汽車的最主要原材料，全球每年僅汽車行業消費的鋼材就超過1.5 億t。制造一輛轎車約需使用薄鋼板600-800kg。鋼材在相當長的時間內仍是汽車最主要的原材料，并長期穩定在60%-70%的比例。在“十二五”期間，新能源汽車將會得到大力發展，同樣將拉動鋼材的需求。時下，各地正在新建一批汽車工程項目，其規模都很大，有汽車零配件，有新能源車，還有汽車研究中心等。
“十二五”期間，新能源汽車將是我國汽車行業發展的重要方向。未來10 年，我國將投入超過1000 億元的資金，用于扶持新能源汽車市場。在“十二五”期間將大力發展新能源汽車，建立完備的鼓勵消費和使用系統。我國重點支持的新能源汽車主要指電動汽車(純電動汽車和燃料電池電動汽車等)。據預測，到2015 年新能源汽車的年銷量將達到100 萬輛左右。2015 年我國汽車行業的具體目標如卞:自主品牌轎車占比45%左右;汽車輕量化減重指標為2005 年的20%左右;汽車燃油消耗繼續降低;新能源汽車占比3%左右。在“十二五”末期我國汽車行業將實現年產2500 萬輛的生產規模，約占世界汽車產量的30%，其中:乘用車約占80%，商用車約占20%。未來幾年內，高強度鋼在汽車中的應用將迅速增長，預計年增長率達到5%。
2 汽車輕量化發展的要求
當前世界汽車工業可持續發展面臨著兩大難題，即能源短缺和環境污染，而在我國這兩者表現得更加突出。2009 年哥本哈根世界氣候峰會上，我國對世界承諾將減排目標作為約束性指標納入國民經濟和社會發展的中長期規化，到2020 年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005 年下降40%-45%。汽車行業作為我國的一個重要制造業，本身需要大量的鋼材作為原料，而鋼鐵作為高能耗、高污染的行業對環境的影響較大。從汽車本身而言，排放的尾氣對大氣污染也較為嚴重。因此，汽車企業開始重點關注節能減排。試驗表明，減少汽車自身重量(汽車輕量化)是實現節能減排的最有效措施之一。數據顯示汽車輕量化是實現節能減排的重要手段和方法。此外，輕量化對汽車的穩定性、噪聲、加速、振動等方面也都有影響。
2.1 什么是汽車輕量化
汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。試驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;汽車整備質量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L;汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。實現汽車輕量化主要有3 種途徑。一是改進汽車結構，使部件薄壁化、中空化、小型化及復合化;二是開發新型輕質材料，如使用鋁、鎂合金等有色金屬、塑料及非金屬復合材料，或者截面厚度較薄的高強鋼;三是采用先進的制造工藝，如激光拼焊、液壓成型、輥彎成型等。其中，當前的汽車輕量化措施主要是采用輕質材料。
2.2 汽車輕量化-用于設計的金屬材料
車用材料主要通過汽車的輕量化來對燃料經濟性改善作出貢獻。理論分析和試驗結果都表明，輕量化是改善汽車燃料經濟性的有效途徑。為了適應汽車輕量化的要求，一些新材料應運而生并擴大了應用范圍。
1)有色合金
以乘用車來說，1973 年每輛車所使用的有色合金占全部用材的重量比為5.0%，1980 年增至5.6%，而1997 年則達到了9.6%。有色合金在汽車上應用量的快速增長是汽車材料發展的大趨勢。
2)鋁合金
鋁的密度約為鋼的1/3，是應用最廣泛的輕量化材料。以美國生產的汽車產品為例，1976 年每車用鋁合金僅39kg，1982 年達到62kg，而1998 年則達到了100kg。
①鑄造鋁合金
許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li 在大量生產中具有重要意義。當然，在汽車上廣泛應用的并不是上述簡單的二元合金，而是多種元b素同時添加以獲得好的綜合性能。
②變形鋁合金
變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發動機散熱器、空調冷凝器、蒸發器、車輪、裝飾件和懸架系統零件等。
③鋁基復合材料
鋁基復合材料密度低、比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應用受到價格及生產質量控制等方面的制約，還沒有形成很大的規模。目前，鋁基復合材料在連桿、活塞、氣缸體內孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗或使用顯示出了卓越的性能。
3)鎂合金
鎂的密度約為鋁的2/3，在實際應用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車零件。
4)鈦合金
鈦的密度為4.5g/cm3，具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優點。由于鈦的價格昂貴，至今只見在賽車和個別豪華車上少量應用。盡管如此，對鈦合金在汽車上應用的試驗研究工作卻不少。
2.3 汽車輕量化-鋼鐵材料的輕量化舉措
鋼鐵材料在與有色合金和高分子材料的競爭中繼續發揮其價格便宜、工藝成熟的優勢，通過高強度化和有效的強化措施可充分發揮其強度潛力。迄今為止，鋼鐵仍然是在汽車生產上使用最多的材料。
2.4 汽車輕量化-輥壓制造技術的應用
新型金屬材料的不斷開發，輥壓成型技術的成熟發展，為汽車輕量化的實現提供了必要保障。在提高汽車安全和性能的前提下，降低汽車整備質量，已經成為汽車技術發展的核心環節，而采用高強度鋼代替普通強度鋼，以汽車輥壓件代替實心零部件，則是汽車輕量化最有效的手段。輥壓成型件系指以熱軋或冷軋板帶為原料(包括各種涂鍍層鋼板及有色板帶)，經輥壓成型而得到的薄壁型材。它是一種生產效率高、節材效果好、應用前景廣闊的高效型材品種。近年來，隨著世界科技突飛猛進的發展，也推動了輥壓設備和工藝的不斷更新。過去只能沖壓的零件，現在有一部分可以用輥壓代替，其生產效率明顯提高。在工業發達國家，傳統的沖壓件，如汽車大梁橫梁、車箱的縱橫梁等，在許多的車型上都已用輥壓件代替。
國的輥壓成型線既少又陳舊，在汽車行業，現在很多汽車廠家和汽車零部件制造專業企業都裝備了輥壓線。目前，冷彎型鋼在車身上的應用有一般應用件和高強鋼零部件兩類，其中一般應用件包括外飾件、非外露件;高強鋼零部件包括安全件、底盤件、其他(座椅導軌)。
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