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淺談金屬材料在汽車(chē)輕量化中的應用論文
低碳發(fā)展如今已成為全球的熱門(mén)話(huà)題，人們在享受現代技術(shù)帶來(lái)方便的同時(shí)，能源的日益緊缺，汽車(chē)尾氣造成的環(huán)境污染，已成為全球不得不關(guān)注的問(wèn)題，我國作為汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國亦不例外。隨著(zhù)汽車(chē)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(chē)車(chē)身上的應用越來(lái)越受到汽車(chē)和冷彎兩個(gè)行業(yè)的高度重視，行業(yè)內的專(zhuān)家和工程技術(shù)人員對汽車(chē)用輥壓件的研究不斷深入。
1 我國汽車(chē)工業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢
2013 年，我國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展勢頭良好，產(chǎn)銷(xiāo)保持穩定增長(cháng)態(tài)勢，全年產(chǎn)銷(xiāo)量突破2100 萬(wàn)t，增長(cháng)超過(guò)10%。我國乘用車(chē)市場(chǎng)仍將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。展望2014 年，在居民收入持續增長(cháng)的背景下，三四線(xiàn)城市乘用車(chē)普及需求與一二線(xiàn)城市乘用車(chē)消費升級換購需求疊加，乘用車(chē)消費將繼續保持較快增長(cháng)，節能環(huán)保需求將促使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。商用車(chē)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 )出現大幅增長(cháng)。汽車(chē)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(chē)用鋼中的板材(包括熱軋、冷軋鋼板和鍍層板)是生產(chǎn)汽車(chē)的最主要原材料，全球每年僅汽車(chē)行業(yè)消費的鋼材就超過(guò)1.5 億t。制造一輛轎車(chē)約需使用薄鋼板600-800kg。鋼材在相當長(cháng)的時(shí)間內仍是汽車(chē)最主要的原材料，并長(cháng)期穩定在60%-70%的比例。在“十二五”期間，新能源汽車(chē)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(chē)工程項目，其規模都很大，有汽車(chē)零配件，有新能源車(chē)，還有汽車(chē)研究中心等。
“十二五”期間，新能源汽車(chē)將是我國汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要方向。未來(lái)10 年，我國將投入超過(guò)1000 億元的資金，用于扶持新能源汽車(chē)市場(chǎng)。在“十二五”期間將大力發(fā)展新能源汽車(chē)，建立完備的鼓勵消費和使用系統。我國重點(diǎn)支持的新能源汽車(chē)主要指電動(dòng)汽車(chē)(純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等)。據預測，到2015 年新能源汽車(chē)的年銷(xiāo)量將達到100 萬(wàn)輛左右。2015 年我國汽車(chē)行業(yè)的具體目標如卞:自主品牌轎車(chē)占比45%左右;汽車(chē)輕量化減重指標為2005 年的20%左右;汽車(chē)燃油消耗繼續降低;新能源汽車(chē)占比3%左右。在“十二五”末期我國汽車(chē)行業(yè)將實(shí)現年產(chǎn)2500 萬(wàn)輛的生產(chǎn)規模，約占世界汽車(chē)產(chǎn)量的30%，其中:乘用車(chē)約占80%，商用車(chē)約占20%。未來(lái)幾年內，高強度鋼在汽車(chē)中的應用將迅速增長(cháng)，預計年增長(cháng)率達到5%。
2 汽車(chē)輕量化發(fā)展的要求
當前世界汽車(chē)工業(yè)可持續發(fā)展面臨著(zhù)兩大難題，即能源短缺和環(huán)境污染，而在我國這兩者表現得更加突出。2009 年哥本哈根世界氣候峰會(huì )上，我國對世界承諾將減排目標作為約束性指標納入國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的中長(cháng)期規化，到2020 年單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005 年下降40%-45%。汽車(chē)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)對環(huán)境的影響較大。從汽車(chē)本身而言，排放的尾氣對大氣污染也較為嚴重。因此，汽車(chē)企業(yè)開(kāi)始重點(diǎn)關(guān)注節能減排。試驗表明，減少汽車(chē)自身重量(汽車(chē)輕量化)是實(shí)現節能減排的最有效措施之一。數據顯示汽車(chē)輕量化是實(shí)現節能減排的重要手段和方法。此外，輕量化對汽車(chē)的穩定性、噪聲、加速、振動(dòng)等方面也都有影響。
2.1 什么是汽車(chē)輕量化
