為了適應(yīng)汽車輕量化的要求，一些新材料應(yīng)運(yùn)而生并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，而傳統(tǒng)材料也在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中得到了發(fā)展。汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性與汽車的設(shè)計(jì)、制造和使用都有密切關(guān)系，其中車用材料主要通過(guò)汽車的輕量化來(lái)對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性改善作出貢獻(xiàn)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明，輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。本文僅就在輕量化的潮流中，對(duì)金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用作出介紹。
有色合金擴(kuò)大應(yīng)用
據(jù)日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（JSAI）統(tǒng)計(jì)，以乘用車來(lái)說(shuō)，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(dá)到了9.6%。有色合金在汽車上應(yīng)用量的快速增長(zhǎng)是汽車材料發(fā)展的大趨勢(shì)。
鋁合金
鋁的密度約為鋼的1/3，是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。以美國(guó)生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例，1976年每車用鋁合金僅39kg，1982年達(dá)到62kg，而1998年則達(dá)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(chǎn)中具有重要意義。當(dāng)然，在汽車上廣泛應(yīng)用的并不是上述簡(jiǎn)單的二元合金，而是多種元素同時(shí)添加以獲得好的綜合性能。
汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場(chǎng)，例如日本，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動(dòng)器殼體、離合器殼體、車輪、制動(dòng)器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。
鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來(lái)生產(chǎn)要求較高強(qiáng)度鑄件時(shí)受到限制。為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進(jìn)，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來(lái)較多用的工藝。
所謂鑄造鍛造法是指先用普通鑄造工藝制取毛坯然后經(jīng)一次壓力加工而得到近凈形零件的復(fù)合工藝方法。這種方法綜合了鑄造和鍛造這兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，可以生產(chǎn)具有較高強(qiáng)度的復(fù)雜鋁質(zhì)零件。
所謂半固態(tài)成型是一種對(duì)固態(tài)、液態(tài)兩相共存的半固態(tài)金屬熔體進(jìn)行擠壓加工而得到制品的特殊工藝方法。當(dāng)然，這種半固態(tài)金屬熔體必須經(jīng)過(guò)特殊處理而得到非枝晶結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)了機(jī)械攪拌、機(jī)械剪斷、電磁攪拌和應(yīng)變誘導(dǎo)等方法。歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家采用這種工藝生產(chǎn)的汽車零件已進(jìn)入市場(chǎng)，日本也具有商業(yè)化生產(chǎn)能力。采用半固態(tài)成型生產(chǎn)的零件具有顯微組織細(xì)化、缺陷少、力學(xué)性能高等特點(diǎn)，且這種方法的成型力小、可成型復(fù)雜零件、制品近凈形。典型的半固態(tài)成型鋁合金是A356（AlSi7Mg0.3）和A357(AlSi7Mg0.6)，其共晶體含量高于35%，流動(dòng)性好。半固態(tài)成型鋁合金在汽車上應(yīng)用的例子有制動(dòng)主缸缸體、車輪輪轂等。目前見(jiàn)諸報(bào)道的最大鋁合金半固態(tài)成型汽車零件是由意大利某廠生產(chǎn)的賽車后懸架左右支架，單件質(zhì)量為6.5kg。
（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(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。
由于輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的應(yīng)用正在擴(kuò)大。如1990年9月開(kāi)始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身，比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg，引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達(dá)到31.3%，如在全鋁車身上，外板使用6000系列合金，內(nèi)板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由于側(cè)門(mén)框?qū)?qiáng)度和剛度要求很高，使用以6N01合金為基礎(chǔ)、適當(dāng)調(diào)整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內(nèi)外板的。
鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲，到20世紀(jì)80年代后期鋁散熱器已占領(lǐng)市場(chǎng)的90%。隨?車用空調(diào)、油冷卻器等的大量使用，鋁熱交換器的市場(chǎng)迅速擴(kuò)大。從材料的角度看，鋁在熱交換器上的廣泛應(yīng)用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開(kāi)發(fā)。
（3） 鋁基復(fù)合材料
鋁基復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應(yīng)用受到價(jià)格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約，還沒(méi)有形成很大的規(guī)模。目前，鋁基復(fù)合材料在連桿、活塞、氣缸體內(nèi)孔、制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鉗和傳動(dòng)軸管等零件上的試驗(yàn)或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開(kāi)發(fā)成功的由不?鋼絲增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿比鋼制連桿降重30%，對(duì)1.2L的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可提高燃料經(jīng)濟(jì)性5%；采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末（重量百分?jǐn)?shù)2%）混合并擠壓成棒材，用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強(qiáng)度高可降重20%，發(fā)動(dòng)機(jī)功率大幅度提高；用鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%；鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)比鑄鐵制動(dòng)盤(pán)降重50%。
