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现代车用金属材料发展方向

近年来，工业发达国家对汽车的发展提出了节约能源、防止环境恶化和改进汽车安全性等几个主要目标。这些目标的提出反映了当今的汽车存在着下述问题：

消耗燃油过多，使地球的剩余石油储量和供应告急，汽车发展业已遇到了能源上的制约因素汽车排放废气过多，废气的有害成分危及大气环境，对城市特别不利，这也是地球气候变暖的重要因素之一；此外，汽车报废量大，每年报废车辆的物资回收不完全，致使汽车废弃物严重污染了环境，这使汽车的发展又已遇到环保上的制约因素；汽车使用中事故频发，危及行人及乘客的生命、健康，这又使汽车的发展也遇到安全上的制约因素。

可持续发展涉及面极其广阔，诸如人口、资源、工业、农林牧渔业、城市发展等等，无所不包，而汽车以其在现代社会中的重要作用，也处处遇到这个主题。寻求汽车业可持续发展通路，克服制约其发展的障碍，是汽车发展和汽车材料技术开发的重要动力和追求目标。

随着科学技术的飞速发展现代汽车制造材料的构成发生了较大的变化高密度材料的比例下降，低密度材料则有较大幅度的上升，可以说，从90年代开始，汽车材料已逐步向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。

常见车用钢材

长期以来，钢铁一直是制造汽车的主要材料，在汽车用钢中，合金钢比例较高。国外不少汽车采用含Cr、Ni、Mo等元素的结构钢和含Co量很高的永磁材料，但这些资源都较稀缺，节约合金资源成为指导汽车材料开发和应用的方针之一。

构成汽车的零件约有两万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料。其中86%约是金属材料，而在金属材料中，钢铁材料占了80%。90年代，日本汽车制造业对钢铁材料的消费中冷轧薄板占37%，热轧薄板占33%，特殊钢占24%；另外铝铸材料的83%都是用于汽车制造上这对日本经济界的发展产生了很大的影响。钢铁材料的理论强度约为14000MPa，直径为1～2μm的铁单晶体试棒可接近这个理论强度，但实际使用材料的最大强度只有2000 MPa。从宏观上看是由于材料的缺陷，从微观上看是由于结晶的缺陷，所以，为得到强度高而便宜的钢铁材料，应尽量进行各种各样的研究，减小这些缺陷。

汽车的车体钢板，以前使用的是容易成型的软质钢材。为适应轻量化的需求，后来开发了高张力钢板。这种钢板具有成型性好、强度高，板材薄的优点。高张力钢板是在原有钢板基础上添加固溶强化型元素硅、锰等和析出强化型元素铌、钛等，并在退火炉内连续退火得到的。它有着屈服点低、复合成分多的特点。

车身外板使用最多的是加磷的抗拉强度为350～400MPa的钢板，轿车上使用的20%～50%都是高张力钢板。目前正在进行将以前铸造的一体成型的发动机气缸体改为钢板冲压成型的研究，这样可大幅度减轻汽车重量，制成轻量化(约33%)的钢板制气缸体。另外，为实现高功率输出、轻量化、降低噪声等的需要，人们对驱动系统齿轮提出了严格的质量要求，期望其强度好，热处理变形小。为达到这一要求，在钢铁材料的制造过程中，采用了连续铸造法。这种方法跟以前的铸锭法相比，具有冷却速度快、成分偏析少的优点，它与制钢时的真空脱气技术组合，可以满足对齿轮强度的要求。进而，缩小对热处理变形影响大的钢的淬透性的偏差，制造出高品质的连续铸造钢成为新的目标。现在铸造的钢可将日本工业标准规定的淬透性规格限制在1/3上。除此以外，连续铸造法还具有提高制钢材料利用率和降低能耗的优点，且因制造工艺合理也使成本降低了。

降低成本和提高质量是同等重要的课题，降低成本主要有两个手段：一是减少合金元素的添加量和降低替代材料的成本。例如，可将价高且不稳定的含Mo的Cr～Mo钢换成钼添加量只有其一半的半Mo钢和硼钢。二是降低零件制造成本。在这里，为降低零件制造所消耗的能源，采用了非调质钢；为提高加工能力，采用了易切削钢。因非调质钢添加了钒，控制了热锻后的冷却速度，省去了淬火、回火的热处理，故确保了强度。它可部分使用在汽车的曲轴、连接件、FF车的车轮上，而且用途可望得到进一步扩大。另外，由于易切削且强度低而用于齿轮的低铅、易切削钢是一种新的易切削钢材。它可用于小型车的变速器，并具有降低制造成本的效果。

