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淺析新材料與新工藝在汽車(chē)輕量化中的應用
【摘 要】隨著(zhù)環(huán)保意識深入人心，汽車(chē)行業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，通過(guò)汽車(chē)輕量化來(lái)實(shí)現節能減排的目標。文章重點(diǎn)介紹三種汽車(chē)輕量化材料：高強度鋼，鋁合金以及鎂合金。針對各種材料在物理，力學(xué)上的特點(diǎn)和局限性進(jìn)行了分析，并介紹了材料各自所對應的加工工藝，并對各個(gè)工藝的流程和特色等進(jìn)行了針對性的分析。通過(guò)對比三種輕量化材料和加工工藝，以期實(shí)現汽車(chē)結構和零部件的設計，以及優(yōu)化材料的使用和配置。
【關(guān)鍵詞】汽車(chē)輕量化;高強度鋼;鋁合金;鎂合金;溫熱成形
節能減排是經(jīng)濟結構調整的重點(diǎn)，汽車(chē)行業(yè)的節能減排更是重中之重。汽車(chē)輕量化是汽車(chē)工業(yè)所要實(shí)現的主要目標之一。有數據表明，汽車(chē)質(zhì)量每降低300 Kg，壽命期內的排放可降低約20%。據統計，轎車(chē)總重量的30%來(lái)自汽車(chē)車(chē)身的內、外覆蓋件。所以，降低車(chē)身質(zhì)量以期實(shí)現降低燃油消耗以及減小污染排放的目標，對整個(gè)汽車(chē)行業(yè)乃至國計民生都有著(zhù)重要的意義。
汽車(chē)輕量化一般通過(guò)采用新材料和新的加工工藝來(lái)實(shí)現。高強度鋼板，鋁合金，鎂合金等一些輕質(zhì)高強材料在汽車(chē)車(chē)身，發(fā)動(dòng)機，座椅支架等結構和零部件中得到了應用。下面針對每一種輕量化材料的特點(diǎn)進(jìn)行材料性能和相應加工工藝的介紹：
高強度鋼較鋁、鎂合金在成本、加工工藝和抗碰撞性能方面具有優(yōu)勢。車(chē)用高強度鋼通過(guò)固溶強化、位錯強化、細晶強化等手段提高其強度，其本身的塑性和成形性則通過(guò)應變誘導塑性，剪切帶誘導塑性和孿晶誘導塑性等機制提高。由于強度較高，利用傳統冷沖壓工藝對其進(jìn)行成形出現不易成形，成形過(guò)程中易出現破裂，且成形之后回彈較高。
因此，針對高強度鋼板冷成形中存在的問(wèn)題，熱成形技術(shù)應運而生。熱成形是將板料在高溫爐中進(jìn)行加熱奧氏體化，之后傳送到模具中，成形的過(guò)程中進(jìn)行淬火，實(shí)現鋼板組織由奧氏體到馬氏體的轉化，最終形成具有超高強度的零部件。在加熱階段，加熱的溫度和保溫的時(shí)間是關(guān)鍵的因素，過(guò)高的溫度以及過(guò)長(cháng)的保溫時(shí)間會(huì )對板料表面造成過(guò)燒，產(chǎn)生晶粒粗大等不利于板料淬火性能的影響。通常，加熱溫度約為900℃，時(shí)間約為5分鐘。淬火階段，冷卻速率一般大于30℃/s，以控制模具中冷卻介質(zhì)的循環(huán)壓力以及循環(huán)速率，確保板料成形時(shí)快速均勻的冷卻。
鋁合金等材料具有重量輕，比強度高，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，根據鋁合金中加入的合金元素和加工工藝性能的特點(diǎn)，鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類(lèi)。變形鋁合金為通過(guò)塑性變形加工的鋁合金，其冶金產(chǎn)品有板材、管材、型材、線(xiàn)材等。這些產(chǎn)品一般組織致密，成分均勻，具有強度高、塑性好、比強度大等特點(diǎn)。鑄造鋁合金事宜于熔融狀態(tài)下充填鑄型，用來(lái)澆注各種形狀的機械零件，這種鋁合金具有良好的充填性，較小的收縮性，較低的熱裂性以及較差的塑性延展性。
鋁合金材料本身生產(chǎn)成本較高且在室溫成形性能低于鋼板，使得在汽車(chē)車(chē)身以及底盤(pán)構件上的應用受到限制，為了提高鋁合金板的成形性能，常采用溫成形工藝進(jìn)行加工。鋁合金溫成形的溫度范圍約為200℃～300℃。溫成形能緩解熱成形所造成的產(chǎn)品氧化嚴重以及工藝成本較高等問(wèn)題。在溫成形過(guò)程中，鋁合金板的塑性增強，變形抗力降低，同時(shí)產(chǎn)生應力松弛降低了回彈，從而提高了車(chē)身覆蓋件的成形精度。
鎂合金重量輕，減震效果好，鑄造性能優(yōu)異，在發(fā)生碰撞的時(shí)候對人的傷害小，現在全球約有62%的汽車(chē)方向盤(pán)是用鎂合金制作的。但是，鎂合金的耐腐蝕性差，在零部件制造過(guò)程中存在壓鑄成本高，廢品率高等問(wèn)題。此外，與鋁合金相比，鎂合金在熔融到成型的過(guò)程中需要有額外的氣體保護以避免發(fā)生化學(xué)反應，熔融設備和零部件后期防腐處理的成本均高于鋁合金。因此，需要通過(guò)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)去規避材料在成型過(guò)程中的劣勢，降低鎂合金零部件生產(chǎn)的成本。鎂合金零部件的生產(chǎn)主要采用壓鑄成形的工藝。壓力鑄造是一種將熔融合金液倒入壓室內，以高速充填鋼制模具的型腔，并使合金液在壓力下凝固而形成鑄件的鑄造方法。 它的主要特點(diǎn)是高壓和高速。金屬液是在壓力下填充型腔的，并在更高的壓力下結晶凝固。金屬液以高速充填型腔，整個(gè)充型的時(shí)間極短約為0.01-0.2秒(具體鑄件尺寸大小決定)內即可填滿(mǎn)型腔。整個(gè)工藝將 壓鑄機、壓鑄合金與壓鑄模具這三大要素有機地加以綜合運用，從而高效而穩定地生產(chǎn)出外觀(guān)、內在質(zhì)量好的合格鑄件，甚至優(yōu)質(zhì)鑄件。
綜上所述，對比分析了高強度鋼，鋁合金和鎂合金這三種車(chē)用輕量化材料各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并對每種材料的加工工藝進(jìn)行了介紹。由于整車(chē)不同部件對強度，碰撞性以及防腐蝕等性能要求不同，可根據每種材料各自的特點(diǎn)進(jìn)行結構和零部件的設計，優(yōu)化材料使用在保證安全性的同時(shí)，實(shí)現汽車(chē)的輕量化，以達到節能減排的目的。
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