汽車(chē)的輕量化，就是在保證汽車(chē)的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。試驗證明，若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L;汽車(chē)重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環(huán)保和節能的需要，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。實(shí)現汽車(chē)輕量化主要有3 種途徑。一是改進(jìn)汽車(chē)結構，使部件薄壁化、中空化、小型化及復合化;二是開(kāi)發(fā)新型輕質(zhì)材料，如使用鋁、鎂合金等有色金屬、塑料及非金屬復合材料，或者截面厚度較薄的高強鋼;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，當前的汽車(chē)輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。
2.2 汽車(chē)輕量化-用于設計的金屬材料
車(chē)用材料主要通過(guò)汽車(chē)的輕量化來(lái)對燃料經(jīng)濟性改善作出貢獻。理論分析和試驗結果都表明，輕量化是改善汽車(chē)燃料經(jīng)濟性的有效途徑。為了適應汽車(chē)輕量化的要求，一些新材料應運而生并擴大了應用范圍。
1)有色合金
以乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，1973 年每輛車(chē)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 年則達到了9.6%。有色合金在汽車(chē)上應用量的快速增長(cháng)是汽車(chē)材料發(fā)展的大趨勢。
2)鋁合金
鋁的密度約為鋼的1/3，是應用最廣泛的輕量化材料。以美國生產(chǎn)的汽車(chē)產(chǎn)品為例，1976 年每車(chē)用鋁合金僅39kg，1982 年達到62kg，而1998 年則達到了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。當然，在汽車(chē)上廣泛應用的并不是上述簡(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(chē)上主要用于車(chē)身面板、車(chē)身骨架、發(fā)動(dòng)機散熱器、空調冷凝器、蒸發(fā)器、車(chē)輪、裝飾件和懸架系統零件等。
③鋁基復合材料
鋁基復合材料密度低、比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車(chē)上的應用受到價(jià)格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約，還沒(méi)有形成很大的規模。目前，鋁基復合材料在連桿、活塞、氣缸體內孔、制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鉗和傳動(dòng)軸管等零件上的試驗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)際應用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車(chē)零件。
4)鈦合金
鈦的密度為4.5g/cm3，具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。由于鈦的價(jià)格昂貴，至今只見(jiàn)在賽車(chē)和個(gè)別豪華車(chē)上少量應用。盡管如此，對鈦合金在汽車(chē)上應用的試驗研究工作卻不少。
2.3 汽車(chē)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爭中繼續發(fā)揮其價(jià)格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢，通過(guò)高強度化和有效的強化措施可充分發(fā)揮其強度潛力。迄今為止，鋼鐵仍然是在汽車(chē)生產(chǎn)上使用最多的材料。
2.4 汽車(chē)輕量化-輥壓制造技術(shù)的應用
新型金屬材料的不斷開(kāi)發(fā)，輥壓成型技術(shù)的成熟發(fā)展，為汽車(chē)輕量化的實(shí)現提供了必要保障。在提高汽車(chē)安全和性能的前提下，降低汽車(chē)整備質(zhì)量，已經(jīng)成為汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的核心環(huán)節，而采用高強度鋼代替普通強度鋼，以汽車(chē)輥壓件代替實(shí)心零部件，則是汽車(chē)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、節材效果好、應用前景廣闊的高效型材品種。近年來(lái)，隨著(zhù)世界科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展，也推動(dòng)了輥壓設備和工藝的不斷更新。過(guò)去只能沖壓的零件，現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)達國家，傳統的沖壓件，如汽車(chē)大梁橫梁、車(chē)箱的縱橫梁等，在許多的車(chē)型上都已用輥壓件代替。
國的輥壓成型線(xiàn)既少又陳舊，在汽車(chē)行業(yè)，現在很多汽車(chē)廠(chǎng)家和汽車(chē)零部件制造專(zhuān)業(yè)企業(yè)都裝備了輥壓線(xiàn)。目前，冷彎型鋼在車(chē)身上的應用有一般應用件和高強鋼零部件兩類(lèi)，其中一般應用件包括外飾件、非外露件;高強鋼零部件包括安全件、底盤(pán)件、其他(座椅導軌)。
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