钢板  钢板是汽车制造中耗量最大的材料品种。我国中型载货汽车的钢板消耗量约占整车全部钢材消耗量的50%或稍多，日本的中型载货汽车也在相当水平。对轿车来说，每车钢板消耗量则占整车全部钢材消耗量的70%以上。德国汽车钢板平均用量占整车质量的45%，英国、日本的这一比例分别为30%和36%。钢板主要发展方向是高强度化、高防锈能力、好的加工性能和减振性能。

高强度钢板在车身上的应用始于70年代初期，20多年来高强度钢板的应用取得了长足的进展。现在日本乘用车上高强度钢板的消耗达到30%～40%，而载货车驾驶室则较低，为5%～10%。在高强度钢板方面，含磷钢板、烘烤硬化钢板(BH钢板)、双相钢板(DP钢板)己经得到了实际应用。含磷钢由于利用了P的固溶强化，抗拉强度一般在340～460MPa，其冲压、焊接、涂装等加工性能优良，在车身内、外板上均有广泛使用。

BH钢是通过适当的退火工艺控制固溶C原子数量，达到冲压前低屈服强度，从而使成形和烘烤过程中屈服强度增高40～80MPa的高强度钢种，其主要特点是抗凹陷性好，用于加工车身外板。DP钢通过适当地加入合金元素和控制生产工艺，可获得80%～90%的铁素体和10%～20%的马氏体组织。它具有低的屈服强度、高的加工硬化指数成形性良好，拉伸强度可达560～1030MPa。

新型弹簧钢  新型弹簧钢主要指汽车悬挂系统的弹簧用钢，目前使用最广的钢板弹簧是Si钢，其性能基本上能满足使用要求。近年来，变截面少片弹簧在汽车上的应用越来越多，使用这种弹簧可以节约1/3左右的材料，并使汽车的平顺性能得到改善，有显著的技术经济效益。但由于其生产工艺发生了相应的变化含Si量较高的弹簧钢具有较高的脱碳倾向，故应发展低Si或无Si的弹簧钢，以满足生产的需要。

微合金非调质钢  是指在钢中加入微量V、Ti、Nb等元素，经锻造或轧制冷却后在铁素体、珠光体中析出碳化物或碳氮化物而达到强化、不需要调质、减少热处理工序和设备、避免热处理变形和淬火裂纹造成废品、降低能耗和生产成本的目的特殊钢种。

高强度钢板  采用高强度钢板既可以减少汽车自身的质量，又可以提高汽车的安全性和可靠性，含磷深冲压高强度钢板主要应用于车身、驾驶室上的深冲压件使用得当，可降低材料消耗的10%，双相钢板有较低的屈服强度和高的加工硬化能力比较适宜于制造变形程度大的冲压或拉延深件，根据成形特点，可使零件质量减轻30%～60%。

镀覆钢板  镀层钢板和钢管的研制，是为了改善耐腐蚀等性能。国外在汽车上大量使用覆层钢板。镀铝或渗铝钢管主要用来制造消声器、排气净化装置的接触容器和反应器部件。镀锌钢板用来制造车身、车架、驾驶室、油箱等零件。含锌、铬的高分子化合物涂层钢板，主要用于防腐蚀要求高和不便于涂装的车身、驾驶室零件。

齿轮钢  齿轮是汽车的重要基础零件，应按其模数和工作状况选用不同级别的齿轮钢。在我国变速器和后桥齿轮大都使用2CCrMnTi，目前急需仿制国外成熟的先进钢种形成汽车齿轮用钢系列化。

常见车用有色金属材料

(1)、铝合金  铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、适合多种成形方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料。如今，能源、环境、安全等方面的原因使人们对汽车轻量化的要求越来越迫切。使用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径，而铝是应用得比较成熟的轻量化材料之一。近20年来，铝在汽车上的用量在汽车材料构成比中所占份额有着明显的增加。由铝合金制造的零件己经遍及汽车的发动机、底盘、车身等各个部分，在国外甚至都已有全铝汽车面世。

