制造车身的材料及使用性要求？

【专家解说】：浅谈现代汽车车身材料和轻量化发展 我国无论是在汽车车身材料的应用设计方面，还是在新型轻度材料开发与现代汽车轻量化技术方面，都与国外发达国家有很大差距。汽车材料是影响汽车重量的重要因素，对节省能源及改善污染议题都有相当程度的影响，汽车减重是节省能源及降低污染的最佳途径。车身新技术、新工艺、新材料等的开发与研究，呈现了日新月异的发展。轻量化设计以及高强度合金钢深拉延技术和轻合金、复合材料的开发攻关与应用，在现代与未来的汽车车身制造中，汽车轻量化更加有优势。   1.车身的发展   1886年，德国工程师卡尔·奔驰和戈特利勃·戴姆勒分别发明的三轮和四轮汽油机汽车，当时的轿车几乎没有车身。进入20世纪，这一时期的轿车车身沿用了马车车身结构，车身多为木结构形式。l915年福特生产的T型箱型轿车，它确立了以后轿车的基本车身造型，其车身覆盖件开始采用了薄钢板冲压成型。    20世纪20年代，由于材料和冶炼、成型、焊接等方面技术的进步，轿车车身出现了整体式车身结构的设计思想，即用薄壁结构制成硬壳式金属整体车身。汽车车身由以敞篷为主转变为以封闭的箱式车身为主。1925年，在整体式车身结构的基础上发明了承载式车身，车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型覆盖件组成，这种金属结构的车身一直沿用至今。50年代～70年代承载式轿车车身得到广泛的应用并出现了“车身力学”这一新概念，为轿车车身设计开发研究建立了较为完整的框架。很多新型材料应用于车身，诸如复合材料、铝合金材料以及工程塑料等。车身内装饰已开始广泛采用人造材料，车身外表涂料则采用具有弹性和高度光泽的合成涂料。随着高速公路的发展，车身空气动力学试验也逐渐成为轿车车身设计的必要程序，轿车车身的安全性和人体防护问题也提到了议事日程。20世纪80年代以后，轿车车身各分支技术朝着更深入、更系统的方向发展。在车身材料方面，就金属材料而言，应用于轿车车身高韧性的超高强度钢正在不断问世，并大量采用良好的防腐蚀性镀锌钢板。大量的非金属材料已广泛应用于轿车车身并出现了全铝车身和全塑料复合材料车身等。相关的加工工艺方法(如冷冲压、特种材料成型加工、各种形式的焊接、喷漆、电镀、塑料成形等)也日新月异且不断完善。在轿车主动安全性和被动安全性的试验与计算机仿真、轿车车身虚拟造型与图形显示、空气动力学试验与计算模拟、车身电子化设施与装备、轿车车身刚度、强度、车身结构优化以及实验技术与装备等领域都取得了长足进展。    汽车问世相当长的一个历史时期内，节能并未引起人们足够的重视。早期人们研究汽车的注意力大多集中在提高动力性和车速上，至于汽车车身也只以尊重人们的习惯为标准来选择合适的外形。但是，进入20世纪70年代以后，世界性能源危机及其对全球经济的冲击，人们的节能目标开始迅速向汽车工程渗透，车身随之越发讲究“轻、薄、短、小”了。改善车辆燃油经济性的主要措施有3个方面：一是减少汽车整备质量；二是提高发动机效率；三是降低行驶阻力。    车身是轿车的重要组成部分，它对车辆节能影响巨大，通常车身节能需要从构造和形状变化来改进之外，生产应用材料的需求却是改善节能设计环节的重中之重，在选材上既要充分考虑构件的强度要求，又要考虑倒车身总体重量和耐腐蚀要求。  按照钢材碳含量的不同，金属的技术特性也会不同。碳含量越高，其抵抗撞击的能力越强，但其成型和焊接加工性能就会越差，甚至镶板工作也会变得难以进行。因此，汽车车身大多采用含碳量为0.1％到0.4％的低碳钢。近来有采用高抗拉强度钢材的趋势，尽管这种钢材要比常规软钢材薄许多，却可以提供相同的强度等级。与软钢板相比，高抗拉强度钢板具有更高的抗拉强度，其强度超过490Mpa，屈服点为 290MPa，这种钢材在成型后能保持更好的冷作硬化特性而其成型和焊接性能均不会受到影响。采用这种钢板可以降低车身总重。必要时，可以采用具有优良耐腐蚀性能的镀锌钢板，以获得最优的耐腐蚀性能。    车身部分的零件具有各种不同断面形式。由于所有这些零件通常都由薄钢板冲压而成，因而可以根据需要进行设计，使其具有不同的刚性，或者采用加强件或设计成不同的厚度。2.1钢板的制造工艺    铁（Fe）与碳（C）的合金称为“碳钢”。与其它金属材料相比，碳钢容易实现大规模生产，因而其价格也相对较低。因为可以通过添加其它元素或热处理手段，按要求改变碳钢的特性，所以碳钢在各种工业领域获得了极为广泛的应用。