汽车用材及工艺的革新

张睿

　汽车材料是汽车工业发展的重要基础,材料和
汽车的制造成本密切相关,也对汽车整体性能的提
高有重要影响。汽车材料技术的革新是推动汽车工
业发展和技术进步的重要因素。
1 　车用新型材料
111 　稀土金属
稀土系指元素周期表中第ⅢB 族镧系元素以及
与镧系元素在化学性质上相近的钪和钇,共计17 种
元素,是芬兰学者加多林(Johan Gadolin) 在1794 年
发现的。
钢经过稀土处理,可对钢的性能产生一系列作
用。稀土掺入16MnRE ,可以显著改善其韧、塑性,
特别是钢的横向韧、塑性,冲压性能好。此钢材广泛
用于制作汽车、桥梁、造船、容器以及建筑物。稀土
掺入09MnRE ,可以显著提高汽车及车辆用钢的塑
性,用于中型汽车发动机挡板及车厢边框边板等。
另外,车轴钢也是一种稀土钢。
稀土在铸造铝合金中的应用也取得同样良好的
效果。在用量最多的铝硅系铸造合金中,加上千分
之几的稀土,就能明显改善合金的机械加工性能。
已有多种牌号的产品用于飞机、船舶、汽车、柴油机、
摩托车和装甲车等方面的活塞、齿轮箱、气缸和仪器
仪表等零部件上。
112 　稀土永磁材料
稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡
金属(如钴、铁等) 组成的合金,用粉末冶金方法压型
烧结,经磁场充磁后制得的一种磁性材料。今后,稀
土永磁电机是稀土永磁材料的主要应用领域之一,
而稀土永磁电机的最大市场之一将是汽车工业。钕
铁硼永磁材料性能优异,用于制造电机,可以减轻电
机重量和尺寸,可以节约更多的燃料和增加设计的
灵活性。
113 　记忆合金
形状记忆合金能够改善轿车的节能性、安全性、
舒适性、工作稳定性以及自动化程度。该合金具有
在低温下变形后在较高温度恢复原来形状的功能,
其显微组织分别是具有不同弹性模量的马氏体和母
相,弹性和超弹性变形量分别达到2 %和8 %。
在形状记忆合金中,研究较多的是镍钛、铜基和
铁基三类合金。它们可作为温度敏感元件应用于汽
车的自动控制领域。例如,国外已将这些合金应用
于汽车雾灯和汽车空调开关等方面。另外,在发动
机水箱的冷却叶片自动控制和储能弹簧方面,国内
外也已经开始试用,由于种种原因,这些合金还没有
得到广泛应用。在汽车行业中,形状记忆合金(主要
是NiTi 和CuZnAlMnTi 合金) 能够在以下几个方面发
挥作用:
(1) 温度自反馈供油器。当外界气温降低导致
油的粘度增加时,记忆合金弹簧和一个偏置弹簧组
成的装置打开发动机附加油路,增加供油。其原理
是记忆合金弹簧在低温下有较低的弹性模量,而另
一弹簧弹性模量不变,因此偏置弹簧推动记忆合金
弹簧打开附加油路;当温度较高时,记忆合金弹簧弹
性模量增大,从而推动偏置弹簧关闭附加油路,以保
证供油不会随温度变化而变化。
(2) 齿轮箱记忆合金减振垫片。当温度增加
时,齿轮箱中的齿轮由于材料的膨胀系数不同导致
振动增大。记忆合金垫片的弹性恢复力随温度升高
而增大,从而紧固力增加,达到降低噪声的目的。
(3) 发动机风扇和车内空调自动控制装置。当
发动机或车内温度增加时,发动机风扇或空调会自
动打开降温;温度降低时,发动机风扇或空调会自动
停机。其原理与自动供油器相似。
(4) 车门和发动机防盗装置。在汽车车门或发
动机被不合锁以防盗。其原理是只有使用钥匙车门才能开启;
如果钥匙没有插入锁孔,而车门或发动机被打开或
