1 汽车用新材料的研究应用进展

 

    汽车技术的发展与用户需求的提升，有效地促进了汽车行业的整体发展，促使当今汽车行业不仅需要向着更豪华和舒适方向努力并且汽车行业向着更加轻量化的方向发展已成为大势所趋，这一发展趋势最大的助力便来自于新材料在汽车行业中的应用。从近几年新材料在汽车行业的应用研究可以看出，国内外主要汽车厂商在材料的使用上主要分为三个方面，分别是：使用轻质合金作为汽车零部件材料；在汽车车身中使用高强度钢；使用碳纤维以及热塑性材料等新材料科技的发展带来了质量更轻、更坚固的新型材料。这些材料被广泛的应用于汽车当中，既保障了汽车的安全性，也降低了车身的质量，而且节约成本。

    1、轻质合金在汽车行业的应用进展

 

    （1）镁合金材料在汽车行业的应用进展

 

    目前各大汽车厂商所使用的镁合金可分为 AZ 系列、AM 系列、AS 系统以及 AE 系列。现如今的镁合金在汽车中的应用主要是针对零部件的壳体，使镁合金所构成的零部件能够耐温达到200℃左右，不过目前所生产的镁合金还远未达到这一高度，而能够达到这一要求的稀土合金往往价格较高，很难应用到汽车中。因此，由镁－稀土所构成的合金成为当今应用的主流产品。

 

    现如今国内外对镁合金的研究成果十分丰富。早在2006年时，德国戴姆勒－克莱斯勒公司就推出了一辆由镁合金构成车顶的概念车，在这辆车中大量的使用镁合金从而使其质量比同级别车降低20％，这一概念车的推出有效的证明了汽车的减重与安全性保障是可以同时保证的在最近这十年时间内，汽车行业对镁合金的使用情况飞速提升，每年的增速都是 10％左右。这些镁材料主要应用在汽车中的零部件与内饰部分，在今后的十年内，镁材料在汽车行业中的应用会继续保持 10％左右的增长速度。在今后的发展应用中，镁合金应当向合金的优化、减轻腐蚀、创新生产工艺等方向发展，以达到汽车中更多零部件都能够使用的目的。

    （2）铝合金材料在汽车行业的应用进展

 

    铝合金材料在汽车行业中的应用，其主要的优势有五点：其一、使用铝合金材料的新型车整车比使用传统材料的整车质量能降低三到四成；其二、整车安全性更高。具有较高的安全系数；其三、和同级别采用传统材料的汽车相比，能耗减少一半左右；其四、铝合金材料能够被重新利用，有效的节约了资源浪费；其五、使用铝合金新材料的汽车在污染物的排放上明显降低；因此，加快对铝合金材料的研究促进汽车行业更多的使用铝合金材料是十分必要的。

    铝合金自身具有很多的优点，比如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，这些优点使得铝合金材料被业内一致认为是“希望金属”。

    随着铝合金材料在汽车车身的应用越来越广泛。在今后的发展过程中，应当努力提高创新能力，在降低铝成本的同时提高生产效率。比如，在汽车车身方面，由于车身线形较多，十分复杂，再加上车身所需要承受的阻力较大，所以在应用铝合金材料时，对铝合金材料的要求较高，这也是今后铝合金材料发展的重要方向之一。主要体现在：其一、由铝合金材料所构成的车身应当具有较高的强度与刚度；其二、铝合金材料应当具有更好的可塑性；其三、铝合金材料应当具有更好的可焊接性；其四、铝合金材料应当具有较高的耐蚀性与耐磨性。这些特点是今后铝合金材料的发展方向，也是汽车行业向着节能减排、环保方向前进的必经之路。

    2、高强度钢在汽车行业的应用进展

 

    镁、铝合金在汽车行业中的应用主要集中在汽车的零部件上，不过这两种材料在成本与工艺方面的使用有一定的劣势，不利于在汽车上的大范围使用。而随着高强度钢的面世其所具有的高抗碰撞能力与质量轻于铝、镁合金等特性使其在汽车行业得到了快速的应用。这种新型材料一方面能够显著降低汽车车身的整体质量；另一方面又可以提升整体车身的安全性。因此，现阶段高强度钢也是汽车行业轻量化发展中的一种重要材料。

