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【2010/07期】试论汽车领域相关材料的进步
2010-12-16
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来源:汽车新材料网
肇庆交通技工学校,蒋伟强
 
  摘要:
  
  汽车材料是汽车品质的基础,汽车技术的发展在很大程度上依托于汽车材料的发展,这已经成为汽车界的一种共识。汽车应用材料品种繁多,主要分为有金属材料,非金属材料,汽车运行材料三大类。本文根据这三大类材料构成的各自特点。通过在每一大类材料中,选择其其中的一种有代表性的,以其的性能,规格及分类等,结合其在汽车上的应用状况,进行逐一举例,从它的过去、现状及将来发展的趋势进行论述。从中,可看出由于汽车技术的发展,推动着汽车材料的进步。同时,新材料的开发与应用不仅促进了汽车的技术进步,同样将推动材料工业本身的发展与进步,材料的进步。推动着人类文明的进步,更加推动历史前进。
 
  关键词:      金属材料     非金属材料         汽车运行材料
 
  一、前言
 
  在现代工业社会里,汽车行业是集资金密集、技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。是国民经济的支柱型产业,其产业链长,产业关联度高,汲及原材料工业、设备制造业、配套产品业、公路建设业、能源工业、销售业、服务业和交通运输业等相关产业。与相关工业和原材料工业的发展是相互相成,密不可分的,对国民经济影响重大。材料,能源,信息被称为现代技术的三大支柱。而能源和信息的发展,在一定程度上又依赖于材料的进步。当今,一个新型经济时代的出现总是与人类掌握的科学技术水平联系在一起。新的技术发展机遇的出现,促使汽车工业的主体技术正步入转型换代的新时期。轻量化、智能化、节能、安全和环保是其重要的发展方向。汽车技术这种朝向的发展对汽车材料提出了更高的要求。优质汽车材料是汽车工业技术创新的重要内容和物质基础。汽车用材料属于技术含量高、性能指标高、附加值高的三高产品,代表应用材料发展的最高水平。技术的发展将改变世界面貌、改变世界经济。在一个技术发展如此之快的世界,汽车的技术发展,很大程度就是取决于材料的进步,随着汽车技术的发展,过去没有见过或者很小见过的材料和工艺,现在已经在汽车上应用。
 
  “材料---可以直接造成成品的东西”。 材料是造福人类生产和生活的物质基础,并伴随着人类社会的发展而不断发明和发展的。每一种新材料的出现和应用,都使社会生产和生活发生重大的变化,并有力地推动着人类文明的进步。汽车材料也一样,它是并伴随着人类社会的发展而不断发明和发展的,有力地推动着人类文明的进步.所以,本文着重选择汽车的金属材料、非金属材料、汽车运行材料这三大类具有代表性的材料,进行举例,论证汽车材料的进步,推动历史的发展。
 
  二、正文
 
  从汽车的总体结构来看。汽车的种类虽多,但基本组成是相同的,一般由发动机、底盘、车身和电气设备四大部分组成。四大组成部分是由上万个零部件组装而成,上万个零部件又由上千种不同的的材料,几千种不同规格品种加工制造出来的。而上千种不同的材料基本上都属于金属材料,非金属材料和汽车运行材料这三大类材料。据统计,世界上钢材的四分之一,橡胶的一半以上,都用于汽车的生产。
  