起动,则一个记忆合金制造的自锁装置会自动通电
加热记忆合金弹簧,使车门或发动机自锁。
(5) 记忆合金储能弹簧。汽车制动会浪费能
量,利用合金8 %的伪弹性变形量将制动动能转变
为储能弹簧的弹性能。该弹簧性能在汽车行驶时释
放用于驱动车轮。
114 　泡沫铝材
泡沫铝材是一种新型的功能材料与结构材料,
早在40 年代后期,人们就对其有所研究,但由于发
泡工艺与泡的尺寸很难控制,一直未得到发展,直至
80 年代中期以后才取得长足进展。
目前,日本在研究、生产与应用泡沫铝材及其它
金属泡沫方面已居世界领先地位。泡沫铝材具有一
系列的优良性能:密度小,常用材料的密度为180～
480 kg/ m3 ,约为铝密度的1/ 10 ,有很高的吸收冲击
能的能力;耐高温、防火性能强,是一种不可燃的材
料,同时,在受热状态下不会释放有毒气体;抗腐蚀,
耐热性强;消声性能好、热导率低,电磁屏蔽性强、电
阻大、有过滤能力与毛细管现象,易加工与可进行涂
装表面处理等。
泡沫铝材是一种大有前途的未来汽车与其它交
通运输工具的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的
应用多为三明治式的三夹板,即其芯层为泡沫铝或
泡沫铝合金,上下层为铝板或其它金属薄板。德国
卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅
轻便轿车的顶盖板的刚度为原来钢构件的7 倍左
右,而其质量却比钢件轻25 %。此外,还有更高的
吸收冲击能与声能的效果。用三明治式泡沫铝材制
造的某些汽车零件的保温绝热性能比铝高95 % ,对
频率大于800 Hz 的噪声有很强的消声能力。泡沫
铝材还是一种热稳定的不可燃材料,也是一种抗破
坏的耐用材料,并可以完全回收与再生利用。
据测算,汽车车身构件约有20 %可用泡沫铝材
制造,一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造,某些零件
可减重2712 kg 左右,既可节约能源,又可减轻对环
境的污染。采用泡沫铝材结构,可大大简化结构系
统,零部件数至少可减少1/ 3。
一旦泡沫铝材得到汽车制造业的认可,它将成
为大宗的汽车材料,为我国汽车工业的发展创造更
加有利的条件。
115 　大麻—聚氨酯合成材料
减少车身自重是降低汽车能耗最有效的办法之
一。为此,许多汽车生产厂家在生产汽车车身时,都
已改用由玻璃纤维为主要原料的材料替代相对笨重
的金属。然而,玻璃纤维是由熔融玻璃拉成的纤维,
它在高温融化后非常容易重新凝固,这给废旧汽车
回收处理带来很大困难。为了解决上述难题,法国
国家科学研究中心正在研究一种以大麻和聚氨酯为
原料的合成材料,这种材料的特点是除具有金属和
玻璃纤维所有的优点外,其价格更便宜,重量更轻,
韧度更强,而且可以生物降解。这位科学家表示,现
在他们正在对这种材料的强度及其它特性进行测
试,一期目标是用这种材料生产汽车车门。该中心
认为,每年种植1 000 公顷大麻,即可满足目前生产
汽车车门市场的需要。大麻属于毒品,其种植必须
符合有关部门的管理条件。为此,他们所选择大麻
原料中四氢大麻醇的天然含量非常低,大约只有
012 % ,这与以走私毒品为目的种植的大麻有很大区
别。
116 　无取向电工钢板
在汽车上,为了提高安全性和舒适性而使用着
各种类型的马达,一辆汽车在其生命期中往往要使