由碳钢锭轧制而成的钢板广泛地应用于汽车工业，这是因为它尤其适合采用冲压工艺。一辆汽车上的碳钢用量大约占整车总重的50％以上。  车身使用的钢板根据制造方法可以分为冷轧钢板和热轧钢板两类，车用热轧板通常在1.5mm～8mm之间。热轧板的表面质量不是很好，其冷加工性能与冷轧板相比要稍差一些，常使用在外观不需要很美观的部分，主要用于车身上较厚板件的制作，如车架、骨架和梁等构件。热轧钢板是在高于正常重结晶温度800 至900°C的状态下轧制而成的。为将钢板轧制成薄板，又需要进行冷轧，但钢板会因轧制加工而硬化，所以又需要通过退火处理，使其易于成型，该过程被称为冷轧钢板。车身外部板件常使用0.5mm～1.2mm厚的板材，车架等车身结构件多使用2mm-5mm厚的板材，某些重型车辆的车架使用厚度达8mm的钢板。    在汽车车身部件中，载重车辆（如卡车和箱式货车）的车架和其它零件采用热轧钢板，而冷轧钢板则大多用于客车的单壳式结构车身。由于处板、纵梁板件有耐腐蚀要求，所以冷轧镀锌板得到广泛应用。    钢板厚度热轧加工过程中，存板必须在热态正进行轧制，轧制过程中，钢板会冷却，无法轧制成薄平板；而另一方面，冷轧钢板的轧制可以在常温下进行，因而可以加工出薄钢板。    钢板表面由于热轧钢板在高温下轧制，所以钢板表面会出现黑色氧化皮（黑皮钢板），钢板经氧化物浸洗处理后，表面呈灰色；相比而言，冷轧钢板的表面平滑有光泽（通常称为光板），因为它在热轧加工后，经过了酸洗、冷轧、退火以及调质轧制加工。加工过程的难易性及强度大部分车身零部件均采用冲压成型，冲压加工的难易性由材料的技术参数所决定，而这些技术参数又由材料的成分以及调质轧制的程度所确定，如果按延伸试验取得的延伸率来比较冲压加工的难易性，则热轧钢板（SPHC）的延伸率约为35%，而冷轧钢板的（SPCC）的延伸率约为43%，由此表明冷轧钢板具有较好的冲压工艺性。如进行拉伸强度比较，冷轧钢板无大的差异；但对高牌号材料而言，其拉伸强度则降至270Mpa。    钢板中实际的含碳（C）量一般在 0.03 到 0.1%的范围之内，尤其对深拉延用钢板而言，其含碳量低于0.01%，但含碳量在此范围内时，淬硬和回火等热处理不起作用。    2.2汽车车身的常用金属材料的种类    汽车车身的常用金属材料有：    防锈钢板：为提高防锈性能，防锈钢板的表面采用镀锌、镀锡或铝处理，其中，镀锌钢板的耐腐蚀性能最为可靠，所以这种钢板在耐腐蚀要求较高的汽车零部件上的应用也最为广泛。人们熟知的镀锌钢板包括电镀锌钢板、熔化涂锌钢板以及合金熔化涂锌钢板。镀锌钢板这是一种防锈钢板，其表面通过电镀工艺形成高纯度的锌结晶，但其镀锌层厚度要比熔化镀锌钢板低，这种板比较适合采用冲压成型、焊接和表面覆层工艺，因为其表面要平滑许多；但相对熔化涂锌钢板而言，由于无法得到厚镀层，所以其耐腐蚀性能相对较差。镀锌合金锌钢板为弥补电镀锌钢板和熔化涂锌钢板的不足，采用铁-锌及／或镍合金涂于钢板表面，用以改善钢板的焊接和涂漆性能。    热浸镀锌钢板：这种钢板是通过将钢板浸入熔化的锌中得到锌覆层的，相比其它类型而言，这种钢板具有较好的耐腐蚀性能，但它在焊接和涂漆性能上要比电镀锌钢板差。    镀锌钢板：镀锌钢板分为两种： 电镀锌板（EG）板和热镀锌钢板（GI）。    高强度钢板：强度值超过550MPa的高抗拉强度钢板被用于重型车辆的车架或其它零部件，但其屈服点和屈服率仍然过高，难以提供期望的冲压工艺性和焊接强度，所以早已确定不将这种钢板用于汽车车身板件。但后来随着高抗拉强度钢板的冲压性能的改进以及焊接工艺的发展!这种钢板目前已被用于骨架构件和加强件，甚至还用作车身板件。高抗拉强度钢板能够提供同样的强度等级，由于它比常规的软钢板薄，所以可用来降低车身重量。    高强度钢板技术特性：       高抗拉强度       高屈服点（材料由弹性变为塑性时的点）       高屈服率（屈服点与抗拉强度的比值）    钢板的伸长与抗拉强度间的关系在冲压成型时，与冲压模具间贴合时的较低阻力和较大的伸长率有利于进行较深的拉延。一般用途的钢板：使用这种材料的钢板使冲压加工易于进行，但如果为降低重量而减小厚度，则在冲压强度高时会出现强度不足的情况。 常规的高强度钢板：这种钢板具有较高的阻力，它无法与冲压模具贴合，如果将其用于冲压加工，则在达到期望的伸长之前，即会发生断裂。新型高强度钢板：这种钢板具有较低的阻力，它能够较好地与冲压模具贴合，并且具有一个比一般用途钢板更高的强度，从而可以降低车身总重。    