為了適應(yīng)汽車輕量化的要求，一些新材料應(yīng)運(yùn)而生并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，而傳統(tǒng)材料也在激烈的競爭中得到了發(fā)展。汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性與汽車的設(shè)計、制造和使用都有密切關(guān)系，其中車用材料主要通過汽車的輕量化來對燃料經(jīng)濟(jì)性改善作出貢獻(xiàn)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明，輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。本文僅就在輕量化的潮流中，對金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用作出介紹。

有色合金擴(kuò)大應(yīng)用

據(jù)日本汽車工業(yè)協(xié)會（JSAI）統(tǒng)計，以乘用車來說，1973年每輛車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(dá)到了9.6%。有色合金在汽車上應(yīng)用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢。

鋁合金

鋁的密度約為鋼的1/3，是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。以美國生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例，1976年每車用鋁合金僅39kg，1982年達(dá)到62kg，而1998年則達(dá)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(dāng)然，在汽車上廣泛應(yīng)用的并不是上述簡單的二元合金，而是多種元素同時添加以獲得好的綜合性能。

汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場，例如日本，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、搖臂、發(fā)動機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。

鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強(qiáng)度鑄件時受到限制。為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進(jìn)，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。

所謂鑄造鍛造法是指先用普通鑄造工藝制取毛坯然后經(jīng)一次壓力加工而得到近凈形零件的復(fù)合工藝方法。這種方法綜合了鑄造和鍛造這兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，可以生產(chǎn)具有較高強(qiáng)度的復(fù)雜鋁質(zhì)零件。

所謂半固態(tài)成型是一種對固態(tài)、液態(tài)兩相共存的半固態(tài)金屬熔體進(jìn)行擠壓加工而得到制品的特殊工藝方法。當(dāng)然，這種半固態(tài)金屬熔體必須經(jīng)過特殊處理而得到非枝晶結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了機(jī)械攪拌、機(jī)械剪斷、電磁攪拌和應(yīng)變誘導(dǎo)等方法。歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家采用這種工藝生產(chǎn)的汽車零件已進(jìn)入市場，日本也具有商業(yè)化生產(chǎn)能力。采用半固態(tài)成型生產(chǎn)的零件具有顯微組織細(xì)化、缺陷少、力學(xué)性能高等特點(diǎn)，且這種方法的成型力小、可成型復(fù)雜零件、制品近凈形。典型的半固態(tài)成型鋁合金是A356（AlSi7Mg0.3）和A357(AlSi7Mg0.6)，其共晶體含量高于35%，流動性好。半固態(tài)成型鋁合金在汽車上應(yīng)用的例子有制動主缸缸體、車輪輪轂等。目前見諸報道的最大鋁合金半固態(tài)成型汽車零件是由意大利某廠生產(chǎn)的賽車后懸架左右支架，單件質(zhì)量為6.5kg。

（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，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。

由于輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的應(yīng)用正在擴(kuò)大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身，比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg，引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達(dá)到31.3%，如在全鋁車身上，外板使用6000系列合金，內(nèi)板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由于側(cè)門框?qū)?qiáng)度和剛度要求很高，使用以6N01合金為基礎(chǔ)、適當(dāng)調(diào)整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內(nèi)外板的。

鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲，到20世紀(jì)80年代后期鋁散熱器已占領(lǐng)市場的90%。隨?車用空調(diào)、油冷卻器等的大量使用，鋁熱交換器的市場迅速擴(kuò)大。從材料的角度看，鋁在熱交換器上的廣泛應(yīng)用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發(fā)。

（3） 鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應(yīng)用受到價格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約，還沒有形成很大的規(guī)模。目前，鋁基復(fù)合材料在連桿、活塞、氣缸體內(nèi)孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗(yàn)或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開發(fā)成功的由不?鋼絲增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿比鋼制連桿降重30%，對1.2L的汽油發(fā)動機(jī)可提高燃料經(jīng)濟(jì)性5%；采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末（重量百分?jǐn)?shù)2%）混合并擠壓成棒材，用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強(qiáng)度高可降重20%，發(fā)動機(jī)功率大幅度提高；用鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%；鋁基復(fù)合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。

鎂合金

鎂的密度約為鋁的2/3，在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車零件。

鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用，鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%~50%。新開發(fā)的無孔壓鑄法（Pore Free Diecast）可生產(chǎn)出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。