    目前，主要的轻质高强度的钢铁材料主要有：高强度钢（屈服强度大于2MPa）、超高强度钢（屈服强度大于550MPa）和先进的高强度钢（以下统称为高强度钢）。高强度钢取代普通钢材用于车身零件和其他结构件取得了良好的减重效果大多数轿车的保险杠、骨架、前门、后门横梁等都采用高强度钢作为材料。而且，高强度钢在车辆零部件方面的使用比例在逐渐增加，应用比例已由 1997 年的 7％上升到现在的 50％，预计今后几年还会有提升。

    但是高强度钢应用的技术难点在于成形技术。目前高强度钢成型的主要问题是与弹性应力及应力释放相关的零件尺寸精度和回弹问题。具体来讲高强度钢在成形过程中的主要问题是 : 一是变形过程中出现加工硬化，屈服强度提高，流变应力较高；二是由于零件厚度减小，因而不易保持原状等问题。因此，今后高强度钢需要在加工工艺方面努力提升。

    汽车用高强度钢的另一种发展思路是保留钢材本身的优点，即强度、韧性、可加工性、寿命等前提下降低钢质量密度。其中一种方法是向钢中添加诸如 AI、Si 等轻金属合金元素。这些钢已在早期开发出来，具有较高的强度、较低的密度以及经过改善的耐蚀性。从目前来看其发展潜力很大。最近，钢基复合材料也被提出同时用于提高杨氏模量（E）和降低产品密度（ρ）。由于增强颗粒的参数（性质、体积分数、尺寸等）的选择余地增加。所以，E/ρ 比率能够得到显著提高，而且材料的延伸性和耐破损、耐疲劳性也与常规的超高强度钢处于同一水平。因而，汽车用高强度钢发展前景广阔，同时对汽车新材料发展具有强大的推动力。

    3、碳纤维材料在汽车行业的应用进展

 

    碳纤维主要是含碳量在 90％以上的高强度、高模量纤维，具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电导热及耐腐蚀等特点。这种新型材料具有较小的比重，外柔内刚，与铝材料相比在质量上有明显的优势，同时碳纤维在抗拉弹性、抗腐蚀性等方面也十分优秀，可以被看作是新一代的加强版纤维材料。

    就目前学者对碳纤维的研究来看，碳纤维的制作仅能够从碳或者是石墨中提取，而其本质特性还没有被完全研究出来。现阶段汽车中使用的碳纤维主要存在于传动轴、刹车片等部件。当今汽车整体车身基本上都是由钢铁所构成，如果汽车中的钢铁材料都能够换成碳纤维，那么汽车的车身质量能够减轻300kg 左右，能耗降低、整体汽车效率提升，CO 2 排放量也能够得到明显的控制。因此，碳纤维在汽车行业中的应用是汽车行业今后发展的一个重要方向。

    碳纤维复合材料制成的传动轴质量轻，具有很好的耐疲劳性、耐腐蚀性，而且震动衰退性好、安全性强、金属传动轴质量重而且易磨损、磨损后又会引起传动噪音和能量损失，缩短了传动轴的使用寿命。碳纤维复合材料满足结构件性能要求时可比钢材传动轴减重70％-80％，而且强度和使用寿命增加许多。

    因此，选用碳纤维复合材料生产传动轴具有重要意义。碳纤维复合材料传动轴根据形式可分为整体型和装配型两类。

    在石油危机暴发后，国际上对于节能减排问题的研究已经越来越重视，也成为全球汽车厂商所共同追求的方向。要想解决这一问题，最重要的一个努力方向便是对新材料进行研究，并将这一新材料应用在汽车中，作为现今最前沿的材料之一。碳纤维由于自身所具有的多种优点被越来越多的汽车厂商所认可，已经成为最有希望解决目前汽车行业所面临的问题的途径。现如今，碳纤维在大型的商用飞机 F1 赛车等方面已经得到了应用与认可，已经被充分证明了该材料能够完美的替代钢铁等传统材料，只是该新型材料性质属于复合型材料在应用时需要经过大量的计算与数据的积累，而且目前该材料的生产工艺还需要进一步的规范。不过随着科学技术的不断发展，将来碳纤维在汽车行业中的应用前景十分广阔。

