2000年5月第6卷第2期安庆师范学院学报(自然科学版)JournalofAnqingTeachersCollege(NaturalScience)May.2000
Vol.6NO.2
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汽车材料的发展方向综述
曹红兵(安徽省安庆市交通技工学校汽车教研组, 安徽安庆 246003)
摘 要:未来汽车汇集高新技术材料于一身,本文就汽车材料的发展现状与前景给予描述。关键词:多样化;金属材料;钢铁;塑料;工程陶瓷分类号:U465 文献标识码:A 文章编号:1007-4260(2000)02-0086-88
汽车作为现代化的交通工具,正朝着高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方向发展。世界上最初生产的汽车都是铁木结构,美国在1902年首先在汽车上采用钢材。到上世纪80年代,大批量生产的轿车、载货汽车所用材料仍以钢材为主。而今天的汽车不但技术性能有很大的提高,与以前有天壤之别,而且其机构设备也更加繁杂。现代的汽车汇集了当代的很多高新技术,使用了很多的新材料。早在1980年,美国、日本、欧共体就联合宣布,驱动经济进入下个世纪的巨人工业是先进的材料、信息和生物技术。为此,用以制造生产汽车零件的各种材料也有许多新的技术突破。一、汽车材料向多样化方向发展汽车工业是综合性工业,也是技术密集和原材料消耗大的工业,它的发展与材料工业密切相关,就全世界而言,汽车工业消耗其钢铁产量的(25～28)%,橡胶产量的58%。预计到2000年,我国汽车工业用钢材(碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢等)达886万吨,铸钢、铸铁201万吨,有色金属(铜、铝、镁及其合金)47.9万吨,各类非金属材料(陶瓷、塑料及其复合材料、橡胶、玻璃、皮革、纺织品等)39.5万吨,金属材料消耗占(82～92)%,非金属材料占(8～18)%。从中可以看出,汽车工业不仅消耗材料量大,而且所用到的材料种类繁多。以上统计数据中还不包括如汽油、柴油、润滑油、制动液等汽车运行材料。之所以如此,首先是因为汽车零件的功能及其载荷状况不同,对其所用材料提出不同的要求。以同样是金属材料的轴类零件和排气门为例,轴类零件主要承受弯曲、扭转载荷和一定的冲击载荷,其所用材料应有良好的强度和韧性,某些轴为了防止轴颈早期磨损,还应有一定的表面硬度;排气门要承受气缸里排出废气的高温和腐蚀,还要不断地与气门座相对冲击和摩擦,其所用材料必须具有良好的耐热、耐蚀、耐磨和高的疲劳强度。其次,由于各种类型汽车的工作条件和载荷不同,对材料性能的要求在程度上也不相同,同一名称的零件,其所用材料也不一定相同。最后,随着科学技术的发展,工程陶瓷、粉末冶金产品(烧结材料)、半导体材料等新型材料也日趋成熟,将广泛用于汽车工业。这种汽车材料多样化的发展形势,将在一个较长时期内成为汽车用材料发展方向的主要方面。二、传统材料(金属材料、主要是钢铁)仍占主导地位人们习惯于将历代使用的占主导地位的金属材料称作传统材料,它们是现代机器制造的基本材料,也是
ΞΞΞ作者简介:曹红兵(1966-),男,安徽明光市人,安徽安庆市交通技工学校讲师,长期从事汽车修理工艺教学与研究
工作。
