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淺析新材料與新工藝在汽車輕量化中的應用
【摘 要】隨著環(huán)保意識深入人心，汽車行業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，通過汽車輕量化來實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。文章重點介紹三種汽車輕量化材料：高強度鋼，鋁合金以及鎂合金。針對各種材料在物理，力學上的特點和局限性進行了分析，并介紹了材料各自所對應的加工工藝，并對各個工藝的流程和特色等進行了針對性的分析。通過對比三種輕量化材料和加工工藝，以期實現(xiàn)汽車結構和零部件的設計，以及優(yōu)化材料的使用和配置。
【關鍵詞】汽車輕量化;高強度鋼;鋁合金;鎂合金;溫熱成形
節(jié)能減排是經(jīng)濟結構調(diào)整的重點，汽車行業(yè)的節(jié)能減排更是重中之重。汽車輕量化是汽車工業(yè)所要實現(xiàn)的主要目標之一。有數(shù)據(jù)表明，汽車質(zhì)量每降低300 Kg，壽命期內(nèi)的排放可降低約20%。據(jù)統(tǒng)計，轎車總重量的30%來自汽車車身的內(nèi)、外覆蓋件。所以，降低車身質(zhì)量以期實現(xiàn)降低燃油消耗以及減小污染排放的目標，對整個汽車行業(yè)乃至國計民生都有著重要的意義。
汽車輕量化一般通過采用新材料和新的加工工藝來實現(xiàn)。高強度鋼板，鋁合金，鎂合金等一些輕質(zhì)高強材料在汽車車身，發(fā)動機，座椅支架等結構和零部件中得到了應用。下面針對每一種輕量化材料的特點進行材料性能和相應加工工藝的介紹：
高強度鋼較鋁、鎂合金在成本、加工工藝和抗碰撞性能方面具有優(yōu)勢。車用高強度鋼通過固溶強化、位錯強化、細晶強化等手段提高其強度，其本身的塑性和成形性則通過應變誘導塑性，剪切帶誘導塑性和孿晶誘導塑性等機制提高。由于強度較高，利用傳統(tǒng)冷沖壓工藝對其進行成形出現(xiàn)不易成形，成形過程中易出現(xiàn)破裂，且成形之后回彈較高。
因此，針對高強度鋼板冷成形中存在的問題，熱成形技術應運而生。熱成形是將板料在高溫爐中進行加熱奧氏體化，之后傳送到模具中，成形的過程中進行淬火，實現(xiàn)鋼板組織由奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)化，最終形成具有超高強度的零部件。在加熱階段，加熱的溫度和保溫的時間是關鍵的因素，過高的溫度以及過長的保溫時間會對板料表面造成過燒，產(chǎn)生晶粒粗大等不利于板料淬火性能的影響。通常，加熱溫度約為900℃，時間約為5分鐘。淬火階段，冷卻速率一般大于30℃/s，以控制模具中冷卻介質(zhì)的循環(huán)壓力以及循環(huán)速率，確保板料成形時快速均勻的冷卻。
鋁合金等材料具有重量輕，比強度高，耐腐蝕等優(yōu)點，根據(jù)鋁合金中加入的合金元素和加工工藝性能的特點，鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金為通過塑性變形加工的鋁合金，其冶金產(chǎn)品有板材、管材、型材、線材等。這些產(chǎn)品一般組織致密，成分均勻，具有強度高、塑性好、比強度大等特點。鑄造鋁合金事宜于熔融狀態(tài)下充填鑄型，用來澆注各種形狀的機械零件，這種鋁合金具有良好的充填性，較小的收縮性，較低的熱裂性以及較差的塑性延展性。
鋁合金材料本身生產(chǎn)成本較高且在室溫成形性能低于鋼板，使得在汽車車身以及底盤構件上的應用受到限制，為了提高鋁合金板的成形性能，常采用溫成形工藝進行加工。鋁合金溫成形的溫度范圍約為200℃～300℃。溫成形能緩解熱成形所造成的產(chǎn)品氧化嚴重以及工藝成本較高等問題。在溫成形過程中，鋁合金板的塑性增強，變形抗力降低，同時產(chǎn)生應力松弛降低了回彈，從而提高了車身覆蓋件的成形精度。
鎂合金重量輕，減震效果好，鑄造性能優(yōu)異，在發(fā)生碰撞的時候?qū)θ说膫π。F(xiàn)在全球約有62%的汽車方向盤是用鎂合金制作的。但是，鎂合金的耐腐蝕性差，在零部件制造過程中存在壓鑄成本高，廢品率高等問題。此外，與鋁合金相比，鎂合金在熔融到成型的過程中需要有額外的氣體保護以避免發(fā)生化學反應，熔融設備和零部件后期防腐處理的成本均高于鋁合金。因此，需要通過生產(chǎn)工藝的改進去規(guī)避材料在成型過程中的劣勢，降低鎂合金零部件生產(chǎn)的成本。鎂合金零部件的生產(chǎn)主要采用壓鑄成形的工藝。壓力鑄造是一種將熔融合金液倒入壓室內(nèi)，以高速充填鋼制模具的型腔，并使合金液在壓力下凝固而形成鑄件的鑄造方法。 它的主要特點是高壓和高速。金屬液是在壓力下填充型腔的，并在更高的壓力下結晶凝固。金屬液以高速充填型腔，整個充型的時間極短約為0.01-0.2秒(具體鑄件尺寸大小決定)內(nèi)即可填滿型腔。整個工藝將 壓鑄機、壓鑄合金與壓鑄模具這三大要素有機地加以綜合運用，從而高效而穩(wěn)定地生產(chǎn)出外觀、內(nèi)在質(zhì)量好的合格鑄件，甚至優(yōu)質(zhì)鑄件。
綜上所述，對比分析了高強度鋼，鋁合金和鎂合金這三種車用輕量化材料各自的優(yōu)點和缺點，并對每種材料的加工工藝進行了介紹。由于整車不同部件對強度，碰撞性以及防腐蝕等性能要求不同，可根據(jù)每種材料各自的特點進行結構和零部件的設計，優(yōu)化材料使用在保證安全性的同時，實現(xiàn)汽車的輕量化，以達到節(jié)能減排的目的。
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