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汽车车身轻量化常用新材料简介

2016年08月15日 车来车往 阅读 1,441 views 次

1、镀锌钢板

随着汽车工业发展,为了提高车体使用寿命和增强车体材料的抗腐性能,镀锌钢板得到广泛使用。由于在目前汽车车身制造中,主要采用电阻点焊方法,与无镀层钢板相比,镀锌钢板的点焊过程中还存在一些问题:先于钢板熔化的锌层形成锌环而分流,致使焊接电流密度减小;锌层表面烧损、污染电极而使电极寿命降低;锌层电阻率低,接触电阻小;容易产生焊接飞溅、裂纹及气孔等缺陷。

2、高强度钢板

从前的高强度钢板,拉延强度虽高于低碳钢板,但延伸率只有后者的50%,故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当 的微量元素,经各种处理轧制而成,其抗拉强度高达420N/mm2,是普通低碳钢板的2~3倍,延性能极好,可轧制成很薄的钢板,是车身轻量化的重要材 料。到2000年,其用量已上升到50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作,2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg,占车身钢板用量的 46%,对减重和改进车身性能起到了良好的作用。下表所示为美国轿车材料构成的变化。

材料构成1980年

(KG/车)

1985年

(KG/车)

1990年

(KG/车)

2000年

(KG/车)

862726590630
铸铁227136113136.07
54689195
塑料91109136149
玻璃41322334

低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度IF冷轧钢板等,车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。

(1)含磷高强度冷轧钢板:含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板,也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为:具有较高强度,比普通冷轧钢板高15%~25%;良好的强度和塑性平衡,即随着强度的增加,伸长率和应变硬化指数下降甚微;具有良好的耐腐蚀性,比普通冷轧钢板提高20%;具有良好的点焊性能;

(2)烘烤硬化冷轧钢板:经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理,屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度,是车身外板轻量化设计首选材料之一;

(3)冷轧双向钢板:具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点,如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件,如车门加强板、保险杠等;

(4)超低碳高强度冷轧钢板:在超低碳钢(C≤0.005%)中加入适量的钛或铌,以保证钢板的深冲性能,再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合,特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。

3、轻量化迭层钢板

迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料,表层钢板厚度为0.2~0.3mm,塑料层的厚度占总厚度的25%~65%。与具有同样刚度的单层钢板相比,质量只有57%。隔热防振性能良好,主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。

4、铝合金

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与汽车钢板相比,铝合金具有密度小(2.7g/cm3)、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点,技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车,由于采用了全铝车身骨架和外板结构,使其总质量减少了135kg,比传统钢材料车身减轻了43%,使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件,车身零件数量从50个减至29个,车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%,还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用,深受环保人士的欢迎。

根据车身结构设计的需要,采用激光束压合成型工艺,将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型,再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。

5、镁合金

镁的密度为1.8g/cm3,仅为钢材密度的35%,铝材密度的66%。此外它的比强 度、比刚度高,阻尼性、导热性好,电磁屏蔽能力强,尺寸稳定性好,因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富,镁可从石棉、白云 石、滑石中提取,特别是海水的盐分中含 3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。

铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门,它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成,每扇门的净质 量比传统的钢制车门轻10kg,且刚度极高。随着压铸技术的进步,已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件,如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。

6、泡沫合金板

泡沫合金板由粉末合金制成,其特点是密度小,仅为0.4~0.7g/cm3,弹性好,当受力压缩变形后,可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多,除了泡沫铝合金板外,还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等,可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能,特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能,深受汽车制造商的青睐。目前,用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。

7、 蜂窝夹芯复合板

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蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同,可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等;面板可以 采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点,故在汽车车身上获得较多应用,如车 身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯,钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板,使零件质量减轻了50%~60%,且易于冲压成型。

8、工程塑料

与通用塑料相比,工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点,且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起,以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车,塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果。

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中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况,而且价格高,缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世 纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆,红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆,而日本轿车平均为14kg/辆,宝马则更 高,为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破,由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建 成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备,形成了年产15000吨高性能ABS工程塑料的能力。

9、高强度纤维复合材料

高强度纤维复合材料,特别是碳纤维复合材料(CFRP),因其质量小,而且具有高强度、高刚性,有良好的耐蠕变与耐腐蚀性,因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维复合材料在汽车上的应用,美国开展的最好。

二十世纪八十年代后期,复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广,如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等,甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计,在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33%左右,并继续呈增长态势,复合材料作为汽车车身的外覆件来说,无论从设计还是生产制造、应用都已成熟,并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。法国SORA公司为雷诺汽车公司开发了全复合材料轿车车身和重型卡车驾驶室。上海通用柳州汽车公司和东风公司也计划推出全复合材料车身的家庭用小轿车。

转自《汽车材料网》微信公众账号

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