第一情报 ---材料工业

世界汽车材料研究进展

供稿人:马春  供稿时间:2004-6-24   关键字:汽车  材料  研究  
■ 铝材料运用在SUV上,可以提高其安全性,降低其重量
由美国密歇根州铝业协会公布的两项研究表明:为了更多的应用,通过有选择地采用铝材料不仅可以降低SUV的重量,而且可以提高其安全性和燃料的使用效率。这两项研究是由来自福特公司的工程师们提出的,其中一项评估了铝材料在SUV结构设计中的运用。另一项研究报道了,通过在SUV车身设计中使用铝材料后,其性能得到了提高。
 
铝质结构的运用课题,作为政府和企业共同资助的研究项目之一,目的是研究在2002 “福特旅行者”结构设计和使用上,使用铝材料和使用钢材料在性能上是否相同?通过研究报道,使用铝材料在重量上可以降低40%,同时在性能上,和传统使用钢材料能达到一致。
 
在车身的设计和使用上采用铝材料的研究表明,铝质车身使SUV成为大容量、轻重量的汽车,而这将适合新一代的“城市SUV”性能要求。福特生产了10部白色铝质车身,其中的8部是全部用于SUV的车身。同时这项研究也表明,铝质车身要比钢质车身重量上轻50%。
 
■ 铝质的“福特探测者”在重量上,比钢质的轻40%
在Alcan  Aluminum 公司和The Budd Co.公司的技术支持下,福特公司设计了新一款新轻型的越野车(SUV),这也是作为政府和企业联合为开发下一代汽车而进行的研究项目之一。这项计划也在2003年SAE世界年会上发表,题目:铝质越野车的设计理念(A Design Concept for an Aluminum Sport Utility Vehicle Frame),作者:Michael W. Danyo,  Christopher S. Young, Henry J. Cornille,和Joseph  Porcari 。
 
这项研究的特殊目的在于,评估铝质结构是否可以达到“2002福特探索者”上所采用的钢结构的性能要求。其中要达到的四个目标:设计一个与四门的2002--探索者越野车兼容的铝质的车身空间;重量上降低40%;提供相同的坚硬度,韧性度和安全性;设计一个可行的生产过程。
工程师们认为,如果铝制车身侧面稍微增大,那么铝质结构的车身将在静态弯曲度和扭力的硬度性能上,与钢质结构一致。
 
有三种方式可以用在铝质结构装配线上,我们对此进行了评估。一种方式包含了主要的MIG焊接,它可用来连接钢质结构。但是因为铝的热传导系数是11.5W/m-K,而钢的热传导系数是3.9W/m-K,这就决定了在选择过程中必须使MIG焊接的点数最小,主要是为了降低其变形。
 
第二类方式是使用一液压成形侧横杆,这将减少需要部件的数量,同时在结构使用上减少45% MIG焊接的点数。但是,在选择所需要的尺寸上面临着多种选择,这将超出液压成形铝管的承受能力。另外,这类铝管必须使MIG焊接在横杆的侧面。
 
第三类方式是使用自嵌式铆钉和粘合剂。自嵌式铆钉和粘合剂可以连接粘合内外横杆,同时大量减少MIG焊接的点数和由此带来的变形。
 
■  钛质卷弹簧具有低密度,低弹性系数的特性
低成本的钛合金被用于特殊汽车卷弹簧的设计上,这项成果在2003年SAE世界年会上发表于一篇题目为《Properties and Production Experiences of  Timetal LCB for Automotive Spring Application》,Yoji Kosaka and Stephen P. Fox,Titanium Metals Corp,Henderson,Nev.的文章。因为,钛合金具有低密度,低弹性系数和优良的抗腐蚀特性。
 
钛用于汽车部件已经有20多年了,钛金属制成的杆,阀和弹簧经常被用于赛车和修理零件的市场。特别是钛质悬浮弹簧有许多优良的机械性能,其发展已经是成本降低,同时性能也满足了汽车制造商对弹簧性能的要求。例如,LCB弹簧能够像钢质弹簧一样,旋紧相同的设备。
 