    4、热塑性材料在汽车行业的应用进展

 

    随着科学技术的不断发展，汽车行业所使用的材料也向着更加轻量化、更加安全的方面不断发展。热塑性材料便是二十一世纪汽车行业发展的重要材料之一。就目前汽车行业的发展情况来看，热塑性材料主要应用集中在汽车的内饰与密封系统。在汽车车身内使用热塑性材料能够显著减轻各个零部件的加工时间在加工时所使用的设备也更加简单。同时，与传统的橡胶制品相比，热塑性材料能够显著的降低质量。由此可以看出，在汽车车身中大量使用热塑性材料来代替传统的橡胶制品不仅能够显著降低车身质量，而且能够提高汽车的制作效率，更重要的是，热塑性材料属于聚烯烃类材料，所以能够被回收再利用，有效降低环境污染。

    （1）热塑性材料在汽车内饰的应用进展

 

    传统汽车内饰所使用的材料多为注塑成型、表层热成型等类型。这些材料无论是在触感、质量与环保方面都存在一定的问题。而热塑性材料在汽车内饰中的应用能够显著降低成本、提高效率、促进汽车整体生态圈的运转速度，为企业创造更大的价值。

 

    （2）热塑性材料广泛应用于汽车密封条方面

 

    市场对于汽车密封条，尤其是轿车密封条的性能要求愈来愈高，不仅需要具有优良的密封性，而且要美观环保。在这些需求的推动下，汽车密封条技术不断推陈出新，热塑性材料中的热塑性硫化橡胶 TPV 得到了广泛的应用。该材料得到广泛应用的首要原因是环保的要求，传统的材料在使用中产生致癌亚硝酸的促进剂 BZTT 等而 TPV 不存在上述环保问题；其次，国家发展改革委员会、科学技术部、国家环保总局联合颁布《汽车产品回收利用政策》提出三个阶段的回收利用率目标，最终目标是 2017 年起所有的国产及进口汽车可回收利用率要达到 95％，在材料回收利用方面 TPV具有很大优势。此外，TPV 无需混炼和硫化，可以与硬质塑料 PEPP 共混挤出生产彩色封条，耐 UV 性能强，而且接角可以热熔炼。

    （3）热塑性材料在玻璃封装的应用

 

    对于玻璃的封装，热塑性材料能够显著的提升其加工性能并且能够保障玻璃密封具有持久性与抗老化性，提升了玻璃的使用年限。

    5、石墨烯在汽车领域的开发和应用

 

    近几年，石墨烯产业发展全球瞩目，但总体应用量较小，市场规模化需求还有待形成。目前石墨烯在汽车领域取得哪些进展？将何去何从？

    （1）汽车轻量化材料

 

    石墨烯材料的强度是钢的 100 倍，具有较高的强度和硬度，但其密度较低，质量较轻，是理想的汽车轻量化材料。将石墨烯作为增强相开发的轻质复合材料可用作汽车车身材料。日前，利物浦Briggs 汽车公司在其品牌产品 BACMONO单座跑车的车身中就使用了石墨烯材料，该跑车也已通过道路测试。

    （2）汽车用高耐磨材料

 

    石墨烯复合材料除了作为车身材料，在汽车零部件领域也可以得到应用。比如，汽车轮胎。将石墨烯材料加入到汽车轮胎中可使得轮胎更加耐磨、防穿刺，而且能大大提高使用寿命。四川大学高分子材料工程国家重点实验室，已经自主研发出世界首个石墨烯橡胶轮胎。在国家总理李克强赴四川考察期间，这只轮胎还受到了总理的“接见”。

    （3）高导热复合材料

 

    石墨烯的热传导率高达 5300W/m·k，将其与导热性高聚物复合可制成强度高、导电导热性好、质量轻的优质复合材料。石墨烯的超二维纳米结构可以保证热量在加热区域内的均匀释放，可用于汽车加热座椅材料。

    （4）汽车防腐涂装材料

 