  1、金属材料向更新换代方向发展
 
  构成汽车的零件约有两万多个,其中约80%以上是金属材料,与其它材料相比,其比强度(强度/密度)高。是汽车工业中使用最广泛的工程材料,是汽车用材的主体。金属材料之所以在汽车上得到广泛应用,是由于它具有许多良好的性能。主要包括有使用性能和工艺性能。使用性能包括:强度、塑性、硬度、冲击韧度、抗疲劳性等力学性能,包括:密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性物理性能和耐腐蚀性、耐氧化性化学性能等。工艺性能包括铸造性能,锻压性能,焊接性能,切削加工性能,热处理性能。以活塞为例。汽车自从在1886年1月29日诞生至今才100多年历史。早期汽车发动机是由蒸汽机改装过来,发动机的零件材料基本上全部使用铁碳合金制造。其中,发动机的活塞材料也是用铸铁材料制造的。铸铁材料具有生产工艺简单,成本低廉,优良的铸造性能和切削加工性能、很高的耐磨性和消震性及较低的缺口敏感性等。经过一个时期的使用,发现铸铁材料作为活塞材料,使用性能上存在着:质量大,惯性大,传热慢,热膨胀性大等缺点。致使发动机出现耗(燃)油大,马力小,转速慢等现象,严重影响和制约汽车使用和发展。随着汽车工业的迅速发展,发动机的功率要提高,就必须使用更理想的材料,就必须减轻汽车自重,降低(燃)油耗,增大功率,减少污染。就必须材料更替。经过对各种材料试验和对比,发现铝合金(铝硅)材料具有:耐磨、耐腐蚀、弹性好、导热和导电性好、低温性能好、比强度和比刚度高、抗冲击性能好,质量轻,密度小,散热快,线膨胀糸数小,铸造性(流动性好、收缩率小、产生裂纹的倾向小)等较好的特点,于是,人们根据铝合金材料的这些良好的性能特点,用其替代铸铁材料作为活塞材料。实践证明,用铝合金材料作发动机的活塞材料,可以提高发动机的转速,增大动力输出,减轻自重,是汽车材料上转变应用得最快、最广、最好的材料。到了现代,铝材中添加强化元素后,铝材的强度和质量大大加强,并仍然具有质轻、散热性好等特性,可以基本满足发动机活塞耐高温、耐高压、耐腐蚀的较剧烈和复杂工作环境的要求。目前在汽车领域仍然得到广泛推广应用。但随着汽车技术的不断发展,对汽车材料提出了更高的要求。铝合金材料作为活塞材料与理想的材料相比较,仍存在着不够耐高温,不够耐磨,热膨胀性大的特性,远远未达到人们对活塞材料的要求:热强度高,导热性能好,吸热性能差,膨胀糸数小,密度小,减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好的工作性能理想状况需求。很难寻找到一种材料能满足活塞材料的上述要求。在使用铝合金材料替代铸铁材料作活塞材料的基础上,人们继续在材料方面进行不懈探索。有关资料显示,美国一公司研制出用发泡石墨作材料,这种材料具有比铝高4倍,比钢高5倍的传热系数,以及相对密度低,质量轻,制取成本不高等特点。用其作发动机活塞的材料,既可减少质量40%(与金属材料相比),又可散热制冷,可有效地增加发动机输出功率,改进工作效率。近年来,发现了采用以碳化硅为主颗粒、晶须增强金属基的复合材料来作活塞材料,其具有高的强度和弹性模量(抵抗变形及断裂)、高抗磨性(防止表面损伤)与高化学稳定性(防止与空气和基体发生化学反应)。另外,又发现了无机非金属材料---陶瓷材料(是现代工业中很有发展前途的一种受青睐的轻型材料)。它具有良好的综合性能:高温强度高、耐磨性强、密度比低、耐腐蚀、高弹性模量(低膨胀糸数)、隔热性能好等特点。目前,日本、美国将工程陶瓷材料主要应用在发动机上面。利用陶瓷材料制作出陶瓷绝热发动机。在其陶瓷绝热发动机构造中,就有用陶瓷材料制造的耐热、擦轻量、耐蚀、膨胀小的活塞零件。用陶瓷材料制作的活塞零件,可防止汽缸内热能损失,既取消了散热器和冷却装置,又简化了发动机的总体构造,降低了发动机的重量,减轻汽车的自重。提高了发动机的热效率,节约了能源,因此,用它们代替金属材料作发动机材料,能大幅度提高热机效率,降低能源消耗,从而达到汽车轻量化效果,是今后用它代替金属材料作发动机材料的发展方向。目前,常用的金属材料正朝向热轧钢板,镀锌钢板,高强力钢板,不锈钢钢板,深拉伸钢板,防锈钢板,减振钢板,超轻钢板,高张力钢板,镀覆钢板,新型弹簧钢,低铅、易切削钢,微合金非调质钢,泡沫金属等新材料方向不断发展。金属材料取活塞零件作代表,有力地说明金属材料在短短的汽车应用发展史上的过去、现状、未来发展的趋势情况。论证了汽车材料的进步,向人们预示了汽车技术未来发展的趋势是采用大量的、新工艺、新结构,而各种新型材料正是朝向符合这种发展方向的理想材料。
 