用几十台马达。影响马达效率的首先是所用的铁芯
材料,作为铁芯材料用硅钢的最佳Si 含量,则随马
达转速和设计磁通密度而有所不同。近年来,为了
满足对低铁损和高磁导率等日益苛刻的要求,在制
造电工硅钢时力求实现对于对磁特性有影响的各种
金属学因素的最佳控制。
为实现上述目的,日本川崎钢铁公司开发了一
系列新型无取向电工钢板。
(1) 高性能无取向电工钢板35RM200。为了达
到低铁损目的,首先是钢水的高纯净化,同时在轧制
条件允许的范围内,添加Si 和Al 来提高其电阻率。
(2) 高磁通密度钢板RP 系列。按Si 含量减低
的顺序有RP1 、2、3 ,是通过高度的织构控制技术生
产的硅钢板,适合马达的小型化和高效率化要求。
(3) 消除应力退火的低铁损钢板RMA 系列。
通过控制夹杂物形态改善了晶粒成长性,通过退火
发挥其特别优良的晶粒成长,开发了从50RMA600
到35RMA300 的各种型号。
(4) RMHE 系列。通过控制夹杂物形态,改善
晶粒成长性,并通过高度织构组织的控制开发了低
铁损,高磁通密度而且硬度适度的高级电工钢板
35RMHE230。
(5) 高频用RMHF 系列。高频特性优良的极薄
硅钢板20RMHF1200 ,适用于高转速小型马达等。
117 　钒合金
汽车工业材料要求很高,要坚固,要能机加工,
能抵抗疲劳,并且有高的强度与重量比。由钒催化
剂生产的钒钢,钒钛合金和橡胶有可能达到这些及
其它要求,从而导致选择它们制造汽车和货车的关
键性零部件。法打开或起动时,车门或发动机能够自
用钒炼冶的钢机轴广泛用于汽车的机轴和铰链
接合处。这些钒合金部件强度高,并且不需要像其
它钢那样必须进行昂贵的热处理。通过选择合适成
分,钒钢可以用氮化或催化的方法使其变硬。变硬
后的机油承受面有很强的抗磨损能力。
用冷态形成的钒低硫、高强度钢用于重型货车
和大篷车的底盘,能最大限度地减轻重量,并使载货
量达到最大值。
118 　特种密封材料
由上海材料研究所开发的特种纤维增强复合密
封材料,即非石棉纤维增强橡胶密封材料具有高机
械强度,良好的压缩回弹性和耐油、耐水等特性,可
广泛用于汽车发动机气缸密封片、进气垫片,变速
器、空压机、水泵、油泵等的密封垫片,还可用于石油
化工、船舶动力以及机械工业等领域,密封效果良
好。该材料的成功开发,对促进中国汽车工业新材
料及产品生产基地建设等产生巨大的经济效益。
119 　吸波材料
作为当今汽车工业的发展方向,电动汽车已被
各大汽车制造商提到全球经济战略议程上来。然
而,电动机取代内燃机虽然解决了汽车尾气的化学
污染,但由于使用电动机而产生的物理污染———电
磁污染也同样是人类必须解决的棘手问题。磁介质
吸波材料的应用则使电子化汽车、电动汽车变得更
先进、更安全、更符合环保的要求。
1110 　铝、纸蜂窝材料
这种夹层材料用作汽车地板、顶篷等结构,可以
有效地减轻结构重量,并改善隔热性能。更主要的
是如果每辆车平均使用3 m2 该种材料,每年有100
万辆汽车采用此种结构,则每年需要300 万m2 夹层
层板,这是一种粗略的估算。根据目前的价格估算,
采用铝蜂窝、夹芯、玻璃钢面板夹层结构与钢木结构
差不多。只要夹层结构的工艺成熟,在汽车行业中
将有很大的应用市场。
1111 　高性能纤维增强无石棉汽车制动材料
我国现行汽车制动材料大都采用石棉作为增强
材料。然而,随着汽车运载功能的不断增加,以及汽
车速度的提高,对制动材料提出了更高的要求。石