鎂合金
鎂的密度約為鋁的2/3，在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車零件。
鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用，鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%~50%。新開(kāi)發(fā)的無(wú)孔壓鑄法（Pore Free Diecast）可生產(chǎn)出沒(méi)有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。
鎂鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。德國(guó)波舍爾公司1970年起使用AM60A合金壓鑄車輪，鎂車輪比鋁車輪輕20%以上。在汽車上試用或應(yīng)用鎂合金的實(shí)例還有離合器殼體、離合器踏板、制動(dòng)踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤(pán)輪芯、變速箱殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比，鎂制件降重65%；與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比，鎂制件降重45%；與全鋁氣缸蓋相比，鎂制件降重30%；與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結(jié)構(gòu)制動(dòng)踏板支架相比，整體的鎂鑄件降重40%，同時(shí)其剛性也得以改善。
鎂基復(fù)合材料的研究也有進(jìn)展，以SiC顆粒為增強(qiáng)體,采用液態(tài)攪拌技術(shù)得到的鎂基復(fù)合材料具有很好的性能且生產(chǎn)成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料比基體合金拉伸強(qiáng)度提高23%，屈服強(qiáng)度提高47%，彈性模量提高72%。
鈦合金
鈦的密度為4.5g/cm3,具有比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。由于鈦的價(jià)格昂貴，至今只見(jiàn)在賽車和個(gè)別豪華車上少量應(yīng)用。盡管如此，對(duì)鈦合金在汽車上應(yīng)用的試驗(yàn)研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，強(qiáng)度相當(dāng)于45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）經(jīng)強(qiáng)冷加工和時(shí)效處理，強(qiáng)度可達(dá)2000MPa，可用來(lái)制造懸架彈簧、氣門(mén)彈簧和氣門(mén)等，與拉伸強(qiáng)度為2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。
鈦合金應(yīng)用的最大阻力來(lái)自其高價(jià)格，豐田中央研究所開(kāi)發(fā)了一種成本較低的鈦基復(fù)合材料。該復(fù)合材料以Ti-6Al-4V合金為基體，以TiB為增強(qiáng)體，用粉末冶金法生產(chǎn)，已在發(fā)動(dòng)機(jī)連桿上應(yīng)用。
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(jìng)爭(zhēng)中繼續(xù)發(fā)揮其價(jià)格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)高強(qiáng)度化和有效的強(qiáng)化措施可充分發(fā)揮其強(qiáng)度潛力，以致迄今為止仍然是在汽車生產(chǎn)上使用最多的材料。
高強(qiáng)度鋼板
轎車自重的25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀(jì)90年代，世界范圍內(nèi)的35家主要鋼鐵企業(yè)合作完成了“超輕鋼質(zhì)汽車車身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）課題。該課題的研究成果表明，車身鋼板的90%使用現(xiàn)已大量生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板（包括高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實(shí)現(xiàn)車身降重25%（以4門(mén)轎車為參照），且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，第一車身結(jié)構(gòu)模量提高58%，滿足全部碰撞法規(guī)要求。當(dāng)然，這還是一個(gè)研究的成果，高強(qiáng)度鋼板在車身上的實(shí)際應(yīng)用還未達(dá)到如此高的水平。
在普通的IF鋼板的基礎(chǔ)上相繼開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時(shí)提高了強(qiáng)度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實(shí)現(xiàn)輕量化創(chuàng)造了條件。
加入Ti、Nb和V等元素的析出強(qiáng)化鋼板拉伸強(qiáng)度在500~750MPa，可用于車輪和其它底盤(pán)零件。
近來(lái)開(kāi)發(fā)的多相鋼有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。其中鐵素體－貝氏體鋼強(qiáng)度級(jí)別為500MPa，雙相（DP）鋼和相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼強(qiáng)度級(jí)別為600~800MPa,復(fù)相（CP）鋼強(qiáng)度級(jí)別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。日本日產(chǎn)汽車公司進(jìn)行了590MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼板在車身上的應(yīng)用研究，他們選用TRIP鋼和DP鋼裸板以及DP鋼鍍鋅板并運(yùn)用有限元分析技術(shù)解決了沖壓開(kāi)裂和回彈問(wèn)題，優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，通過(guò)實(shí)車檢測(cè)，剛度和碰撞性能滿足要求，比采用440MPa級(jí)鋼板時(shí)降重10kg。
激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近開(kāi)發(fā)并應(yīng)用的鋼板輕量化技術(shù)。在前述ULSAB車身有18個(gè)零件采用了此技術(shù)。
結(jié)構(gòu)鋼
鋼鐵材料的用量雖逐年減少，但高強(qiáng)度鋼的用量卻有相當(dāng)大的增加。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于汽車的輕量化。
(1) 彈簧
懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。但是為了實(shí)現(xiàn)這種高應(yīng)力下的輕量化，材料的高強(qiáng)度化是不可少的。在傳統(tǒng)的Si-Mn彈簧鋼的基礎(chǔ)上通過(guò)降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度和韌性都很高的鋼種，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力可達(dá)1270MPa，這種彈簧鋼的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)40%的輕量化。在傳統(tǒng)的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能，結(jié)合改進(jìn)的奧氏體軋制成型，可使鋼的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1800MPa的水平。
氣門(mén)彈簧用的Si-Cr鋼中添加V，通過(guò)晶粒細(xì)化確保韌性，由增C提高強(qiáng)度。這樣改進(jìn)后，彈簧的高周疲勞強(qiáng)度約提高8%，可實(shí)現(xiàn)15%的輕量化。通過(guò)有限元分析，螺旋彈簧內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開(kāi)發(fā)，使彈簧實(shí)現(xiàn)7%的輕量化。
提高彈簧疲勞強(qiáng)度的有效途徑是對(duì)彈簧進(jìn)行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸，除了傳統(tǒng)的應(yīng)力噴丸之外又發(fā)展了雙級(jí)噴丸。噴丸和氮化也可以復(fù)合使用。
(2) 齒輪
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有高功率化的趨勢(shì)，而傳動(dòng)器有緊湊小型化的傾向。這勢(shì)必加大傳動(dòng)齒輪的負(fù)荷，從而對(duì)齒輪鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的要求也相應(yīng)提高。
提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強(qiáng)度，但單純靠合金元素來(lái)強(qiáng)化齒輪鋼會(huì)使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝復(fù)雜，原材料成本和生產(chǎn)成本都會(huì)大幅度提高。齒輪滲碳時(shí)，為了防止或減少異常層的出現(xiàn)，降低鋼中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用經(jīng)改良的碳氮共滲工藝。改進(jìn)的鋼種可使齒輪實(shí)物的沖擊壽命提高3~5倍，若在上述降低表面異常層鋼種加上強(qiáng)力噴丸，可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。
齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點(diǎn)，會(huì)降低強(qiáng)力噴丸的強(qiáng)化效果，為此開(kāi)發(fā)了高純凈度齒輪鋼。例如對(duì)SCM420HZ鋼，將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時(shí)，與前述降低表面異常層的低Si高Mo鋼相比，齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%，接觸疲勞壽命提高25%。
高強(qiáng)度鑄鐵
鑄鐵由于其性能和成本方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進(jìn)步更使之在汽車上的應(yīng)用出現(xiàn)了新亮點(diǎn)。
(1) 球墨鑄鐵
鐵素體球墨鑄鐵拉伸強(qiáng)度可達(dá)500MPa，韌性也較高，因此多用于底盤(pán)零件，有的車型甚至用作轉(zhuǎn)向節(jié)等保安件。
珠光體球墨鑄鐵強(qiáng)度更高，在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵加圓角滾壓強(qiáng)化，已成為美、德、法等國(guó)汽車廠家的標(biāo)準(zhǔn)工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%，所以以球鐵代鋼可以產(chǎn)生一定的輕量化效果。
奧貝球鐵(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的強(qiáng)度和韌塑性，按美國(guó)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制造的奧貝球鐵牌號(hào)，其最高強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到1400MPa，超過(guò)了調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼的強(qiáng)度水平?？梢杂?/SPAN>ADI代替鋼制造汽車輪轂、全輪驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)齒輪、曲軸和連桿等。經(jīng)實(shí)物測(cè)量，代替鍛鋼制造曲軸可以降重10%，代替鋁合金制造載貨車輪轂每只可降重0.5kg。
(2) 蠕墨鑄鐵
蠕墨鑄鐵(Vermicular graphite cast iron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compacted graphite cast iron)，其機(jī)械－物理性能和鑄造工藝性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合制造強(qiáng)度要求較高和要承受熱循環(huán)負(fù)荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動(dòng)鼓等。
蠕墨鑄鐵的發(fā)現(xiàn)與球鐵同時(shí)，但由于蠕化工藝控制難度較大而應(yīng)用受到限制，Sinter Cast工藝控制系統(tǒng)為蠕鐵的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。Ford汽車公司從1996年開(kāi)始應(yīng)用這套系統(tǒng)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體。據(jù)稱蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%，而結(jié)構(gòu)剛度則提高12%~25%。采用蠕鐵制造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動(dòng)和噪音、改善排放。
粉末冶金材料
粉末冶金材料成分自由度大和粉末燒結(jié)工藝的近凈形特點(diǎn)，其在汽車上的應(yīng)用有增加的趨勢(shì)，特別是鐵基粉末燒結(jié)材料在要求較高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來(lái)越多。
組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來(lái)的新產(chǎn)品，它是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪，然后用燒結(jié)或機(jī)械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機(jī)上使用，隨?柴油機(jī)凸輪軸服役工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機(jī)的趨勢(shì)。
粉末鍛造連桿已經(jīng)成功應(yīng)用，近年開(kāi)發(fā)的一次燒結(jié)粉末冶金連桿技術(shù)的生產(chǎn)成本較低，可實(shí)現(xiàn)11%的輕量化。德國(guó)Opel公司裝在2.0L的OHC發(fā)動(dòng)機(jī)上行駛30萬(wàn)km的效果未見(jiàn)異常。
（轉(zhuǎn)載）