深冲钢板：这类标准材料用于对强度没有特殊要求的部件，例如支架。但是，那些因几何形状复杂或变形程度较大而无法使用高强度钢的部件也会使用这类材料。这类标准材料可以用车身制造的普通方法和设备进行焊接，且焊接效果很好。例：车顶、底板或行李箱底板。    IF 钢：成型很复杂的零件制造时要承受深冲负荷及拉形负荷而且深冲深度不同，所以应使用 IF 钢。这些合金的共同之处是碳和氮的含量很低。其冷变形性和焊接性很好。    IF钢的主要应用范围是不同深冲深度的深冲件和拉形件，例如侧框架。各向同性钢板：基本上以拉形方式成型的部件大多数由各向同性钢制成。各向同性钢可以用修理厂采用的普通方法进行焊接和钎焊，例如：C柱加强件。    烘烤硬化钢：在车辆上需具有高强度且成型困难的零件通常由BH钢制成。车身制造时除了对所有钢种进行冷强化处理外，同时可以在成型期间再次通过烘提高BH钢的强度（20 分钟，170°C 下加压力约 40 N/mm2）。BH 钢的屈服点范围为 180-300 N/mm2，最大抗拉强度为 500 N/mm2，断裂延伸率为30 %。BH钢可用气体保护点焊设备和电阻点焊设备焊接且焊接效果较好。车身面板部件尽管成型度高，但必须保证表面质量最佳且具有抗碰撞凹痕性能，因此使用 BH 钢制造，例如：车门外面板。 微合金钢：微合金钢用于对强度和防撞要求较高的部件。但其成型度不高。微合金钢的屈服点范围为 340-420 N/mm2，最大抗拉强度为 620 N/mm2，断裂延伸率为 20 %。这种类型的钢板可用气体保护点焊设备和电阻点焊设备焊接且焊接效果较好，例：后部发动机支架和内部侧框架等。    TRIP钢： TRIP（相变诱发塑性）钢（例如 DP 钢）用于发生碰撞时必须吸收较多能量的高强度结构件。TRIP 钢的屈服点范围为 380-450 N/mm2，最大抗拉强度为800N/mm2，断裂延伸率为 25 %。TRIP 钢可用气体保护点焊设备和电阻点焊设备焊接，但焊接效果相对差一些。在受热区域和焊接区域会出现材料硬化现象。使用铜基焊料的钎焊方法，MiG 钎焊不适用于TRIP钢。例：A柱内部加强。    多相位钢：需要很高强度且发生碰撞时必须吸收大量能量的结构件由 CP 钢制成。CP 钢的屈服点范围为 680-720 N/mm2，最大抗拉强度为 1150 N/mm2，断裂延伸率为 10 %。因 CP 钢在受热区域和焊接区域会出现材料硬化现象，所以只能在一定条件下进行气体保护点焊和电阻点焊。CP 钢与高强度钢种之间不宜采用焊接方式实现连接。使用铜基焊料时， CP 钢不能采用 MiG 钎焊。CP钢用于后部发动机支架内的挡板。此外， B柱加强件也由多相位钢制成。图 多相位钢特性马氏体相位钢：对防撞要求很高的部件（即在很短的碰撞变形行程内要吸收大量的能量）由 MS钢制成。MS 钢的屈服点范围为 750-1100 N/mm2，最大抗拉强度为 1400 N/mm2，断裂延伸率为 5 %。MS 钢制成的部件大多数用于损坏时必须完整更新的螺纹件。例：侧面防撞保护件由 MS 钢制成。    硼钢：对于那些既要求具有最高强度又要求高成型度的部件来说可使用硼钢。使用硼钢可以最大限度地减轻重量。硼钢是含微量硼元素的合金钢，它的可硬化性明显改善。例： A 柱加强件、B 柱上部加强。    3.轻合金材料的运用    目前国外主要采用轻量化的金属有：铝合金、镁合金、钛合金等。    3.1.1铝合金    铝材在车身上的应用在近几年非常突出。铝合金强度高且质量轻，耐腐蚀性优越，越来越受到车辆制造者的欢迎。国外很多车辆的车身使用铝材，在德国甚至已经出现了“全铝车身”的汽车。铝车身的出现使车辆的总体质量进一步下降，在节约能源等方面也起到了很好的作用。但铝的加工与钢材比较起来要困难得多，尤其是在进行冷加工校正和焊接时需要用到很多的新工艺。    铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点，作为结构材料，因其加工性能优良，可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等，以充分发挥材料的潜力，提高构件刚、强度。铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。铸造铝合金的力学性能不如变形铝合金，但铸造铝合金有良好的铸造性能，可以制成形状复杂的零件，不需要庞大的加工设备，并具有节约金属、降低成本、较少工时等优点，按成分中铝之外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四大类。