铝是轻量化首选材料在高张力钢板、铝、塑料与一种称为FRP的轻量化材料中，铝起了特别重要的作用。用于汽车上的铝合金大体上可分为铸造铝合金、变形铝合金和铝基复合材料三种。铸造铝合金在汽车上主要用于发动机、传动机构、转向系统、制动器、行走系统及各种附件。在汽车工业发达国家，汽车用铝铸件占到各类铝铸件产量的大半。例如日本，铝铸件的76%，压铸件的77%为汽车用铸件。铝可以用所有的常用铸造工艺来铸造，例如压铸、砂模铸造、硬模铸造和消失模铸造。虽然有许多种金属元素可以成为铝的合金化元素，但只有Cu、Li、Mg、Mn、Si和Zn才在大量生产中具有重要意义，其他的只是作为补充合金元素添加，以改善其性能和冶金特性。

由于铝的比重只有铁的1/3，由铁向铝转换也比较容易，所以活塞、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，保险杠、油箱用钢板也已改为铝合金。保险杠用的新铝合金材料也被多次开发。但在日本，主要使用的是钢板和塑料，这是因为欧美等国和日本的铝价格差异较大。因此，未来汽车的材料构成比例中，在欧美地区，铝将成为主要比率。如在德国的试验车中，铝合金使用率已达到全体材料的30%。另外，由于不稳定的铝价格和强力塑料的推出，每辆汽车中铝使用量的增加势头比以前有所减弱，但从精炼铝价格来看，它仍是轻量化首选材料。

Al--Cu合金有高的抗拉强度，但其铸造性能不如含Si量高的合金；Al--Si二元合金具有好的焊接性、高的耐腐蚀性和低的密度；Al--Zn合金的切削性能好，且在室温下不进行固溶处理时经过较短时间就可一定程度上提高强度；Al--Mg合金具有优良的抗腐蚀性、好的切削加工性，并能通过阳极氧化得到漂亮的外观，但对其浇冒系统的设计需要仔细考虑。

Al—Zn--Mg系铸造合金作为高强度铸造铝合金得到了发展。提高Zn、Mg含量可提高合金强度，但其塑性和耐蚀性也降低了，故需在合金中加入Mn、Ro、Cr、Ti、B、Zr等元素来细化晶粒，进一步提高强度、塑性和耐蚀性。在高强度铝合金中，Fe、Si被视为有害元素而严加控制，因而需使用高纯度原铝，这会提高生产成本，也增加了生产的难度。Al—Zn--Mg系合金中，虽也把Fe、Si作为杂质，但在一定条件下，Fe、Si有利于强度和铸造性能的改善，故对其限制要宽松得多。

(2)、铝基复合材料  金属基复合材料(MMC)是本世纪60年代诞生的一种材料，它是在连续的金属基体上分布其他种金属或陶瓷等增强体的一种物质。这种材料综合了基体金属和增强体的性能，因而具有单一材料难以达到的优良特性。铝基复合材料质量轻，比强度和比模量高、抗热疲劳性能好、耐磨性好，是金属基复合材料中应用最为广泛的一种。用于铝基复合材料的增强体有连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等多种。针对不同的增强材料和不同的应用场合，人们开发了多种制备铝基复合材料的方法。日本本田汽车公司开发成功的由不锈钢丝增强的铝基复合材料的比强度和比模量是基体铝合金的两倍，用这种材料制成的连杆比起钢制连杆来，质量减轻了30%，制成的1.2L汽油机的燃油经济性改善了5%，同时此公司还成功地把铝基复合材料应用到了发动机活塞环槽上。他们先把增强体硅酸铝纤维和氧化铝纤维做成环状物置于铸模内，然后浇注铝合金并用挤压铸造的方法制造出铝基复合材料活塞。这种活塞的性能和寿命均超过了传统的铸铁环槽镶块。后来又对增强材料作了改进，使其成本更低、性能进一步改善，复合材料活塞已大批量生产和使用。

