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淺談金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用論文
低碳發(fā)展如今已成為全球的熱門話題，人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代技術(shù)帶來方便的同時(shí)，能源的日益緊缺，汽車尾氣造成的環(huán)境污染，已成為全球不得不關(guān)注的問題，我國作為汽車產(chǎn)銷大國亦不例外。隨著汽車制造技術(shù)的快速發(fā)展和冷彎成型技術(shù)的不斷成熟，冷彎型鋼在我國汽車車身上的應(yīng)用越來越受到汽車和冷彎兩個(gè)行業(yè)的高度重視，行業(yè)內(nèi)的專家和工程技術(shù)人員對(duì)汽車用輥壓件的研究不斷深入。
1 我國汽車工業(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)
2013 年，我國汽車工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，產(chǎn)銷保持穩(wěn)定增長態(tài)勢(shì)，全年產(chǎn)銷量突破2100 萬t，增長超過10%。我國乘用車市場(chǎng)仍將是未來發(fā)展的重點(diǎn)。展望2014 年，在居民收入持續(xù)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(fèi)升級(jí)換購需求疊加，乘用車消費(fèi)將繼續(xù)保持較快增長，節(jié)能環(huán)保需求將促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。商用車受工業(yè)發(fā)展增速放緩、能源和環(huán)保限制及綜合使用成本升高影響，需求將不會(huì)出現(xiàn)大幅增長。汽車用鋼品種主要包括鋼板、優(yōu)質(zhì)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(chǎn)汽車的最主要原材料，全球每年僅汽車行業(yè)消費(fèi)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(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍是汽車最主要的原材料，并長期穩(wěn)定在60%-70%的比例。在“十二五”期間，新能源汽車將會(huì)得到大力發(fā)展，同樣將拉動(dòng)鋼材的需求。時(shí)下，各地正在新建一批汽車工程項(xiàng)目，其規(guī)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(yè)發(fā)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(chǎng)。在“十二五”期間將大力發(fā)展新能源汽車，建立完備的鼓勵(lì)消費(fèi)和使用系統(tǒng)。我國重點(diǎn)支持的新能源汽車主要指電動(dòng)汽車(純電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車等)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2015 年新能源汽車的年銷量將達(dá)到100 萬輛左右。2015 年我國汽車行業(yè)的具體目標(biāo)如卞:自主品牌轎車占比45%左右;汽車輕量化減重指標(biāo)為2005 年的20%左右;汽車燃油消耗繼續(xù)降低;新能源汽車占比3%左右。在“十二五”末期我國汽車行業(yè)將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)2500 萬輛的生產(chǎn)規(guī)模，約占世界汽車產(chǎn)量的30%，其中:乘用車約占80%，商用車約占20%。未來幾年內(nèi)，高強(qiáng)度鋼在汽車中的應(yīng)用將迅速增長，預(yù)計(jì)年增長率達(dá)到5%。
2 汽車輕量化發(fā)展的要求
當(dāng)前世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨著兩大難題，即能源短缺和環(huán)境污染，而在我國這兩者表現(xiàn)得更加突出。2009 年哥本哈根世界氣候峰會(huì)上，我國對(duì)世界承諾將減排目標(biāo)作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的中長期規(guī)化，到2020 年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005 年下降40%-45%。汽車行業(yè)作為我國的一個(gè)重要制造業(yè)，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(yè)對(duì)環(huán)境的影響較大。從汽車本身而言，排放的尾氣對(duì)大氣污染也較為嚴(yán)重。因此，汽車企業(yè)開始重點(diǎn)關(guān)注節(jié)能減排。試驗(yàn)表明，減少汽車自身重量(汽車輕量化)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最有效措施之一。數(shù)據(jù)顯示汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段和方法。此外，輕量化對(duì)汽車的穩(wěn)定性、噪聲、加速、振動(dòng)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(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。試驗(yàn)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(zhì)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(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有3 種途徑。一是改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化、中空化、小型化及復(fù)合化;二是開發(fā)新型輕質(zhì)材料，如使用鋁、鎂合金等有色金屬、塑料及非金屬復(fù)合材料，或者截面厚度較薄的高強(qiáng)鋼;三是采用先進(jìn)的制造工藝，如激光拼焊、液壓成型、輥彎成型等。其中，當(dāng)前的汽車輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。
2.2 汽車輕量化-用于設(shè)計(jì)的金屬材料
車用材料主要通過汽車的輕量化來對(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。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。
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(dá)到了9.6%。有色合金在汽車上應(yīng)用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢(shì)。
2)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b素同時(shí)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(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。
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、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。
3)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。
4)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。
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(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。迄今為止，鋼鐵仍然是在汽車生產(chǎn)上使用最多的材料。
2.4 汽車輕量化-輥壓制造技術(shù)的應(yīng)用
新型金屬材料的不斷開發(fā)，輥壓成型技術(shù)的成熟發(fā)展，為汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)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(zhì)量，已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，而采用高強(qiáng)度鋼代替普通強(qiáng)度鋼，以汽車輥壓件代替實(shí)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(jīng)輥壓成型而得到的薄壁型材。它是一種生產(chǎn)效率高、節(jié)材效果好、應(yīng)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(jìn)的發(fā)展，也推動(dòng)了輥壓設(shè)備和工藝的不斷更新。過去只能沖壓的零件，現(xiàn)在有一部分可以用輥壓代替，其生產(chǎn)效率明顯提高。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，傳統(tǒng)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(yè)，現(xiàn)在很多汽車廠家和汽車零部件制造專業(yè)企業(yè)都裝備了輥壓線。目前，冷彎型鋼在車身上的應(yīng)用有一般應(yīng)用件和高強(qiáng)鋼零部件兩類，其中一般應(yīng)用件包括外飾件、非外露件;高強(qiáng)鋼零部件包括安全件、底盤件、其他(座椅導(dǎo)軌)。
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