    石墨烯具有较高的化学稳定性，表面疏水，耐酸碱化学腐蚀。有研究将石墨烯喷涂于钢表面，浸泡于海水中可以保持一个月不生锈，而普通高性能涂料仅能维持几天时间。因为石墨烯的高疏水性以及独特的纳米结构，可以将其运用于车用涂料领域，提高防腐效果。

    （5）车用导电功能性材料

 

    在汽车燃油供给系统中，以快速紊流方式流动的燃油能产生静电，用于燃油供给系统的部件（包括油箱，油管接头，过滤器等）需要其导电率能阻制静电堆积，消除火花、爆炸等危险。目前，以碳纳米管作为添加剂的导电塑料已成功应用于汽车燃油供给系统。石墨烯具备与碳纳米管相媲美的导电性能，且制备成本更低，完全可以用于导电功能塑料领域。基于石墨烯的导电功能塑料还可以运用于汽车挡泥板、门把手、镜盒等方面，方便车身的静电喷涂，省去了相对于非导电性塑料在静电喷涂前需要进行的表面导电化处理。

    （6）电动汽车储能材料

 

    动力电池是新能源汽车的心脏。尽管目前国家大力推广电动汽车，但是续航里程短、充电时间长等短板，依旧阻碍着电动汽车的市场化。目前，作为电源的储能装置主要有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池，三者均要求其电极材料具备大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性，这为石墨烯提供了广泛的运用空间。

    6、特种陶瓷材料在汽车上的应用

 

    新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐1000℃以上高温，新材料推进了汽车上新用途的开发。

    （1）陶瓷在汽车发动机上的应用

 

    要将柴油机的燃耗费降低 30% 以上，可以说新型陶瓷是不可缺少的材料。现在汽油机中，燃烧能量中的 78% 左右是在热能和热传递中损失掉的，柴油机热效率为 33%，与汽油机相比已十分优越，然而仍有 60% 以上的热能量损失掉。因此，为减少这部分损失，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量，有试验证明，这样可把热效率提高到 48%。同时，由于新型陶瓷的使用，柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性，而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。其他正在进行研究的有：采用新型陶瓷的活塞销和活塞环等运动部件。由于重量的减轻，发动机效率可望得到提高。

    （2）特种敏感陶瓷在汽车传感器上应用

 

    对汽车用传感器的要求是能长久适用于汽车特有的恶劣环境（高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气），并应当具有小型轻量，重复使用性好，输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能，近年来随着制造技术的进步而得到充分利用，敏感陶瓷材料制成的传感器完全能够满足上述要求。

    （3）陶瓷在汽车制动器上的应用

 

    陶瓷制动器是在碳纤维制动器的基础上制造而成的。一块碳纤维制动碟最初由碳纤维和树脂构成，它被机器压制成形，之后经过加热、碳化、加热、冷却等几道工序制成陶瓷制动器，陶瓷制动器的碳硅化合物表面的硬度接近钻石，碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击，耐腐蚀，让碟片极为耐磨。目前此类技术除了在 F1 赛车中应用，在超级民用跑车中也有涉及，例如奔驰的 CL55 AMG。

    （4）陶瓷在汽车减振器上的应用

 

    高级轿车的减振装置是综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件，这种减振器具有识别路面且能做自我调节的功能，可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。

    （5）陶瓷材料在汽车喷涂技术上的应用

 

    近年来，在航天技术中广泛应用的陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术的优点是隔热效果好、能承受高温和高压、工艺成熟、质量稳定。为达到低散热的目标，可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂，如活塞顶喷的氧化锆，缸套喷的氧化锆。经过这种处理的发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗量。

    （6）智能陶瓷材料在汽车中应用

 