 钛金属的切割系数也是钢的一半,故在弹簧尺寸上可以减小20%。因此,Volkswagen Lupo FSI 报道,LCB钛合金制成的弹簧可以替代钢质弹簧使其重量上减轻40%。
 
 LCB钛合金最近也成功地运用在生产和处理的研究环境中,从而可扩大它们的规模。但是,钛金属的成本必须降低到可以从制造悬浮弹簧扩展到大规模生产汽车这个水平上才可行。
 
■  消泡铸造获得镁复合物汽车配件
在2003年SAE世界年会上发表的一篇文章中提到,消泡或消耗附件铸造(EPC)过程能够在低消耗下成型非常复杂的配件。文章名为“镁器件消泡铸造的发展”,文章作者为:WFV/Roeperwerk的Michael Marlatt;Eck工业公司的David Weiss,Argonne国家实验室的Manitowoc,Wis.和John N. Hryn。文章描述了美国铸造协会(AFS)镁6区和工业成员们为了发展消泡技术用以作为替代传统高压染铸和紧密沙铸方法而合作的一个项目。
 
与消泡铸造工艺相比较,传统工艺的缺点在于铸造的形态设计受到限制。复合设计不能通过钢染部分实现,并且受到铸造设备移动机芯的限制。另一方面,消泡工艺的一个主要优点是它能够做出一个单复合组件用以替代很多制造组件。
 
传统测试样件被挑选用来衡量镁填充模具的性能及评价计数缺陷的形态。文献描述了工程如何进展,包含了发展策略,产品的挑选,铸造途径,以及铸造结果。7研究的主要成果包含一个消泡材料及部件,一种部件涂料,一种模具砂型及一种合金组分。
 
在Eck工业公司进行了铸造步骤,几百磅的AS91E合金在SF6保护气下用标准镁熔惯例方法熔融。一次铸造的目测法显示镁用消泡铸造获得成功是可行的。X射线检测肯定了这个结果,铸造通过了T6热处理循环鉴定及机械性能的评价。
 
这些过程证明了通过消泡技术来铸造镁在能够搭配好的后续铸造器件时是可行的。这也考虑了成型中铸造镁的安全方面。
 
■ 以半固体的方式生产高度集成铝镀层
关于SSM (semi-solid metal)这种处理方式和其应用的潜力的文章,已经在发表于2003年SAE世界大会上的《The Use of Semi-solid Rheocasting(SSR) for Aluminum Automotive Castings 》这篇文章中讨论了,作者是:James A. Yurko, Raul A.Martinez和Merton C.Flemings。在高度集成的镀层处理过程中,这种方式可以作为常规冲模镀层机械方式的备选方案。不像常规的处理那样,半固体镀层是基于特殊固化的铝金属或利用镁合金处理的一种非树枝状,球状的微结构。有一些处理优点可以归纳为以下四点:由于这种合金可以经受在冲模裂纹处进行微粒化处理,所以这种固化收缩可以被降低;由于可以减少潜在的热量,所以在冲模处理中的固化时间也可以减少;由于具有较高粘性和非牛顿学说的流体运动,所以冲模前端平面的注入速度可以加快;由于降低了猛烈地碰撞,那么冲模的疲劳度可以减小。
 
由于具有了这些优点,使得在以循环时间进行高度集成性和耐热性的镀层处理过程中,这种方式比冲模镀层处理更快。这种镀层类似几何形状的网状结构,它们能在同一个部件上进行不同厚度的镀层处理。
 
原来的或目前的半固体处理方式,由于成本和处理过程中出现的问题,在商业应用上受到一定的限制。但是,这种新的半固体处理方式已经克服了上述困难。正如我们知道的SSR (Semi-solid Rheocasting)这种新方法能较快地生成半固体浆和高效地形成熔化合金。
 
