揭秘汽車材料之車身新材料

來源:汽車部件與材料諮詢

【材料+】說：

汽車車身材料主要是金屬薄鋼板，一般厚度在0.6毫米～2.0毫米。隨著現代轎車技術發展，轎車材料要求既有相當的強度也要求重量要輕。採用鋁合金的車身材料是一條出路，由於鋁材比鋼材輕。但是，鋁材的加工本錢高，而且衝壓及焊接技術要求比較特殊，以目前的技術尚不是一般廠家可以做得到的。因此，除了鋁合金，汽車車身材料又有了新的材料出現。

隨著汽車工業發展，為了提高車體使用壽命和增強車體材料的抗腐性能，鍍鋅鋼板得到廣泛使用。由於在目前汽車車身製造中，主要採用電阻點焊方法，與無鍍層鋼板相比，鍍鋅鋼板的點焊過程中還存在一些問題：先於鋼板熔化的鋅層形成鋅環而分流，致使焊接電流密度減小；鋅層表面燒損、污染電極而使電極壽命降低；鋅層電阻率低，接觸電阻小；容易產生焊接飛濺、裂紋及氣孔等缺陷。

高強度鋼板

從前的高強度鋼板，拉延強度雖高於低碳鋼板，但延伸率只有後者的50％，故只適用於形狀簡單、延伸深度不大的零件。現在的高強度鋼板是在低碳鋼內加入適當的微量元素，經各種處理軋制而成，其抗拉強度高達420N/mm2，是普通低碳鋼板的2～3倍，延性能極好，可軋製成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到2000年，其用量已上升到50%左右。中國奇瑞汽車公司與寶鋼合作，2001年在試製樣車上使用的高強度鋼用量為262kg，占車身鋼板用量的46%，對減重和改進車身性能起到了良好的作用。

美國轎車材料構成的變化

低合金高強度鋼板的品種主要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板、冷軋雙相鋼板和高強度IF冷軋鋼板等，車身設計師可根據板制零件受力情況和形狀複雜程度來選擇鋼板品種。

1.含磷高強度冷軋鋼板：含磷高強度冷軋鋼板主要用於轎車外板、車門、頂蓋和行李箱蓋升板，也可用於載貨汽車駕駛室的衝壓件。主要特點為：具有較高強度，比普通冷軋鋼板高15％～25％；良好的強度和塑性平衡，即隨著強度的增加，伸長率和應變硬化指數下降甚微；具有良好的耐腐蝕性，比普通冷軋鋼板提高20％；具有良好的點焊性能；

2.烘烤硬化冷軋鋼板：經過衝壓、拉延變形及烤漆高溫時效處理，屈服強度得以提高。這種簡稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強度，是車身外板輕量化設計首選材料之一；

3.冷軋雙向鋼板：具有連續屈服、屈強比低和加工硬化高、兼備高強度及高塑性的特點，如經烤漆後其強度可進一步提高。適用於形狀複雜且要求強度高的車身零件。主要用於要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強板、保險杠等；

4.超低碳高強度冷軋鋼板：在超低碳鋼（C≤0.005％）中加入適量的鈦或鈮，以保證鋼板的深沖性能，再添加適量的磷以提高鋼板的強度。實現了深沖性與高強度的結合，特別適用於一些形狀複雜而強度要求高的衝壓零件。

輕量化迭層鋼板

迭層鋼板是在兩層超薄鋼板之間壓入塑料的複合材料，表層鋼板厚度為0.2～0.3mm，塑料層的厚度佔總厚度的25％～65％。與具有同樣剛度的單層鋼板相比，質量只有57％。隔熱防振性能良好，主要用於發動機罩、行李箱蓋、車身底板等部件。

與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強度高、耐鏽蝕、熱穩定性好、易成形、可回收再生等優點，技術成熟。德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由於採用了全鋁車身骨架和外板結構，使其總質量減少了135kg，比傳統鋼材料車身減輕了43％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奧迪A8通過使用性能更好的大型鋁鑄件和液壓成型部件，車身零件數量從50個減至29個，車身框架完全閉合。這種結構不僅使車身的扭轉剛度提高了60%，還比同類車型的鋼製車身車重減少50%。由於所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環保人士的歡迎。