    作为特种陶瓷产品分类的智能陶瓷材料，其中包括在汽车制造中使用的对环境敏感且能对环境变化作出灵敏反应的材料，目前已成为材料科学及工程领域中研究的焦点。

    汽车上使用的智能陶瓷产品，包括功能材料、驱动系统与反馈系统相结合的智能材料系统或结构。由于其综合性功能的发挥，可使汽车产品在行驶时感知与响应外界环境的变化，使汽车产品拥有自检、自测、自诊断、自修复、自适应等诸多性能。当前有些功能陶瓷制品已具有智能化的功能，如半导体钛酸钡正温度系数热能电阻及氧化锌变阻器，它们对于温度和电压具备自身诊断、候补保护与自身修复的功能，可以使材料本身拥有抵抗环境突然变化的能力，并可重复多次使用。在智能陶瓷系统中，压电陶瓷是最重要的品类。

    现在已经普及使用及正拟开发研制的压电类智能陶瓷制品及材料系统如下：

    汽车减震装置：利用智能陶瓷产品的正压电效应、逆压电效应研制出的智能减震器，具有识别路面并自我调节的功能，可将粗糙路面对汽车形成的震动减到最低限度，整个感知与调节过程只需要 20 秒。另外，采用智能陶瓷材料制成的减震装置还可以推广应用在汽车产品之外的领域，如使用到精密加工的稳固工作平台等。

    汽车智能雨刷：利用钛酸钡陶瓷的压阻效应制成智能陶瓷雨刷，可以自动感知雨量，自动将雨刷调节到最佳速度。

    汽车有源消声陶瓷材料：由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈和数字信号处理集成电路组成的有源消声陶瓷材料，可把汽车的震动频率降低到 500赫兹以下。

    此外，还可以利用智能陶瓷材料开发出智能安全系统与智能传输系统，如在安全气囊中，也使用了智能陶瓷元件。现代智能陶瓷材料的开发研究与市场，已经处在方兴未艾时期，同时它的应用已经不仅限于汽车工业，而且对造船、建筑、机械、家电、航天、国防等工业领域产生重要影响，将大大提高各类机械与电子产品的智能与自动化水平。

    7、泡沫金属在汽车上的应用

 

    泡沫金属顾名思义，就是外形像泡沫海绵一样的金属。泡沫氧化铝是制作汽车的一众绝佳材料，它一可以吸收噪音，二可以防火，三还可以用作吸收冲击能量的碰撞缓冲材料，四还可以降低车内的抖动和震动。此外，泡沫金属还可以替代催化转化器中昂贵的稀有金属。

 

    目前用泡沫铝合金做成的汽车零部件有发动机舱盖、行李厢盖、翼子板等。在安全性设计中，将泡沫金属用作吸收碰撞能量的主要材料是十分适宜的。因为目前汽车的安全设计不但要考虑乘用人的安全，还要考虑到其外车辆及行人的安全，即当一旦发生碰撞时既可最大程度地保护自己又要最大程度地保护他人，因此在车身易发碰撞区域采用泡沫金属是一种很好的选择。

    现在已有一种“三明治”式的夹心零部件，部件里面用“泡沫金属”材料，外面再包裹上很薄的其它硬质金属材料，这样使表面具有一定的硬度，牢固耐磨，内部又能吸收变形能量。“泡沫金属”的种类也是比较多，除了泡沫铝合金外，还有泡沫锌合金、泡沫钢等等，用处各异。

    8、自洁超疏水材料在汽车上的应用

 

    超疏水技术是一种具有特殊表面性质的新型技术，具有防水、防雾、防雪、防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点，在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的应用前景。超疏水技术对于建筑工业、汽车工业、金属行业等的防腐防锈及防污也很有现实意义。

    其实在汽车工业界早就有利用超疏水处理的例子来进行汽车表面清洁的例子，新开发的亲水处理产品，处理主要解决汽车应用中的四个问题：车身表面防污和自洁；汽车玻璃表面防霜和自洁；汽车玻璃表面防结冰和自洁；自修复喷漆。

    9、六大新兴材料汽车轮胎上的应用

 

    近年来，随着全球轮胎产业的快速发展，其新技术、新工艺、新材料均有所突破。同时，在绿色环保的大趋势下，轮胎制造中使用的传统添加剂，正在被石墨烯、碳纳米管、杜仲胶、蒲公英橡胶、银胶菊橡胶、白炭黑等这些生态环保的材料所逐步取代。

 

    结语

 