棉增强制动材料已不能满足汽车工业越来越高的发
展要求,特别是含石棉制动材料具有污染环境及致
癌作用,因而在许多国家已经立法禁止使用。高性
能纤维增强无石棉制动材料已达到商品化规模,而
我国在该领域的研究相对比较落后,基本依赖进口。
只有少数几家单位为轿车配件厂试制无石棉制动材
料,而且仍存在诸如原辅材料全依赖进口、生产成本
过高、效率过低、性能不稳定、质量不过关及生产技
术不先进等问题。这种状况已成为制约我国汽车工
业发展和进入国际市场的主要原因之一,新型制动
材料的研制和开发刻不容缓。
新型材料由纤维增强材料、树脂粘结剂、摩擦性
能粉末调节剂及各种矿物填料组成,其显著特点是:
(1) 强度高、耐磨、耐冲击和耐疲劳性能好; (2) 生产
效率高,操作环境清洁; (3) 产品成本较低,使用寿命
长; (4) 原材料全部国产化,并可推广应用于铁路火
车等,具有广阔的市场应用前景。因此,这种材料的
研制成功,不仅可以满足我国汽车工业的需要,而且
能使我国彻底摆脱目前制动材料落后的局面,具有
重要的经济效益和社会效益。
2 　汽车用材新型制造技术
现从材料成型角度看汽车先进制造技术。
211 　射出成型制作技术
镁合金材料已逐渐应用于汽车零件,未来有很
大的发展空间,但镁合金成型技术与材料特性、机械
设备、成型法等技术密切相关,只有这些技术得到提
高,才能使这一行业得到更大的发展。加拿大
Husky 公司称,镁合金成型业目前仍以冷室设备、热
室设备等压铸法为主,而该公司最新发展的射出成
型制作技术,是以镁的不稳定性为设计重点。该公
司在材料和制造加工中的成型反应中有2 年多的试
验经验,已掌握各种反应数据。这些数据对解决镁
从熔解开始即需利用气体保护以隔绝氧气与水气、
成型过程中模具穴孔是否残存过多的离模剂及润滑
油、研磨及机械加工时如何避免火花的产生等很有
作用,但目前面临许多技术问题有待克服。如薄件
成型良品率的提高、符合环保要求的材料、性能处理
技术的改善及建立等,这些难关都需要企业和研究
单位全力配合,才能使镁合金产业升级,并提高产品
附加价值。
212 　粉末注射成型技术
粉末注射成型(PIM) 是粉末冶金与塑料注射成
型的交叉复合技术,它借助注射机将金属(金属氧化
物或陶瓷) 粉末与粘结剂的混合物以熔体形式注入
模腔,经冷却定型得到一定形状尺寸预制件,再经脱
除粘结剂和烧结就得到一定机械物理性能的零件。
粉末注射成型件尺寸精确、材料利用率高,可以高效
率直接成型各种成分的复杂形状零件。目前, PIM
已用于制造汽车齿轮、安全气囊零件、磁性零件,而
且正处于迅速发展状态。
213 　半固态成型
半固态成型是对固、液态共存的半凝固状态或
半熔融状态的金属材料进行锻造、挤压、轧制等的加
工工艺技术。半固态成型压力小,生产率高,制品形
状准确,内部组织致密,兼有铸造成型和塑性加工成
型的优点。目前,半固态成型技术在铝合金汽车制
动泵体、铝合金汽车轮毂等零件成形中得到了广泛
应用。
214 　板料无模多点成型
汽车覆盖件传统冲压成型需要大型冲压设备生
产线和成套模具,不仅投资巨大,而且模具制造周期
长,不利于车型的更新换代。板料无模多点成型技
术是用高度方向可调控的小冲头群代替传统的凸凹
模,通过板料逐次局部成型的积累来实现三维曲面
成型的汽车覆盖件先进制造技术。
小冲头群相当于万能冲模, 其冲压动作通过
CAD/ CAM/ CAT系统控制。无模多点成型可以控制
