轻量化材料及其工艺在汽车制造中的应用

谭建霖

摘 要：随着人们生活水平的不断提高，汽车的需求量有了显著提升。汽车的大量使用对生态环境和能源资源造成严重危害，需要通过优化结构设计，选用新型材料以减轻汽车重量、减少燃油消耗和尾气的排放，同时也可以提高汽车的动力性能。因而轻量化技术的研究在当今具有重要意义。一般来说，减轻汽车重量的方法有两种：优化车身的结构设计，选用轻量化材料。而选用轻量化材料是最有效的方法。轻量化材料指的是具有较高比强度的新型材料，比强度为材料强度与密度的比值。

关键词：轻量化材料;汽车制造;应用

1 轻量化材料的选用

1.1 高强钢

钢铁材料是传统的工程材料，随着材料制备技术的不断发展，钢铁材料的性能不断提高，成本逐渐下降，在工程制造领域具有不可替代的角色。高强度钢与传统的钢材密度一致，但强度远高于传统钢材。使用高强度钢代替传统钢材，制造汽车传动零件或车身覆盖件，可大大降低汽车重量。高强度钢在轻量化材料的使用占比中比例较高。其主要性能如表1所示。

1.2 铝合金

铝合金是一种轻金属合金，其密度是传统钢的三分之一，却拥有和钢同等级的强度，具有很高的比强度。铝合金是工程领域使用量最大的轻金属，汽车轻量化的首选材料之一。汽车可使用的铝合金主要有变形铝合金及铸造铝合金。利用铝合金代替传统的钢铁制造气缸体、离合器壳、后桥壳、转向器壳等，或制造汽车车身，能够极大限度减轻汽车重量，节约燃油的使用，减少车辆尾气的排放，提高环保性和经济性。其主要性能如表2所示。

1.3 工程塑料

工程塑料是在工程机械领域大量使用的轻质材料。相比较传统的金属材料而言，工程塑料强度低、刚度低、易变形、易老化，不适合用于承受较大载荷的部件。但其耐腐蚀、抗氧化能力优于传统金属材料，且具有较低的密度，比强度高，且加工成本低，因而在仪表盘、轮圈盖等非承载部件的制造过程中可代替传统钢铁材料的使用。减轻汽车重量的同时又降低了汽车的制造成本。其主要性能如表3所示。

2 轻量化材料的工艺

2.1 冲压成型

使用高强钢板材、铝合金板材加工汽车零部件或车身时，宜采用冲压成型工艺。冲压成型是一种严苛的压力加工，是在原材料的屈服极限和断裂极限直接对板材施加一定的压力，使板材变形成所设计的形状，一般不需要对原材料和设备进行加热。冲压成型工艺所使用的成型设备功率较高，成本高，但通过优化工艺参数，具有较高的成型效率，可得到较好的成型质量和理想的成型精度。

2.2 热压成型

使用工程塑料制造汽车零部件或者车身覆盖件时，工艺成本远低于高强钢或铝合金。工程塑料由于具有特殊的热特性和力学特性，受热会变形，易软化，宜采用热加工工艺制造。热压成型应用于工程塑料的制造具有得天独厚的优势。热压成型要求使用定型模具，加工时对模具进行加热，在一定温度下利用加压或真空负压对塑料原材料加压变形。热压成型精度低于冲压成型，一般需要进行后处理。

2.3 焊接成型

铝合金及高强钢的薄板件的拼接成型可用于制造车身零件，采用焊接工艺。用点焊方法，在加压的情况下对拼接薄板进行连接，形成一种不可拆卸的永久性的结合，结合形式可为点接触或直缝接触，其结合强度较高。汽车结构件的接合工艺为电弧连接，利用电弧产生热量，使高强钢或铝合金的结构件局部熔化，重新凝固后形成接头连接。利用电弧焊接使汽车结构件实现组合，制造复杂形状零部件具有极强的优势。由于金屬重新凝固是一个很复杂的热力学过程，其间会出现复杂的冶金反应、化学反应，以及应力应变，因此，对工艺参数有严格的要求。

3 结束语

汽车产量的不断增加，必然会带来一定的环境问题和资源问题，需要新技术来解决这一系列的问题。高强钢、铝合金、工程塑料等新型材料的使用，以及冲压成型、热压成型等工艺的开发，有效减轻了汽车的重量，缓解了车重所造成的问题。

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