  2、非金属材料向智能化 功能化方向发展
 
  汽车非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料,主要有各类高分子材料(塑料,橡胶,合成纤维、部分胶粘剂等)、陶瓷材料(各种陶瓷,玻璃等)和各种复合材料等。取汽车玻璃为例。玻璃材料成份主要由二氧化硅和各种金属氧化物组成。玻璃具有较强的抗压强度和硬度,但抗弯强度和抗拉强度不高的脆性力学性能,有透光的使用性能,有热膨胀糸数越低,其稳定性越好的热稳定性能,有耐水,耐空气以及耐绝大多数酸、碱、盐等介质腐蚀的化学稳定性能。是汽车自从生产之日起,就离不开的材料。随着汽车工业的发展,现代汽车上采用了大量的玻璃,它不仅能使汽车变得更加靓丽,而且为驾驶员提供了良好的视野和舒适的驾驶环境。但最初汽车挡风玻璃作用只不过是起到抵御风寒、雨水、尘土的作用,汽车挡风玻璃最早由普通平板玻璃或热弯玻璃制作,韧性差,抗冲击力差,是典型的脆性材料。玻璃材料的这种性能还直接汲及司乘人员的生命安全。发生事故,引起平板玻璃破碎时,玻璃碎片象锋利的刀一样,容易造成人身伤亡。据此,由于平板玻璃和热弯玻璃用作汽车挡风玻璃的这种状况,就被认定为不安全,所以,被人们在汽车上淘汰和禁止使用。人们开始在汽车上转使用新研制的全钢化玻璃作为前风档玻璃替代平板挡风玻璃,可是后来发现,一旦玻璃破碎,全钢化玻璃的碎片不能保证驾驶员的视野,而且玻璃的小颗粒碎片容易造成对眼睛的严重伤害,致使驾驶员不能有效地采用有效的制动措施,导致二次事故的发生。鉴此,认为全钢化玻璃亦不适合作为前风档玻璃使用,并且亦规定汽车的前风档玻璃不得使用全钢化玻璃。于是,人们根据汽车前风挡玻璃使用特性要求,研究发明制作出半钢化玻璃和夹层玻璃。特别是使用夹层玻璃作为汽车的前风挡玻璃时,其受到外力冲击破坏后,仅会产生辐射的裂纹而不致碎片脱落或飞溅伤及乘员,并保障司乘人员不被抛离出车外。或使用中受到外力冲击破碎时,总体上符合安全玻璃对所裂的玻璃碎片的(有的玻璃部分碎片大,有的玻璃部分碎片小)要求。既保证了驾驶员和乘员的安全,同时又提供一个不妨碍驾驶的视区,将车及时开到修理站进行修理的性能要求。在我国,已经对汽车安全玻璃抗冲击要求,抗磨性能要求,光学性能要求,耐辐射,高温,潮湿和耐热要求、厚度、尺寸、弯曲度、吻合度、外观质量等有关汽车安全玻璃标准在1980年后已经实施。今后汽车玻璃发展趋势是:向减速玻璃,吸热玻璃,防弹、防爆玻璃,光电遮阳顶篷玻璃,陶瓷层玻璃,电热玻璃,,导电膜夹层玻璃,磁性玻璃,荧光玻璃,天线玻璃,调光玻璃,中空玻璃,振水玻璃,热线反射玻璃,防霜玻璃,测温玻璃,塑玻玻璃等多种类方面发展。向轻量化,绝热化,提高安全性,具有憎水性,多功能化等方向发展。汽车挡风玻璃经历了由平板型向曲面型、普通型向强化型、全钢化向局部钢化、钢化玻璃向夹层玻璃、三层夹层向多层夹层、功能化玻璃等发展的过程。非金属材料取玻璃作为例子,向人们揭示了汽车是由多种材质构造,因而汽车材料的发展也更加多样化、多元化。未来发展的趋势是:轻量化,智能化,控制电子化。
 