    汽车行业的快速发展不仅给我国社会生产等方面带来便捷，而且也带来了诸多问题，面对这些问题，应当以科学的方式对待，最好的解决办法便是研制出质量更轻、强度更强、更加环保的材料来代替传统的钢铁材料，这样就能够有效的减轻车身质量，达到节能减排的效果。

 

2 汽车涂装新材料与新技术的研究进展

 

     涂装是汽车生产的关键环节；涂装材料与技术直接关系到汽车的防腐蚀性、美观性以及使用寿命。在国家高度倡导节能环保技术背景下，汽车涂装新材料与新技术的研发工作，也成为了有效解决汽车涂装行业健康发展的重要问题。本文则就汽车涂装新材料与新技术的进行阐述。

    随着我国汽车生产制造业的迅猛发展，中国汽车涂装材料、涂装工艺也得到了迅速发展。但是，涂装也是汽车制造过程中重要的污染源；在国家高度倡导节能环保技术背景下，汽车涂装新材料与新技术的研发工作，也成为了有效解决汽车涂装行业健康发展的重要问题。目前，“环保、高质、低成本”已经成为当前汽车涂装新材料与新技术的主要发展方向。

 

    常用涂装工艺

 

    汽车本身的涂装工艺属于装饰、保护性多层涂装，是汽车涂装中工序最多、涂装质量要求最高的涂装工艺。

 

    （一）常用的涂装工艺体系

 

    常用的涂装工艺体系按涂层来分可分为二涂层体系（底漆 + 面漆）；三涂层体系（底漆 + 中涂 + 面漆或金属闪光漆 / 罩光清漆）；四涂层体系（底漆+ 中涂 + 面漆 + 罩光清漆，适用于对涂装要求更高的豪华车）。

    一般最常见的是三涂层体系，装饰性要求高的轿车车身、大客车和旅游车车身、载重汽车的驾驶室等一般采用三涂层体系。

    按干燥条件来划分，可分为烘干体系和自干体系。烘干体系适用于大批量流水线生产的汽车涂装；自干体系适用于小批量生产的汽车涂装和大型特种汽车车身涂装。

    大型客车、旅行车车身一般涂装工艺如下：

 

    （二）漆前表面处理工艺

 

    为了获得优质涂层，涂漆前需对被涂物表面进行的前处理工作，均称为漆前表面处理。漆前表面处理是涂装工艺的基础，它对整个涂层的质量有着很大的影响，主要包括表面清理（除油，除锈，除尘等）和磷化处理两个部分。

    表面清理有以下几种方法：

    （1）用热碱液清洗和用有机溶剂擦洗除去油污；在玻璃钢表面先用320-400 目砂纸先打磨，然后用有机溶剂清洗除去脱膜剂；车身表面的黄锈应用磷酸配制的清洗液擦洗，以保证涂层有优良的防腐蚀性，以及涂层与被涂物表面有良好的附着力。

    （2）对经清洗过的被涂金属制件表面进行各种化学处理以提高漆膜的附着力和耐腐蚀性能。对钢板制件进行特种化学处理，以提高漆膜和基材的结合力。

    （3）采用机械方法清除被涂物的机械加工缺陷和创造涂膜所需的粗糙度。

    磷化处理方式有整体喷射和整体浸式。采用薄膜型锌盐快速磷化处理，磷化膜质量 1-3g/m，膜厚 1-2μm，结晶粒度 1-10μm，可采用低温 25-35℃或中温 50-70℃进行磷化。

    （三）涂装

 

    （1）喷涂底漆

 

    底漆涂层是整个涂层的基础，汽车涂层与金属的结合力和防腐蚀主要是靠它来实现。底漆应选用防锈性能强（盐雾≥ 500h），与基材的附着力强（能同时适应多种基材），与中涂或面漆结合力好，涂膜机械性能好（冲击≥ 50cm，韧性≤ 1mm，硬度≥ 0.5）的涂料作为底漆。

    采用空气喷涂的方法（也可选用高压无气喷涂）喷涂底漆，可采用湿碰湿的方法连喷二道，施工粘度 20-30s，每道间隔 5-10min，喷完后闪蒸 5-10min进烘房，底漆干膜厚度 40-50μm。