板料的变形路径和受力状态,可以实现小设备冲压
成型大型覆盖件。这项技术的研究开发始于美国和
日本等汽车工业先进国家,国内也正在进行探索研
究。
215 　塑料增强反应注射成型
塑料保险杠、塑料仪表板、塑料覆盖件等大型汽
车塑料零件,除了要求有较高的形状尺寸精度外,还
要求有较好的机械物理性能。
这类塑料零件先进制造技术是塑料增强反应注
射成型(RRIM) 。其成形原理为:将两组添加了玻璃
纤维增强材料的液体树脂进行计量混合并注入模
腔,在模腔中两组液体树脂发生化学反应并固化成
为一定形状尺寸的塑料制品。例如,增强反应注射
成型的聚氨酯制品,其表皮致密,内部松软,非常适
合于汽车仪表板及内饰覆盖件等。目前,增强反应
注射成型的常用塑料有聚氨酯、环氧树脂、不饱和聚
酯、聚酰氨等。
216 　激光技术
激光技术在汽车制造中可以用于切割、焊接、表
面处理等。激光切割用于金属薄板下料、冲裁等,具
有精度高、柔性好、适应性广等优点,且不需冲压设
备和模具。三维激光切割系统可以取代修边冲孔设
备和模具,完成大型覆盖件修边和冲孔加工。
激光用于金属薄板拼焊可以扩大板材的尺寸规
格,得到钢厂无法生产的超宽幅面的汽车钢板,这对
于大型覆盖件整体冲压成型,例如汽车地板整体冲
压成型是必不可少的。
激光拼焊还可以将厚度、材质、性能和表面处理
情况不同的数块金属薄板拼焊在一起,以满足汽车
覆盖件成型的特殊需要。目前,美国、日本、德国等
许多汽车公司都在大量使用激光技术进行汽车覆盖
件成型。
217 　快速原型制造技术
快速原型制造(RPM) 是基于产品CAD 模型,以
累积生长的方式制造三维实体的产品原型,这是不
同于传统“去除”加工的全新制造技术。
快速原型制造技术是计算机技术、数控技术、激
光技术、精密机械技术、材料加工技术等的集成技
术。商品化的快速原型制造技术有分层物体制造、
熔丝沉积制造、选择性激光烧结等几种类型,它们在
产品造型、模具制造中的应用受到了高度重视。
以选择性激光烧结为例,快速原型制造的工作
原理为:根据产品CAD 模型,用激光束对一定厚度
的塑料粉末层或金属粉末层进行扫描熔化,经冷却
凝固后形成一定厚度的轮廊形状,反复进行上述过
程,即得到累积生长的三维产品原型。
在汽车工业中,快速原型制造在汽车造型设计、
产品设计、模具设计制造中有着广阔的应用前景。
快速原型制造技术在美国、日本、欧洲等已逐步形成
产业化,在国内的研究开发正在进行。
3 　结束语
近年来,我国的汽车材料工业有了很大的发展,
但从整体上看,离汽车工业发展的要求差距还很大,
这主要表现有品种不全、质量不稳定和成本过高。
我国加入WTO 后,给汽车工业带来巨大的冲
击,相应地对我国汽车材料工业也带来巨大冲击。
汽车工业要能在激烈的国际市场竞争中生存下来,
必须不断地降低生产成本。这在很大程度上会加大
对汽车材料工业的压力,使原本基础薄弱的汽车材
料雪上加霜。加入WTO ,同样也给我国汽车材料工
业带来机遇,我国的汽车材料工业要抓住机遇,迎接
挑战,积极地参与国际竞争,努力创造自己的生存和
发展空间。这不仅关系汽车材料自身的生存和发
展,也是对我国汽车工业的有力支持。我们要充分
发挥自己的资源优势和某些技术优势,扬长避短,注
意创新,再和我国比较便宜的劳动力成本结合起来,
有可能形成某些有特色的、有竞争力的汽车材料领
域。

鬼鼠滴子

还有得这么讲究的啊？？？

今期一定死

注意好这些，就能好好护车了