探析新材料在汽车轻量化技术中的应用

徐佳良

摘 要：汽车轻量化是在保证汽车安全性能前提下，降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，实现节能减排的目的。尤其是“碳达峰”和“碳中和”被提出后，对汽车节能减排的需求更为迫切。对于燃油车，汽车质量每减少10%，汽车燃油效率将会增加6%～8%[1]；而新能源汽车每减重10%，续航里程可提升5%～6%，由此可见，无论是在提高汽车性能，还是在实现汽车节能、降耗、增加续航里程方面，轻量化都是汽车的重要技术路径之一。

关键词：汽车；新材料；轻量化；成形技术

引言

在智能、电动及软件重新定义汽车工业的今天，传统的汽车设计及制造手段受到了前所未有的挑战。在新型汽车介入汽车工业的背景下，大量的新车型被研发，行业的革命往往带来技术的革新，以往我国在汽车覆盖件设计制造上所采用的逆向工程已经难以符合目前行业的发展潮流。所以，正向设计开发才是传统汽车工业转型的最佳方案。设计的创新意味着制造成本的提高，类似铝合金等非传统汽车覆盖件的开发目前尚存在较多缺陷。若仅由设计部门单独进行覆盖件的开发，则难以规避由零件先天缺陷所带来的工艺风险。因此，新型汽车覆盖件的开发需要借助同步工程实现一体化考虑钣金结构、冲压工艺及模具结构等问题。

1轻量化工艺技术

汽车轻量化相关的工艺技术主要有热冲压成形、激光焊接、液压成形、结构胶粘接等，热成形和液压成形零部件应用较为广泛。在汽车制造中，热冲压成形工艺主要用于钢铁材料的加工，Mn-B系钢应用最为广泛，如22MnB、38MnB5等；液压成形主要应用于管类零件的生产加工。热冲压成形工艺是将热冲压成形用钢加热至奥氏体化，在奥氏体温度区间保温一段时间后，快速转移至热冲压模具中进行成形和淬火。最终零件组织一般为完全的马氏体组织，抗拉强度可达到1500MPa甚至更高。热冲压成形工艺结合了冲压和热处理过程，奥氏体组织塑性好、变形抗力小，在零件成形后奥氏体转变为马氏体，使零部件回弹小、强度高。目前，热成形件主要应用在汽车安全件上，如车门防撞梁、B柱加强板、地板纵梁、门槛梁等零部件。

2新材料在汽车轻量化技术中的应用

2.1高强度钢材料

高强度钢材料是汽车制造应用范围最广的一种材料，我国在该领域已取得了一系列成就，但仍应围绕高强度材料加大技术研发，在降低成本的同时实现减轻车辆质量。（１）加大对高强度钢材料的开发。目前所使用的一系列高强度钢，如双向钢、低合金钢等需要用化学方法改进其冶炼技术，实现贵重合金元素使用量的不断减少，在提升其强度同时增加其塑性韧性，使高强度钢具有更好的性能使之具有较高的成形性的高强钢。（２）采用更先进的研发技术，确保成形效果。高强度钢的成形目前主要依靠延展、拉伸、弯曲等技术，受到一定的局限，因此要研发一些先进的成形技术，如液压、辊压等，不断丰富成形技术。另外，要主动探究研发高强度钢焊接技术，引入更先进的激光拼焊技术，全面开发高强度钢的连接技术，这也是今后运用高强度钢材的重点内容。（３）运用计算机辅助工程（ＣＡＥ）分析技术进行成形研发，推动高强度钢材料成形技术的发展。由于高强度钢的强度高，因此其成形难度更大，而且高强度钢存在容易发生开裂、回弹等问题，借助于ＣＡＥ分析能够不断地优化其成形路径，有效杜绝开裂问题的发生，确保成形一次成功。同时，也能够模拟分析回弹，对回弹进行预测，进而能够有针对性地补偿回弹，使成形效果得到保证。

2.2铝合金

铝合金的密度约为钢的1/3，且具有高比强度和优秀的防腐性能，在车辆结构件上的应用逐渐增多。汽车制造中使用的铝合金主要有铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金是将加热至液态的铝水注入铸造模具中冷却，然后加工成汽车零部件。铝合金铸件质量稳定且易于大批量生产，已被车企广泛使用在轮毂、发动机缸体、变速器壳体、悬架摆臂、发动机悬置等零部件。在车辆中常用的变形铝合金主要有轧制和挤压铝合金，轧制铝合金主要为5系合金，多为板材，主要用于汽车覆盖件冲压成形等。挤压铝合金主要为6系和7系合金，多为型材，主要用于车身骨架。

2.3碳纤维增强树脂基复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料性能独特、优势明显，已经成为当下汽车轻量化研究的重点材料。碳纤维增强树脂基复合材料优势较多：①力学性能优异。碳纤维增强树脂基复合材料密度低，是碳钢密度的１／１０，质量也是相同体积铝合金质量的２／３左右，但其性能要远远高于铝合金材料，抗拉強度更是其他钢材的数倍。碳纤维增强树脂基复合材料的动阻尼特性优异，是其他轻金属所不可比拟的。通常铝合金的动阻尼时间为９ｓ，碳纤维增强树脂基复合材料的动阻尼时间为２ｓ。②实现了一体化制造。今后汽车制造发展的趋势是一体化制造，采用碳纤维增强树脂基复合材料能够一次性地制作成不同形状的曲面，实现一体化制造所有的汽车零部件，可有效减少汽车零部件制造的空档，提高了工作效率。③抗冲击吸能性能好，材料可塑性强，可实现外部负荷压力的转换，特别是由碳纤维增强树脂基复合材料制作的零部件具有良好的抗冲击吸能性能。

结束语

挤压是铝合金重要的加工方式，铝型材具备较好的力学性能，因此部件的截面刚度较高。同时由于截面可变，铝合金可实现多部件功能的复合，是实现汽车轻量化较好的材料。但其广泛应用中存在铝合金货柜设计能力欠缺、成形及焊接问题、新产品开发时间及推广费用等瓶颈，最主要原因还是铝合金回收生态未成熟前铝合金成本比钢材高。总之，铝合金在汽车上的应用范围将越来越广，使用量也日渐增加。在当前节能减排、汽车新能源行业发展潮流中，随着人们对铝合金性能了解的深入及对铝合金应用问题的有效解决，铝合金挤压材将会更加广泛地应用于汽车轻量化。

参考文献：

[1]熊雪娇，汽车轻量化横向稳定杆连接杆.河北省，保定市格瑞机械有限公司，2021-03-17.

[2]郭营利，汽车轻量化冲压桥壳用中板研究与应用.甘肃省，酒泉钢铁，2020-12-21.

[3].轻量化材料成新能源汽车“减重”突破口[J].橡塑技术与装备，2020，46（24）：57-58.