(3)、镁合金材料  有色轻金属的应用范围在不断扩大，铝的密度为钢的1/3，用铝代替钢可以减少质量50%左右，但铝的强度低，体积较大。镁合金的强度比铝合金高，与高强度合金结构钢相近故用冲压铝、镁合金作汽车材料是使汽车减轻质量和节能的一条有效途径。用铝合金板可制造发动机罩、行李箱盖、保险杠、车身内外板件、散热器用镁合金可制造操纵杆托架、离合器壳和变速器壳等。镁比铝更轻，且资源丰富。对于易氧化的镁，现已开发出高效率的锻造工艺，使其制造成本下降，但由于其精炼能源为电力，所以成本比铝高。镁能否在汽车零部件上大量使用，取决于镁和铝的价格差。由于镁的比重只有铝的0.64，因此只有将价格差控制在1.7倍以下，才有可能使用镁。据此，从目前轻量化材料的现状出发，还不如把铝改换成塑料。但也存在制造设备的供给能力和再循环问题。不仅如此，还会带来新的环境问题。

(4)、钛合金  钛合金适于制造悬架弹簧和气门弹簧、气门。用钛合金制造板簧与用抗拉强度达2100MPa的高强度钢相比，可降低自重20%。用钛合金制造弹簧时必须注意的一个问题是当合金强度达到某一水平之后，疲劳强度对抗拉强度有逆依存关系。用钛合金还可以制造车轮、气门座圈、排气系统零件，还有些公司尝试用纯钛板制作车身外板。Ti和钛合金应用的最大阻力来自于价格高，所以钛合金的研制和生产工艺的开发重点都在于降低成本。日本丰田开发了低成本钛基复合材料。该复合材料以Ti—6Al—4V合金为基体，以TIb为增强体，用粉末冶金法生产，其成本低、性能优良，已在发动机连杆上得到实用。我国的钛矿储量居世界第一位，钛的应用有着广阔的前景。

铁基粉末冶金材料

烧结金属是以金属粉末为原料，在金属模具内压缩成形，后经烧结而成的，它无需加工，材料的成分配制能自由控制，已应用在轴承、排气门座、凸轮、齿轮、支架上。这种材料也可以用来制造连杆、消声器、离合器、转向系及制动系部件。

随着粉末冶金工艺技术的新发展，高强度、高耐磨性、耐热、形状复杂的烧结结构零件和高性能减摩材料将大量应用于汽车制造中。所以，高强度烧结合金钢、烧结不锈钢等结构材料、低噪声轴承材料、高温高真空减摩材料、半金属减摩材料等将进一步得到发展和应用这将对汽车制造产生巨大的影响。

粉末冶金是一种少、无切削的零部件制造工艺，具有材料利用率高、生产效率高，大量生产时成本较低等优点。粉末冶金件在汽车上的应用越来越多，而汽车工业也成为粉末冶金业的最大市场。每辆日本生产的汽车上平均有粉末冶金件6.52kg，美国汽车上粉末冶金件的平均使用量约为日本的7倍。虽然多种有色合金也可以用粉末冶金工艺加工，但在汽车上应用的主要还是铁基粉末冶金材料。粉末冶金件的1/3用于发动机，1/3用于变速器，其余的1/3用于汽车的其他部分。粉末冶金在汽车应用上的进展，主要依靠高强度材料与高强度化生产技术的开发与应用。在60年代应用的铁基粉末冶金零件基本上是低密度多孔质零件。70年代开发并大量生产了高压缩性铁粉和低合金钢粉，应用了大型多级成形压机、高温烧结炉和连续真空烧结炉，进入了大批量生产接近最终形状甚至完全不用再加工的高密度结构件的时代。

预合金型低合金钢粉比早先使用的预混合金粉和扩散型低合金钢粉的成分均匀，因而密度均匀、性能和尺寸稳定。但由于其硬度较高，压缩性差，难于提高密度。为此在材料成分设计方面进行了优化，在粉末制造工艺方面提高了退火温度并延长了退火时间，在粉体压制工艺方面采用了两次压制两次烧结工艺，实现了粉末冶金零件的高密度化。此外，采用低合金钢粉之后，一般不往原料粉末中添加石墨粉，而是采用对粉末烧结件进行渗碳淬火的方式，通过提高表面残余压应力来改善其疲劳性能。

采用高温烧结、渗碳淬火和回火处理后材料的抗拉强度可达到1000MPa，疲劳强度达到400MPa。它们适用于变速器零件和宽玻璃升降器齿轮等。此外粉末冶金还可在诸如传感器等具有特殊功能的部件上扩大应用范围。结构件与功能件的复合化可能是粉末冶金发挥其优势的另一个方面，某些在航空航天方面应用的功能材料，如果能解决其成本问题也可在汽车上得到应用。