变形铝合金有很大的力学性能，适合于变形加工。按性能和实用特点不同，可以分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四大类。汽车用的铝合金必需具有的性能：强度、成形性、耐蚀性、焊接性、表面处理性等。    3.1.2汽车用铝合金    汽车车身的重量约为汽车总质量的30％。汽车轻量化，车身的轻量化占有举足轻重的地位。因此，用铝板取代钢板制造车身覆盖件也当然成为汽车轻量化的必然。德国奥迪A8型高级轿车的整个车身均采用铝材制造，框架采用立体框架式结构，覆盖件为铝板冲压而成。这种铝车身与钢车身相比，质量减轻30－50％，油耗减低5－8％。日本本田公司生产的轿车车身用铝合金达162kg，比钢车身减重约40％。奔驰公司新一代S系列轿车前桥拉杆和横向导臂、前桥整体支承结构采用铝合金材料，这种部件的质量与钢件相比轻35％。就铝板覆盖件的应用发展趋势看，强度高、成形加工性好、表面质量优良的铝板将取代钢板成为汽车覆盖件的主要材料。图 全铝合金车身在汽车轻量化的发展过程中，铝材料也遇到其它轻型材料的竞争和挑战。比如镁、塑料、陶瓷材料等。镁的密度比铝轻得多，用于制造某些汽车零部件较铝更为合适。    3.2 钛合金    钛合金具有较高的抗拉强度（441~1470mpa），较低的密度（4.5g/cm3），优良的抗腐蚀性能和在300~550 C温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性，是一种理想的轻质结构材料。钛合金具有超塑性的功能特点，采用超塑成形－扩散连接技术，可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。    钛合金是以钛为基加入其他合金元素组成的合金称作钛合金。钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点,是较为理想的航天工程结构材料。钛合金可分为结构钛合金和耐热钛合金,或α型钛合金、β型钛合金和α＋β型钛合金。    国产工业纯钛有TA1、TA2、TA3三种，其区别在于含氢、氧、氮杂质的含量不同，这些杂质使工业纯钛强化，但是塑性显著降低。工业纯钛尽管强度不高，但塑性及韧性优良，尤其是具有良好的低温冲击韧性；同时具有良好的抗腐蚀性能。多用于350℃以下的工作条件。    3.3.1镁合金    镁合金具有密度小、强度大、铸造性能和机加性能优良、减震性和屏蔽性好等优点，镁合金压铸近年来表现出强劲发展的势头。压铸成型过程具有高压力和高速度充型的特点，是生产镁合金零部件有效方法。镁合金压铸成型技术主要包括镁合金熔化及保护、压铸模设计、工艺过程控制，承力零部件的后续热处理等。生产及使用条件（含环保要求）：根据生产零部件的大小配备相应压铸机，也可利用现有普通冷室压铸机生产镁合金压铸件。    3.3.2镁合金技术特性：    由于镁在熔炼过程中易氧化燃烧，采取措施控制镁合金液质量对获得良好性能的压铸件尤为重要。根据镁合金液态成形特点并结合我国目前大多数压铸设备现状，通过控制镁合金液质量及合理选择压铸工艺参数，在普通冷室压铸机条件下可以实现装饰性或功能性要求压铸件生产。注意：在对镁合金材料进行热加工是请做好防火工作，镁合金会产生剧烈的燃烧。    4.复合材料研发和未来汽车车身材料的应用趋势    4.1复合材料    4.1.1复合材料：    先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料，它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是工业发展中最重要的一类工程材料。    复合材料在车身上的应用单一成分的材料在其机械性能方面有些情况下很难满足需要，人们将多种单一材料采用各种方法混合在一起形成新的混合材料，也就是复合材料的雏形。现在常用的复合材料已经成为了一个新的，以非金属复合材料为代表的领域，是在工业技术不断创新和发展的基础上发展起来的。所谓复合材料，是指由两种或两种以上的不同性质或不同组织的材料组合而成的新材料。    