根據車身結構設計的需要，採用激光束壓合成型工藝，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板複合成型，再在表面塗覆防腐蝕材料使其結構輕量化且具有良好的耐腐蝕性。

鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35％，鋁材密度的66％。此外它的比強度、比剛度高，阻尼性、導熱性好，電磁屏蔽能力強，尺寸穩定性好，因此在航空工業和汽車工業中得到了廣泛的應用。鎂的儲藏量十分豐富，鎂可從石棉、白雲石、滑石中提取，特別是海水的鹽分中含 3.7%的鎂。近年來鎂合金在世界範圍內的增長率高達20％。

鑄造鎂合金的車門由成型鋁材製成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內板組成。另一種鎂合金製成的車門，它由內外車門板和中間蜂窩狀加強筋構成，每扇門的凈質量比傳統的鋼製車門輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術的進步，已可以製造出形狀複雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、後擋板、儀錶盤、方向盤等。

泡沫合金板由粉末合金製成，其特點是密度小，僅為0.4～0.7g／cm3，彈性好，當受力壓縮變形後，可憑自身的彈性恢復原料形狀。泡沫合金板種類繁多，除了泡沫鋁合金板外，還有泡沫鋅合金、泡沫錫合金、泡沫鋼等，可根據不同的需要進行選擇。由於泡沫合金板的特殊性能，特別是出眾的低密度、良好的隔熱吸振性能，深受汽車製造商的青睞。目前，用泡沫鋁合金製成的零部件有發動機罩、行李箱蓋等。

蜂窩夾芯複合板是兩層薄面板中間夾一層厚而極輕的蜂窩組成。根據夾芯材料的不同，可分為紙蜂窩、玻璃布蜂窩、玻璃纖維增強樹脂蜂窩、鋁蜂窩等；面板可以採用玻璃鋼、塑料、鋁板和鋼板等材料。由於蜂窩夾芯複合板具有輕質、比強度和比剛度高、抗振、隔熱、隔音和阻燃等特點，故在汽車車身上獲得較多應用，如車身外板、車門、車架、保險杠、座椅框架等。英國發明了一種以聚丙烯作芯，鋼板為面板的薄夾層板用以替代鋼製車身外板，使零件質量減輕了50%~60%，且易於衝壓成型。

與通用塑料相比，工程塑料具有優良的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩定性等特點，且比要取代的金屬材料輕、成型時能耗少。二十世紀七十年代起，以軟質聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩衝材料等塑料在汽車工業中被廣泛採用。福特公司開發的LTD試驗車，塑料化後的車身取得了輕量化方面的明顯成果。

中國工程塑料工業普遍存在工藝落後、設備陳舊、規模小、品種少、質量不穩定的狀況，而且價格高，缺乏市場競爭力。工程塑料在汽車上的應用僅相當於國外上世紀八十年代的水平。如上海桑塔納轎車塑料用量僅為2.86kg/輛，紅旗CA7228型轎車為2.4kg/輛，而日本轎車平均為14kg/輛，寶馬則更高，為35.64kg/輛。但這種局面將很快被打破，由上海普利特複合材料有限公司投資新建、國內最大的汽車用高性能ABS工程塑料生產基地日前在上海建成投產。此項目引進了世界先進的工程塑料生成線和試驗檢測儀器等設備，形成了年產15000噸高性能ABS工程塑料的能力。

高強度纖維複合材料，特別是碳纖維複合材料（CFRP），因其質量小，而且具有高強度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維複合材料在汽車上的應用，美國開展的最好。

二十世紀八十年代後期，複合材料車身外覆件得到大量的應用和推廣，如發動機罩、翼子板、車門、車頂板、導流罩、車廂後擋板等，甚至出現了全複合材料的卡車駕駛室和轎車車身。據統計，在歐美等國汽車複合材料的用量約佔本國複合材料總產量的33％左右，並繼續呈增長態勢，複合材料作為汽車車身的外覆件來說，無論從設計還是生產製造、應用都已成熟，並已從車身外覆件的使用向汽車的內飾件和結構件方向發展。法國SORA公司為雷諾汽車公司開發了全複合材料轎車車身和重型卡車駕駛室。上海通用柳州汽車公司和東風公司也計劃推出全複合材料車身的家庭用小轎車。