鎂鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。德國波舍爾公司1970年起使用AM60A合金壓鑄車輪，鎂車輪比鋁車輪輕20%以上。在汽車上試用或應(yīng)用鎂合金的實(shí)例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比，鎂制件降重65%；與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比，鎂制件降重45%；與全鋁氣缸蓋相比，鎂制件降重30%；與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結(jié)構(gòu)制動踏板支架相比，整體的鎂鑄件降重40%，同時其剛性也得以改善。

鎂基復(fù)合材料的研究也有進(jìn)展，以SiC顆粒為增強(qiáng)體,采用液態(tài)攪拌技術(shù)得到的鎂基復(fù)合材料具有很好的性能且生產(chǎn)成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料比基體合金拉伸強(qiáng)度提高23%，屈服強(qiáng)度提高47%，彈性模量提高72%。

鈦合金

鈦的密度為4.5g/cm3,具有比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。由于鈦的價格昂貴，至今只見在賽車和個別豪華車上少量應(yīng)用。盡管如此，對鈦合金在汽車上應(yīng)用的試驗(yàn)研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動機(jī)連桿，強(qiáng)度相當(dāng)于45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）經(jīng)強(qiáng)冷加工和時效處理，強(qiáng)度可達(dá)2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強(qiáng)度為2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。

鈦合金應(yīng)用的最大阻力來自其高價格，豐田中央研究所開發(fā)了一種成本較低的鈦基復(fù)合材料。該復(fù)合材料以Ti-6Al-4V合金為基體，以TiB為增強(qiáng)體，用粉末冶金法生產(chǎn)，已在發(fā)動機(jī)連桿上應(yīng)用。

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(xù)發(fā)揮其價格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢，通過高強(qiáng)度化和有效的強(qiáng)化措施可充分發(fā)揮其強(qiáng)度潛力，以致迄今為止仍然是在汽車生產(chǎn)上使用最多的材料。

高強(qiáng)度鋼板

轎車自重的25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀(jì)90年代，世界范圍內(nèi)的35家主要鋼鐵企業(yè)合作完成了“超輕鋼質(zhì)汽車車身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）課題。該課題的研究成果表明，車身鋼板的90%使用現(xiàn)已大量生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板（包括高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實(shí)現(xiàn)車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，第一車身結(jié)構(gòu)模量提高58%，滿足全部碰撞法規(guī)要求。當(dāng)然，這還是一個研究的成果，高強(qiáng)度鋼板在車身上的實(shí)際應(yīng)用還未達(dá)到如此高的水平。

在普通的IF鋼板的基礎(chǔ)上相繼開發(fā)了高強(qiáng)度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時提高了強(qiáng)度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實(shí)現(xiàn)輕量化創(chuàng)造了條件。

加入Ti、Nb和V等元素的析出強(qiáng)化鋼板拉伸強(qiáng)度在500~750MPa，可用于車輪和其它底盤零件。

近來開發(fā)的多相鋼有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。其中鐵素體－貝氏體鋼強(qiáng)度級別為500MPa，雙相（DP）鋼和相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼強(qiáng)度級別為600~800MPa,復(fù)相（CP）鋼強(qiáng)度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。日本日產(chǎn)汽車公司進(jìn)行了590MPa級高強(qiáng)度鋼板在車身上的應(yīng)用研究，他們選用TRIP鋼和DP鋼裸板以及DP鋼鍍鋅板并運(yùn)用有限元分析技術(shù)解決了沖壓開裂和回彈問題，優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)，通過實(shí)車檢測，剛度和碰撞性能滿足要求，比采用440MPa級鋼板時降重10kg。

激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近開發(fā)并應(yīng)用的鋼板輕量化技術(shù)。在前述ULSAB車身有18個零件采用了此技術(shù)。

結(jié)構(gòu)鋼

鋼鐵材料的用量雖逐年減少，但高強(qiáng)度鋼的用量卻有相當(dāng)大的增加。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼使零件設(shè)計得更緊湊和小型化，有助于汽車的輕量化。

(1) 彈簧

懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設(shè)計許用應(yīng)力。但是為了實(shí)現(xiàn)這種高應(yīng)力下的輕量化，材料的高強(qiáng)度化是不可少的。在傳統(tǒng)的Si-Mn彈簧鋼的基礎(chǔ)上通過降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，開發(fā)出強(qiáng)度和韌性都很高的鋼種，設(shè)計許用應(yīng)力可達(dá)1270MPa，這種彈簧鋼的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)40%的輕量化。在傳統(tǒng)的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能，結(jié)合改進(jìn)的奧氏體軋制成型，可使鋼的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1800MPa的水平。

氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V，通過晶粒細(xì)化確保韌性，由增C提高強(qiáng)度。這樣改進(jìn)后，彈簧的高周疲勞強(qiáng)度約提高8%，可實(shí)現(xiàn)15%的輕量化。通過有限元分析，螺旋彈簧內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發(fā)，使彈簧實(shí)現(xiàn)7%的輕量化。

提高彈簧疲勞強(qiáng)度的有效途徑是對彈簧進(jìn)行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸，除了傳統(tǒng)的應(yīng)力噴丸之外又發(fā)展了雙級噴丸。噴丸和氮化也可以復(fù)合使用。

(2) 齒輪

汽車發(fā)動機(jī)有高功率化的趨勢，而傳動器有緊湊小型化的傾向。這勢必加大傳動齒輪的負(fù)荷，從而對齒輪鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的要求也相應(yīng)提高。

提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強(qiáng)度，但單純靠合金元素來強(qiáng)化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝復(fù)雜，原材料成本和生產(chǎn)成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時，為了防止或減少異常層的出現(xiàn)，降低鋼中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用經(jīng)改良的碳氮共滲工藝。改進(jìn)的鋼種可使齒輪實(shí)物的沖擊壽命提高3~5倍，若在上述降低表面異常層鋼種加上強(qiáng)力噴丸，可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。

齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點(diǎn)，會降低強(qiáng)力噴丸的強(qiáng)化效果，為此開發(fā)了高純凈度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼，將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時，與前述降低表面異常層的低Si高Mo鋼相比，齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%，接觸疲勞壽命提高25%。

高強(qiáng)度鑄鐵

鑄鐵由于其性能和成本方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進(jìn)步更使之在汽車上的應(yīng)用出現(xiàn)了新亮點(diǎn)。

(1) 球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵拉伸強(qiáng)度可達(dá)500MPa，韌性也較高，因此多用于底盤零件，有的車型甚至用作轉(zhuǎn)向節(jié)等保安件。

珠光體球墨鑄鐵強(qiáng)度更高，在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發(fā)動機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵加圓角滾壓強(qiáng)化，已成為美、德、法等國汽車廠家的標(biāo)準(zhǔn)工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%，所以以球鐵代鋼可以產(chǎn)生一定的輕量化效果。

奧貝球鐵(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的強(qiáng)度和韌塑性，按美國和德國標(biāo)準(zhǔn)制造的奧貝球鐵牌號，其最高強(qiáng)度級別達(dá)到1400MPa，超過了調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼的強(qiáng)度水平?？梢杂?/SPAN>ADI代替鋼制造汽車輪轂、全輪驅(qū)動雙聯(lián)桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、發(fā)動機(jī)正時齒輪、曲軸和連桿等。經(jīng)實(shí)物測量，代替鍛鋼制造曲軸可以降重10%，代替鋁合金制造載貨車輪轂每只可降重0.5kg。

(2) 蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵(Vermicular graphite cast iron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compacted graphite cast iron)，其機(jī)械－物理性能和鑄造工藝性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合制造強(qiáng)度要求較高和要承受熱循環(huán)負(fù)荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。

蠕墨鑄鐵的發(fā)現(xiàn)與球鐵同時，但由于蠕化工藝控制難度較大而應(yīng)用受到限制，Sinter Cast工藝控制系統(tǒng)為蠕鐵的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。Ford汽車公司從1996年開始應(yīng)用這套系統(tǒng)生產(chǎn)發(fā)動機(jī)氣缸體。據(jù)稱蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%，而結(jié)構(gòu)剛度則提高12%~25%。采用蠕鐵制造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動和噪音、改善排放。

粉末冶金材料

粉末冶金材料成分自由度大和粉末燒結(jié)工藝的近凈形特點(diǎn)，其在汽車上的應(yīng)用有增加的趨勢，特別是鐵基粉末燒結(jié)材料在要求較高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來越多。

組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產(chǎn)品，它是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪，然后用燒結(jié)或機(jī)械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機(jī)上使用，隨?柴油機(jī)凸輪軸服役工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機(jī)的趨勢。

粉末鍛造連桿已經(jīng)成功應(yīng)用，近年開發(fā)的一次燒結(jié)粉末冶金連桿技術(shù)的生產(chǎn)成本較低，可實(shí)現(xiàn)11%的輕量化。德國Opel公司裝在2.0L的OHC發(fā)動機(jī)上行駛30萬km的效果未見異常。

（轉(zhuǎn)載）