4.1.2树脂基复合材料    树脂基复合材料：树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于汽车制造工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体，加入各种增强纤维复合而成的一类复合材料；而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物，它可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。    4.1.3金属基复合材料    金属基复合材料：金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性。这类材料被广泛地军事工业当中。4.1.4陶瓷基复合材料    陶瓷基复合材料：陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体，与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的总称，由此可见，陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成为当前材料科学研究中最为活跃的一个方面。陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点，是关键支撑材料之一。陶瓷材料的高温性能虽好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。    4.2复合材料在汽车上的应用    高强度与高弹性模量的复合材料具有和金属材料相近的机械性能，在一定条件下有金属薄板所不能比拟的优点。如复合材料的质量很轻，节油效果明显；成型容易，制造成本低；耐腐蚀、热导率低，有利于隔音隔热；尺寸稳定性好；易于涂装等。所以，汽车车身轻量化的主要发展方向就是利用复合材料来替代部分金属材料。    目前在汽车上已经普遍应用的有用玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料(SMC)制造的车身空气导流板、前翼子板和前挡泥板延伸部件、大灯罩、发动机罩、装饰条、尾板等；用传递模塑工艺技术(RTM)制造的车身板件加强肋等；将树脂、填料、玻璃纤维等各种成分混炼成粒状料，然后模压成型，制造发动机室、挡板、空调器壳等。还有些复合材料在车身上的使用仍处于试验阶段，如用碳纤维复合材料(CFRP)制作的传动轴、悬挂片簧、保险杠、车门、车身等，在不久的将来将可大量应用。    4.3碳纤维复合材料    在碳纤维复合材料（CFRP）方面，由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，已在航天航空等领域广泛使用。它也是适用于制造汽车主结构――车身、底盘最轻的材料，受到汽车工业广泛重视。预计CFRP的应用可使汽车车身、底盘减轻重量40～60％，相当于钢结构重量的1/3～1/6。用CFRP制造的板簧为14kg，减轻重量76%。但由于碳纤维增强复合材料的价格昂贵，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限。为提高碳纤维增强复合材料的用量，发展廉价的碳纤维和高效率碳纤维增强复合材料的生产方法和工艺已成为汽车轻量化材料研究中的关键课题，并取得了重大进展。    5.结论：    随着车身新技术、新工艺、新材料等的开发与研究，汽车车身结构应以整车安全、节能、舒适、耐用等技术性能为主导，确定了相应的对策，呈现了日新月异的发展。这不仅适应了世界经济的潮流，而且也是汽车车身工程的追求目标。汽车工业轻量化设计以及高强度合金钢深拉延技术和轻合金、复合材料的开发攻关与应用都将改善其经济性、节能性、安全性和使用性，在现代与未来的汽车车身制造中，汽车轻量化已经成为汽车工业发展的重要课题之一，无论对传统汽车技术，或是开发新的能源技术，终将不断推经市场的竞争力，尤其在环保方面也将更加有优势，废气的排放也会大幅度的减少。而我们国家汽车工业发展较晚，在技术研发和新技术的合理的运用与生产的成熟性、降低生产成本等核心方面与国外发达国家还存在着巨大的差距，中国汽车工业走进世界先进行列，掌握核心技术是必由之路，多行业、多企业之间共同建立研发合作机制，本着团结互信互惠的原则，不断整合资源，不断地完善科技体系，才能在未来的市场竞争中更加有魅力和有世界汽车行业模式的转变。