    （2）刮腻子

 

    刮腻子的目的是消除被涂物的不平整度。腻子应刮在干透的底漆层上，一次涂刮的厚度一般不超过 0.5mm，应采用新型的大面积刮涂腻子法。这种方法腻子易形成大面积平整，在不影响生产进程的前提下，提议每刮一次腻子均应干燥后打磨平整，然后再刮下一次腻子，腻子以刮 2-3 次为好，先厚刮再薄刮，这样可增强腻子层的强度和进一步提高平整度。

    采用机器打磨腻子的方法，砂纸选用 180-240 目。

    （3）喷涂中涂

 

    采用静电喷涂或空气喷涂法，喷涂中涂，能提高涂层的抗石击性，提高与底漆的附着力，改善被涂物表面的平整度和光滑度，以提高面漆的丰满度和鲜映性。

    中涂一般湿碰湿连续喷涂二道，施工粘度 18-24s，每道间隔 5-10min，喷完后闪蒸 5-10min 进烘房，中涂干膜厚度 40-50μm。

    （4）喷面漆

 

    采用静电喷涂或空气喷涂法，喷涂的汽车面漆，能形成耐候性、鲜映性和光泽优良的漆膜。

    汽车涂装新材料与新技术的研究

 

    （一）汽车涂装新材料

 

    （1）电泳 CED 涂料

 

    CED 涂料是目前全球汽车涂装的主要材料；CED 涂装材料在实际应用的过程中，也同样在环保、高质、低成本的发展之下进行着技术革新与研发，于是高泳透力 CED、分层 CED、耐候 CED 等多种涂料也陆续被研发出现。

    首先，高泳透力 CED 涂料。该涂料可在有效保障耐腐性要求的前提下，使阴极电泳涂膜的厚度进一步降低，进行极大地降低了涂料用量，有降低生产成本、减少了挥发性有机化合物排放而达到了环保的目的。

    其次，耐候性 CED 涂料。该涂料可在有效保障耐蚀性要求的前提下，采用了三喷一烘工艺，进一步提高了抗其耐候性。其中，层分离型高耐候性 CED 和丙烯树脂 CED 两种涂料被广泛应用于汽车涂装工艺之中。

    （2）中涂涂料

 

    中涂是传统涂装工艺中较为重要的涂层，该涂层既可以发挥出防石击作用，同时对电泳表面也具有较佳的填充作用；还具有较理想的紫外线隔绝性能以及耐候性，进而发挥出保护电泳漆的作用。但随着高固体分涂料、具有中涂性能的底漆材料的不断研发，中涂涂料也正在被逐步取代。

    （3）面漆涂料

 

    面漆涂料是汽车生产成型过程中的关键环节，其主要涂料有以下几种：

    首先，水性涂料。水性涂料的研发，有效地减少了具有易挥发、易爆、易燃的有机物涂装材料的使用，也降低了对操作工人的身体损害。水性涂料是以水为载体的、无毒水溶性载体的新型涂料。其具有较强的表面张力，易流挂，具有较好的触变性。

    其次，粉末涂料。该涂料是基于水性涂料而研发出来的新型涂料粉末涂料具有无溶剂、无公害的特点；同时，该涂料在涂装过厚、过喷时，其粉末还可以再利用最大程度地降低了成本，提高了其环保性。粉末涂料具有极佳的耐热防腐耐磨耐冲击等特点；同时，其颜色的选择范围也较多，其涂膜耐久性相较其他涂料好因此其未来发展前景较佳。

 

    第三，高固体分涂料。该涂料是在有效降低传统物质的分子质量、黏度，有效提高溶解性，通过交联反应来提升涂层质量的一种新型涂料。该涂料作为新型无溶剂、无污染的绿色环保涂料也在近几年来得以迅速的发展。

    （二）汽车涂装新技术

 

    （1）3C1B 涂装技术

 