  3、汽车运行材料需环保又节能
  
  汽车运行材料包括有:车用燃料,车用润滑油料,车用工作液,汽车轮胎等。汽车运行材料及其使用技术是汽车材料学科的重要组成部分。它关系到汽车的动力性能的可靠性、安全性、舒适性、耐久性能等使用性能,关系到汽车运行的经济性能与环保性能。现以车用燃料的汽油方面为例。汽车燃料是汽车发动机的“粮食”,是产生动力的来源。车用汽油的性能指标主要有:汽油的挥发性,汽油的抗爆性,汽油的安定性,汽油的防腐性和汽油的清洁性。在汽车发展史上,1876年德国工程师发明了以煤气为燃料的四冲程内燃机。在此基础上,1883年德国人戴姆勒将传统的以煤气的气体材料为燃料的四冲程内燃机改为以液体为燃料的四冲程内燃机,研制成功第一台以汽油为燃料的内燃机。1908年10月1日美国底特律开始生产一种“福特”命名的汽车,是汽车历史上树立的第二个里程碑。但其发动机用的液体燃料是低劣的汽油,甚至是用煤油比例很大的混合液体为燃料,这些燃料蒸发性差,汽化不完全。难以达到足够可燃浓度。不仅起动困难,而且可燃混合气中未蒸发的悬浮油滴进入燃烧室后,使燃烧不完全,发动机工作易产生爆燃(爆燃是汽油机的一种不正常的燃烧),造成发动机工作不稳定,燃料消耗增加,经济性变差,功率下降。此外,这些油滴还会随附在气缸壁上,破坏润滑油膜,甚至窜入曲轴箱稀释机油,造成增加零件的磨损。当时的四缸的发动机转速:1600转/分,功率只有14.7千瓦(20马力),转速慢,工作负荷低。早期的低劣汽油不是理想的发动机燃料。汽油的抗爆性是汽油的一个重要质量指标,用辛烷值评定。辛烷值越高,表示汽油的抗爆性越好。由于汽油的抗爆性对发动机的工作影响很大,人们一直致力于提高汽油的辛烷值。为了提高汽油的辛烷值,于是普遍在汽油中使用四乙基铅添加剂(即70#含铅汽油),虽然加入四乙基铅添加剂后,能够大大提高汽油的辛烷值,能使发动机工作性能比使用劣质汽油好。输出功率得到提高。但使用含铅汽油时,汽油中的含铅量超过一定量时,就会使汽车的催化转换器中的催化剂失效,达不到有效控制汽车的C0、HC、NOx等有害排放物。并且由于汽车排出的废气含四乙基铅,四乙基铅有毒,燃烧后污染大气,给人类环境带来危害。另外,由于四乙基铅在燃烧后形成氧化铅颗粒,沉积在发动机内,加剧发动机的磨损。因此,传统的添加四乙基铅添加剂提高辛烷值的方法已不可行了。另一方面,随着汽车的功率、速度及载荷日趋提高,运行工况日益苛刻。虽然对发动机功率而言,除行驶道路、环境的温度、海拔的高度此最大的三个外界的影响因素之外。对发动机的最大影响因素是其自身结构与工作条件等,其自身结构影响而产生爆燃的因素很多,其中最重要的是压缩比(汽油机的压缩比在6-10之间),提高发动机的压缩比能增加发动机的功率,但提高压缩比的发动机易产生爆燃。抗爆性好的汽油能允许发动机采用较高的压缩比。如下表:

缸径(mm)
行程(mm)
排量(L)
压缩比
最大功率(PS)
最大功率转速(r/min)
CA10 B
101.6
114.3
5.55
6.1
95
2800
CA6102
101.6
114.3
5.56
7.4
135
3000
(资料来源:CA10 B取自由第一汽车制造厂编,机械工业出版社1972年5月出版的解放牌CA10 B 型载重汽车使用说明书。CA1091  6102取自由黎巧云主编,中国劳动社会保障出版社2006年1月出版的《汽车修理与检测》)
 
  相比较,在其结构条件基本相同下(含其它有关因素),压缩比的提高,发动机其功率和转速都得到提高。由于压缩比和转速的提高,从而提高了动力性和经济性。(但随着汽车技术的发展,传统强调的按压缩比的高低选择汽油牌子的关系已越来越模糊了,因为影响发动机爆燃的因素除压缩比外,还有其它因素 且当今汽车发动机结构正在不断趋于完善,在电控燃油发动机上,微机控制的电子点火糸统可根据燃油的品质及发动机运行的工况自动调节点火提前角,使发动机的点火提前角工作在最隹值,消除了爆燃,同时发动机的功率得以更充分的发挥。)众所周知,随着汽车的拥有量的急剧增加,对环境造成的污染就日益严重。而且,地球上的石油储备已接近枯竭,而作为石油产品的最大消费群体——汽车也将面临一场严重的考验。汽油质量为适应环保要求及适应各种发动机工作的需要。我国参照世界各国标准,结合我国实际情况,在2000年1月1日起实现汽油无铅化。汽油质量的牌号已从70#含铅汽油提高到到90#、93#、97#甚至98#无铅汽油。汽油的质量大大提高,满足了环保要求、节能要求和各种发动机工作需要。运行材料取汽油为例子,向人们展示了汽车材料将紧紧围绕着环保、节能、安全、舒适性和低成本这五个主题展开。未来发展的趋势是:燃料多样化,能源电动化,环保公害小等方面发展。
 