收稿日期:2000-02-19汽车工业的基本材料。在金属材料中,钢铁用量最大,目前全球消耗已达8亿多吨。由于科技的发展,金属材料的许多新品种不断出现,它的主导地位在本世纪还将延续下去。早在70年代初,为减轻汽车自身的重量、降低燃油消耗(即实现汽车轻量化),以塑料及其复合材料、铝合金及少量的镁合金、低合金强度钢为典型代表,出现了大量的高比强度材料(其强度和相对密度的比值高于相应的传统材料)。一般是以塑料及其复合材料代替一部分原来用钢铁制造的部件;以铸铝合金代替一部分用铸铁制造的部件;以变形铝合金代替一部分用钢材冲压、铸造的部件;以低合金高强度钢代替一部分用普通钢制造的部件。在这些材料被广泛采用的同时,它们之间出现了激烈的竞争。在与代用材料的竞争中,钢铁这一传统材料不断改进工艺、开发了一系列化的低合金高强度钢新钢种,钢的强度不断提高,而强度提高则延伸率下降,因而开发了双相钢。这是通过对普通低碳钢加热到部分奥氏体化温度,再以极快速度淬冷,随后在(200～300)℃温度中短时间回火,得到具有低温回火马氏体和析出部分固溶碳的铁素体双相组织。它具有良好的延伸率,所以冲压成型性能很好,而经冲压成型后又提高了强度和硬度,可用以制造形状复杂的零部件,具有较强的竞争力。另外,在现有材料生产技术水平和汽车零部件制造工艺的技术条件下,低合金高强度钢也是具有较强的竞争力的。因为塑料和铝的材料价格比相应的传统材料要高得多,而且用它们来制造汽车零部件的工艺及相应的装备也要有一定的变动。例如,以铝合金板代替钢板制造汽车冲压件其冲模就要重新设计,除了要补偿铝合金的较大回弹外,还要改善冲模的润滑,瑞典沃而沃公司用聚酯薄膜覆盖深孔冲模的工作面以改善润滑性能,但清除聚酯薄膜却很费事。如用塑料制造车身,就需要添置高精度、大台面的压力机和高刚性的模具,而且车身外表美观问题也还要进一步解决。由此可见,由于塑料、铝材料的价格高及其所制造的汽车零部件的额外工艺装备投资,加大了汽车的制造成本。低合金高强度钢则由于它的材料价格低,而且其汽车零部件的制造及装备可以基本不变,因而可以省去制造工艺设备方向的额外费用,所以在科学技术没有新的突破的情况下,低合金高强度钢在汽车上的应用就占有较大的优势。进入八十年代以来,特别是九十年代,在汽车产业计算机化的同时,基于仿真设计、虚拟制造、虚拟试验(虚拟构件疲劳、虚拟碰撞等)技术给材料生产工艺、材料性能提出了更高的要求,更给材料发展和合理应用
提供了机遇,高新技术在汽车材料工业中被大量采用,如顶吹转炉炼钢、炉外精炼加真空处理(RF+VD)
、连
续铸造技术和方坯、板坯连铸技术等,所有这些高新技术使传统材料得以改造,出现了如IF钢、增N钢、ZF
钢、球铁、高硅铝合金缸套材料等新产品,传统材料的性能、耐疲劳性和经济性有了巨大的改进,汽车的使用寿命、经济性、维护方便性、材料的再循环性能都有了很大的提高。由此可见,由于钢铁材料不断开发性能良好的新产品,以及塑料及复合材料、铝合金等代用材料尚存在制造工艺技术和成本高等问题,目前钢铁在汽车上的应用仍居于首位,但它在汽车总质量中所占比例将有所下降。三、塑料、铝合金等对改善汽车性能仍是必要的补充塑料及其复合材料、铝合金(统称轻质材料)是在70年代出现的汽车轻量化过程中开发出来的,由于后来人们认识到汽车轻量化并非改善燃油经济性的唯一措施且效果并不理想,因而延缓了它们在汽车上的使用。但是实践证明,应用塑料、铝等轻质材料制造某些汽车零件,其作用已不仅只是减轻重量,而且还可改善汽车的性能。以塑料为例,它具有质轻、比强度大、突出的减摩耐磨性能、优异的电气绝缘性、良好的化学稳定性、优良的消音吸振性等特点,从机械、热应力较小的内装饰件和小机件,已发展到大型结构件。如用它或锻铝制造保险杠,因这些材料的弹性模数小而具有较好的吸收冲击能量的性能,有利于提高乘员人身安全保证;又如用玻璃纤维塑料制造悬挂弹簧,不仅质量轻使用寿命长,而且可抑制从轮轴传到车架的噪声。因此,