半固体处理有两个主要的大类:thixocasting和rheocasting。在第一类中,特别准备的合金在镀层前,要从周围环境中重新加热到半固体形成时的温度。在第二类中,液态合金要转化为半固体浆,接着铸造而成。
 
经过这十年的努力,在世界范围内,使用第一类镀层方法处理的铝镀层已经达到14,000吨左右,但少于所有铝镀层的1%。使用第二类镀层方法克服第一类方法的某些不足,同时吸收了传统铸造合金处理方法的优点,而且废料可以再利用,合金的选择不受限制。
 
进一步说,试验也已表明SSR方法是可行的,而且在搅和时间上也表现出较大的可变性,其开始熔化的温度对半固体的球状微粒影响甚小。
  
■  泡沫核心碳纤维可以降低汽车空间结构的重量
碳纤维编织的泡沫核心已经由Coretex Structures Ltd.,U.K.公司运用到汽车架构的设计上了。这种架构可以在低成本的浇铸模型上自动组装,可运用在汽车空间架构,卡车或拖车底盘制造生产线上。金属插件可根据需要与之集成。这类生产线在60摄氏度真空条件下注入成型,同时用低粘质,恶劣的,双环氧的环境中加以连接聚合。这种泡沫核心材料可以在真空条件下,通过提高纤维的排列和提高其内部体积加以扩展延伸。
 
这种泡沫核心的结构,据说可以达到和运用在汽车上的钢材料一样的硬度,而且还具有较高的抵抗力,在重量上至少比钢质材料轻40%。而且,这种材料在渐进和可控碰撞环境下会变软,同时也通过了汽车可燃性检验。
 
■热压缩和热处理提高了P/M部件的强度
在2003SAE世界年会的论文中对经过双倍加压和烧结后P/M钢的热处理特性和经过烧结强化和热处理后热压缩粉特性作了对比。论文的题目是‘双倍加压/烧结热处理的P/M钢材料特性和热压缩/烧结强化材料’。该论文是由美国北美Hoeganaes的Dave Milligan和Ulf Engstrom等所著。
 
该工作的目的是为了降低齿轮生产成本的考虑,研究以热压缩和烧结强化工艺代替目前采用的双倍加压/双倍烧结和热处理的工艺。采用前一种工艺可以减少三步加工过程。进行研究的材料分别是:Hoeganaes Pre-mix Astaloy 85Mo和Hoeganaes Densimix Astaloy 85Mo。
 
热压缩的绿色浓度水平不低于双倍加压/双烧结的水平。例如,采用目前的工艺,绿色浓度接近7.33g/cm3.采用热压缩工艺是的浓度处于同一水平。
 
这些由烧结加固处理的部件,在物理性能水平上,还不能达到进过双倍加压/双烧结和热处理的性能。烧结加固处理的部件的压缩力和伸长度性能却超过了这些性能水平,但是在最终的张力度和屈伸度性能上却降低了。
 
当热压缩经过二次热处理和烧结后,材料强度达到了目前工艺水平,物理特性也与采用目前工艺时相同。该项工艺强化了除用铜制成的大于1000Mpa(145ksi)Astaloy 85Mo外所有材料的特性。其他的如伸长度和压缩力的性质也与目前的接近。另外,进行热压缩后疲劳强度得到提高。
 
热压缩实验证明该项工艺制造的齿轮的绿色浓度水平可以和采用目前工艺时的强度相媲美。而且强度等物理特性也达到了目前工艺的水平,但是由于减少了预加压和预烧结操作,所以降低了成本。
 
■  喷塑部件焊接所要求的机械强度
在2003年SAE世界年会上,有一篇文章讨论了喷射模塑和玻璃纤维所加固的塑料元件的机械性能。文章题为:“在最优设计喷射模塑元件过程中加固物选择的挑战和解决的方法”(SAE文章,2003-01-1123)。文章的作者是Christopher Roth 和Val A.Kagan 美国新泽西州莫芮思市)。
研究的目的是为了寻找在预焊接铢子、主肋和焊接物表面上短玻璃纤维所置的方位所产生的影响。另一个目的是评估对接焊接的过程中的短期的机械性能。这种对接焊接有各种各样的外在的形状和厚度,比如是直线形状或者是T形状的。对原材料的筛选、焊接和加工过程选择和设计的优化,有助于找到这两种焊接形状的最优机械性能。
 