  通过对汽车材料的三大类代表性例子,论述了汽车材料的性能、变革和发展,显示了汽车材料的进步一日千里,与时俱进。现在人类已跨入人工合成材料的新时代,特别是近年来汽车朝着轻量、高速、安全、节能、舒适、多功能、低成本、长寿命的方向发展。为满足汽车材料在这些方面的发展要求,人们大力发展具有特殊性能的材料:硬质合金,难熔金属材料,耐热材料,减磨材料,摩擦材料,磁性材料,新型玻璃材料,合成橡胶,精细陶瓷,合成塑料,复合材料,特殊涂料等,它们都已经成为汽车高新技术领域中不可或缺的关键材料。当前,国内外材料的重点开发方向是铝合金、锰合金、钛合金、高强度钢、复合材料和热塑性材料等。这些材料在汽车上的应用也得到非常迅速的发展。特别是铝合金、高强度钢、合成塑料、复合材料和陶瓷材料在汽车上的应用越来越广泛。据有关资料显示,应用微合金非调质钢材料生产的曲轴,可强化钢的基体,提高钢的强度,降低成本。用铁、铝合金双层材料;用石墨铝基复合材料;用碳短纤维增强的铝合金材料制作的缸套具有较好的减重、耐磨性、抗咬合性、自润滑性、改善冷却特性。用钢背—塑料复合材料制作的轴承,既具有工程塑料减磨、耐磨的优点,又具有钢背承载能力强的特点,使其具有高承载、低磨耗、摩擦阻力小的优良性能。采用FW(钢板—软材料);MLG(金属—涂层);ME(金属—弹性体)制作的汽缸密封垫具有结构轻型、厚度减少、减少压紧预紧力和汽缸变形,提高匹配性能和密封效果。在活塞环工作面上,涂覆一层铬和陶瓷层或极精细的钻石微小颗粒(GDC),可提高其耐磨性能和载荷能力。采用玻璃纤维增强尼龙(GFPA)材料替代金属材料制作的进气歧管,可以减少流动阻力,提高发动机燃烧效率,降低油耗,减少振动,降低噪音。采用刚玉纤维增强铝锂合金基的复合材料制作的连杆,具有质轻、强度好、抗拉强度达60Mpa,而且膨胀糸数小。裂解材料(粉末冶金材料、可锻铸铁、球墨铸铁和高碳钢等)能保证连杆的综合机械性能,同时有塑性变形小、强度好,脆性适中,工艺性好等特点。高强耐热钛合金材料制作的发动机配气机构和曲轴连杆机构的零件,达到质轻(比相同钢件轻30—40%。)、惯性小、转速高、效率提高、噪音显著降低、改善工作条件、有很好的综合使用性能。而复合材料更加发展迅猛,由双元混杂复合材料向多元混杂和超混杂复合材料方向发展,由结构复合材料向与功能复合材料并重的局面方向发展,由常规设计复合材料向仿生和计算机辅助设计复合材料发展。
 
  今后,将是陶瓷材料、高分子材料和金属材料三足鼎立的时代,构成固体材料的三大支柱。未来汽车发展的趋势是:汽车轻量化;汽车燃料多样化;汽车能源电动化;汽车控制电子化;智能化。而各种新型材料正是符合这种发展方向的理想材料。随着汽车技术的发展,汽车材料进步与发展步伐将更加加快。
 
  三、结束语
  
  汽车材料是汽车设计、品质、质量及竞争力的基础。现代汽车上采用了大量的新材料、新工艺、新结构,因而汽车材料的发展也更加多样化、多元化。上面论述的例子,印证了汽车技术的发展在很大程度上取决于汽车材料的进步。汽车的性能、寿命、安全性、舒适性等因素与采用的材料息息相关。只有采用高性能、高水平的材料,配以先进的设计和生产技术,才能生产出高性能,高水平的汽车。今后,汽车材料将紧紧围绕着环保、节能、安全、舒适性和低成本这五个主题展开,发展潜力巨大。希望我们在掌握汽车技能的基础上,应同时掌握汽车材料的性能。只有掌握汽车常用金属与非金属材料及汽车运用材料的性能、分类、品种、牌号和主要规格,掌握如何合理选择,正确使用相关技能。才能对汽车构造整体的全面了解。才能具备分析金属材料,非金属材料特性及应用状况的能力,才能具备正确选择,使用运行材料的能力,才能了解汽车材料在汽车上应用状况及发展趋势。才能了解汽车材料的进步与发展。
 
  四、致谢
  在本论文中,由于本人才疏学浅,理论与实践能力不足,时间仓促,文中如若有错谬,请各位师长指正。谢谢。
2010年3月31日
  参考文献
  《汽车材料》主编:周燕 人民交通出版社     2002年5月
  《汽车新技术》 主编 :李朝晖 重庆大学出版社 2007年7月
  《汽车构造》主编:解云 中国劳动社会保障出版社 2004年6月
  《汽车材料》主编:汪涛 刘子利     北京邮电大学出版社2007年9月
 
 
 
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