车用金属材料的发展趋势

汽车板料成形的发展趋势  为满足较高的安全标准及乘坐的舒适性就必须增加轿车的质量，但轿车的质量又极大地影响着轿车的油耗及尾气的排放量，因此，汽车工业正努力采用轻型结构来减轻汽车质量。这就涉及到对材料及生产工艺的战略决定。而占整车质量的20%～25%白车身无疑具有很大的减轻质量的潜力。

不同的车身结构对减轻车身质量的潜在能力起决定性的作用。车身结构的生产一类为分开的生产方式(自支撑底盘及独立车身和承载构架及独立车身)，另一类为集成式的加工方法。(金属板材整体式车身和无车架车身)。如今金属板材整体式车身在大批量生产中已广泛使用。

减轻车身质量的方法大量使用轻质材料是减轻车身质量的主要手段。如今，中型车质量的50%～60%由钢组成，车身中的铝仅占3%～7%(质量)、集中在发动机及底盘中。塑料约占10%～15%(质量)。在当今大批量生产中，白车身的主要材料是钢但其他材料如铝合金及塑料正显得愈加重要。过去白车身材料采用常规低碳钢然而为了减轻质量及改善结构性能，高强度钢的使用(HSS)已变得愈来愈有前景了。

在可靠的生产工艺下，采用高强度钢可减轻质量。在大多数情况下，结构板件要求更大的拉深深度以及更加复杂的负载能力。大批量生产中，屈服强度高达420MPa的微合金钢和含磷合金钢，在结构部件(防撞击部件)如车体内侧板、内侧柱等，已广泛的应用。

对大批量和小批量生产的影响在金属车身面板和结构面板的生产成形过程中，深冲压为主要的生产工艺。然而在材料成形方面仍然可以进一步改进。生产工艺必须根据生产规模划分。白车身内面板和外面板的大规模生产通常由冲压线和多工位压机生产，因为这些生产方式可以满足批量的要求。而材料(尤其是超高强度钢)对压力机的最大许可压力和单位工件生产时间有很大影响。

泡沫金属在未来汽车中的应用  科学家们正在从泡沫塑料在建筑中的广泛使用中得到启发，考虑在汽车业中使用“泡沫金属”。目前汽车工业是消耗金属最多的工业之一，金属制造业虽然能生产2500多种性能各异的钢材和千百种有色金属但仍然满足不了汽车制造业的特殊需要。如果“泡沫金属”能研制出来，它将成为未来制造汽车的最佳材料，这种泡沫金属零件的结构是：外表用薄钢制成，中心用泡沫金属填充。

报载欧洲目前已经研制出一种新型钢质结构材料，它比普通钢质材料轻10%。主要粘结钢质零件和减震材料新结构制成。同时还研制出“精确钢坯”组合新结构能使所有部件相互巧妙配合。这样，在汽车制造中，就可以机动而广泛地选用应力强度恰好合适的组合部件，如在车门铰链部位的零件除外形合理、美观外，还具备结构稳定性。

目前德国科学家已经成功地研制出“泡沫铝”——将铝粉和钛氧化合物粉末相混合后填放到钢皮制成的模型中，再把充满混合物的模型加热到铝的熔点，这时，氢气会从氢化合物中分解而逸出从而使熔化的铝产生泡沫，当钢皮模型完全冷却后，便形成了固体“泡沫铝”。这种“泡沫铝”具有整体结构，其质量轻而均匀强度比铝更高，外覆的钢皮模型更增强了部件的强度和刚度。

为了提高汽车的安全性和可靠性，人们需要从设计上、制造上特别是材料方面考虑。例如，提高汽车结构材料的强度和韧性，使之更坚固可靠，一旦发生撞车、翻车等交通事故时，能最大限度地减轻损伤程度保证人员的乘车安全。与此同时，还应大力发展各种汽车用的具有特殊功能的材料，以提高汽车的自控能力，进一步改善汽车的性能。

制造汽车所用的材料，由于节省能源、节省资源、轻量化的需要而有所变化。在这种情况下新材料被相继推出、应用，在应用得比较成熟的金属材料中，钢铁材料和轻金属材料也出现了新的发展趋势。

1.建筑材料：钢筋、铝合金大量应用在建筑工业2.工业生产：钢材大量应用与造船工业汽车工业  铜铝用作导线