今后对塑料、铝等新材料在汽车上的应用,将不是单纯为了追求轻量化以代替传统材料,而是为了改善汽车的性能,如防腐、防锈、避振、抑制噪声等。据报道,2000年左右,塑料及其复合材料可达车用材料的26%,而铝合金每辆车上可有90.7kg,占整车重量的6.8%。四、工程陶瓷在汽车上将广泛应用近几年来,汽车工业界十分重视工程陶瓷在汽车上的应用,主要是因为它具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及在电导与介电方面的特殊性能等,可以改善汽车部件的运行特性。可用于制造绝热陶瓷柴油机废气增压涡轮机转子、氧传感器(用于废气净化的三元催化转换器)、柴油机尘捕集器及电控系统的元件等,并已证明具
・78・第2期曹红兵:汽车材料的发展方向综述有优化这些零件功能的优越性。工程陶瓷中钛酸钡(BaTiO
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),因具有高的介质常数(电容率)而可使电容器
尺寸显著减小;又因为具有大的电阻正温度系数,当它在某种温度以下,电阻很小,一旦温度升高到预定温度,其电阻率立即迅速升高。例如,在室温时电阻值为28,而当温度升高到转折温度,电阻值可迅速达到10008。而陶瓷的转折温度可通过不同配料等人为控制,如用锶代替钡,转折温度可从125℃转化为60℃以下;用铅代替钡则转折温度至少可提高到250℃。陶瓷电热器作为自动调节的热源,在汽车发动机上获得广泛应用,例如用于控制化油器阻风门,装在化油器下方进气支管中,加热起动混合气等。此外,某些工程陶瓷如铅钛和铅锆陶瓷具有压电效应(又称为压电陶瓷),可用于制造爆震传感器,成为计算机控制发动机稀混合气速燃技术的关键元件。另外,在一条压电陶瓷块的一端处,均匀融入适量纳米级“纤维金属”电极,即可使其压电陶瓷材料的电功率输出值提增10倍。此项创新对轿车点火系统尤其具有革命意义,应用前景十分诱人。在美国,实验性的绝热陶瓷柴油机大大地提高了热效率,降低了排放量,并由于简化发动机结构而提高了可靠性。如通用汽车公司在其所制成的确2.3升柴油机上,采用陶瓷缸套、气门头、燃烧室、排气门通道、气缸盖、活塞顶以及用陶瓷涂镀的气门摇臂、气门挺杆、气门导管和滑动轴承,并已装在轿车上作了20290km
路试;日本五十铃汽车公司在柴油机上发展了氮化硅陶瓷预燃室的“热塞”,这是涡流主燃室与预燃室之间的通道,它承受着压缩空气和燃烧火焰所产生的高温。陶瓷“热塞”较金属塞可改善冷起动性能,因为它升温快且有绝热性能,可减少吸收主燃烧室的热辐射,因而提高压缩空气的温度。陶瓷“热塞”还可降低发动机的噪声等级,改善低速、低负荷运行的燃烧状况,因而降低碳氢排放率。经多年的努力,前苏联一家应用技术研究所“压电陶瓷材料机械能电能转换输出效率提增一个数量级”的科研课题现已产生了可喜的成果。目前已研制出了一种长几十毫米、宽几毫米、厚几毫米的压电陶瓷矩形条,它有三个端面被融凝入金属微粉而形成三个电极域,当在它的两个对应电极上施加(100～150
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V电压时,它的第三个电极处能获得(10-12)KV甚
至20KV的电压输出。将这种特殊的“变压器”用于德国大众轿车的新型点火系统上,结果表明其电功率传输效率堪称一流。专家分析指出,由于这种新型压电陶瓷传输电能特性好,输出端电流强度大,每一打火周期内可激发产生160个火花脉冲作用于气缸系统,从而确保了启燃迅速、缸内油气燃烧充分。他们认为,汽车如果推广应用这种装置,为排气净化目的而装用的催化转换器可因此大量省去不用。综上所述,未来汽车是各种新材料、新技术汇集一身高科技产物。汽车工业是新材料应用的重要市场,随着科学技术的不断进步,一定会有许多性能更好、更经济、更耐用的新材料不断出现。