加工这些热塑零件的焊接技术可以采用摩擦方法,比如线形摆动摩擦、圆形摆动摩擦螺旋摩擦和超声波技术。也可以使用其他的方法,如使用电炉,可以进行接触或非接触;通过接触和非接触或通过传导使用激光技术。
 
研究说明,短玻璃纤维加固的尼龙,这种热塑材料可以代替各种各样的喷射铸塑元件以及可以替换结构是线形摆动焊接的零件。就是因为这些是高耐力度的零件,在焊接机械性能是关键因素的热塑零件时,使用线形摩擦焊接和圆形摩擦焊接是非常有效的。对于T形的焊接,当焊接几何外形经过了优化和玻璃纤维的方位合适,同样也能获得高性能的机械性能。而且,直线对接这种方式,在喷射注塑和焊接过程都得到优化时,它的张力性能不比基本集接所产生的张力性能低。为了改进机械机能,这篇论文讲了许多进行这样零件设计的建议。
 
■  用弧形离子镀在DLC上,可以使阀门摩擦力降低45%
通过用镀有弧形离子的DLC(Diamondlike carbon,金刚石碳)运用在阀门升降器上,可以减少摩擦力,最大达到45%。这项研究结果是在2003年世界SAE年会由来自日本尼桑汽车公司的Y.Yasuda, M.Kano,Y.Mabuchi和S.Abou研究员们共同提出的。题目为《Research on Diamond-like Carbon Coatings for Low-Friction Valve Lifters》。
 
这项研究是根据一篇报道而展开的,这篇报道说在低速条件下,阀门磨损程度可达20%到25%。由于DLC具有很强的硬度,较低的摩擦性能和良好的韧性,因此研究员们对此进行了调查研究。在真空条件下,DLC被直接置于物件成分的表面,通过多种不同的化学和物理过程后,得出了上述结论。
 
通过对汽车阀门摩擦性能的测试结果表明,镀有弧形离子的DLC运用在阀门升降器上,与磷酸盐化的钢质阀门相比,可以减少摩擦力,最大达到45%。另外,其他性能特征也达到预期的运用效果。这些性能特征包括表面坚硬度,薄膜厚度和表面粗糙度。
 
■ 柴油发动机用的普通杠杆燃料注射系统
据报道,美国密歇根州南部的Denso国际有限公司发明了一种用于柴油发动机的压力为1800Bar的普通杠杆的燃料注射系统。1800Bar的压力据说是最高的,与传统的两个注射系统相比,它的五个注射系统提供了更快的燃料气化速度,使柴油机动力更强,改进燃烧,工作清洁而安静。通过注入1800Bar的燃料,通常的杠杆系统提高了柴油机的工作效率,并且减少了特殊物质和氧化氮的排放量。
 
这个系统是由输送泵,带有高压传感器的普通轨道,螺线管注射器和高速电子控制器组成。泵是用铝和钢铁制成的,架子是用铝做的,整个系统由一个32位的电子控制器和相关软件控制的。
 
用两升、四冲程的内置冷却液的涡轮发动机的测试结果表明:发动机的转矩增加35%,动力增加24%,特殊物质和氧化氮的排放量明显减少。
 
■  不锈钢燃料杠杆减少蒸气散发
Delphi两号技术燃料杠杆能帮助减少蒸气散发,并通过用不锈钢取代镀金钢铁消除了六价铬的产生,据密歇根州的Delphi 公司报道这项技术已获得了汽车工程师协会的交通环保优秀奖。这个两号技术用更少的组分提供了更优良的阻尼,更可靠。取消了镀铬步骤,两号技术也少用了6000磅的六价铬和4000磅的锌。

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