    传统汽车涂装工作多采用 4C3B、3C2B 工艺；其环保技术要求欠佳。马自达公司对传统 3C2B 工艺加以了优化；3C1B 则是基于传统 3C2B 基础之上加以科学、合理的简化，将传统 3C2B 的中涂烘干工序减化；在电泳底漆烘干之后，在底涂层上再喷涂面漆层和耐久性较佳的中涂以及着色用的底色涂层，最后再喷涂耐久性的罩光涂层。该涂装工艺与传统涂装工艺相比，降低了 45% 左右的挥发性有机化合物；而整体涂装成本降低了 15% 左右。

    （2）B1 ： B2 工艺

 

    目前被大量应的 B1 : B2 工艺，也是基于 3C2B 和 3C1B 两种工艺基础之上，科学、有效地加以集成简化。B1 : B2 工艺，是将 B1 层替代了原传统中工艺中的中余层功能，并兼顾了漆底层功能；而将 B2 层直接作为了色漆涂层。客观而言 B1 : B2 工艺全面减少了传统工艺中的喷涂过程既降低了设备投资与动能消耗；同时，也使得挥发性有机化合物的最终排放量降了 10% 左右；充分体现了 B1 : B2 工艺的节能减排的作用。另外，由于该工艺是基于 3C2B 和 3C1B 两种工艺，因此，可直接对原有生产线进行直接改装，仅需投入少量资金就可以实现的新型工艺，既节省了资金又提高了环境效益。

    （3）双底涂工艺该工艺

 

    是在底材上喷涂 15 ~ 25μm的 a-Prime 电泳涂料后，再通过湿碰湿 涂 15 ~ 25μm 的 β-Prime 水 性 中 涂150℃下烘干成型。双底涂工艺，去除了底漆打磨和电泳烘干两个工序，使其涂层更具附着力且外观美观；且更具抗石击性和耐蚀性。

    （4）旋杯喷涂技术

 

    该技术是将被涂工件接地作为阳极，而将静电喷枪（旋杯）连接负高压电使其作为阴极；将旋杯通过空气透平驱动，最高转速为 60000r/min 当涂料被送到旋杯时在旋杯旋转运动而产生的离心作用之下，涂料在旋杯内表面伸展成为薄膜并在离心力、强电场的共同作用之下形成带电的细小雾滴，均匀在被喷涂于被涂工件表面；最终形成光滑、丰满、均匀的涂膜。该技术可全面提高涂料利用率，进而降低了生产成本。

    结语

 

    涂装材料与技术直接关系到汽车的防腐蚀性、美观性以及使用寿命。随着汽车产业的不断发展，汽车涂装也由最初的手工涂装逐渐发展成为流水线生产的机械化涂装；其量和质均得以跃变。我国的涂装材料与技术在近几十年内也得到了极大的发展，并在国家高度倡导节能环保技术背景下，也进一步加大了对汽车涂装新材料与新技术的研发工作；尤其是水性涂料的研发，有效地减少了具有易挥发、易爆、易燃的有机物涂装材料的使用，也降低了对操作工人的身体损害。同时环保、高质、低成本已经成为当前汽车涂装新材料与新技术的主要发展方向。目前我国汽车涂装材料与技术的研发虽与国际水平尚有一定的差距，但整体水平均得到了较大的提升；尤其是在汽车涂装的节能环保方面，也得到了极大的提高。但是，我国汽车涂装技术仍需在环保、节能新材料、新技术方面继续努力，为全面的提升、缩短与国际涂装技术的差距而努力。

    （资料来源：知网）

 

3 国内外汽车喷涂工艺最新先进技术一览

 

    汽车车漆涂层寿命来自以下三方面因素制约。60% 来自表面处理，25% 来自涂装施工，15% 来自涂料本身质量。轿车和小型旅行车，表面涂层属于一级装饰精度，具有美丽的外观，光亮如镜或光滑的表面，无细微的杂质、擦伤、裂纹、起皱、起泡及肉眼可见的缺陷，并应有足够的机械强度。底面涂层属于优良保护层，应有优良的防锈性和防腐蚀性，很强的附着力；局部或全部刮涂附着力好、机械强度高的腻子，使用数年也不会出现锈蚀或脱落等现象。汽车喷涂工艺技术日新月异，小编特为您整理出目前喷涂工艺前沿技术，供大家参考。

    NO1.新一代保护涂料LINE-X Ultra

 

    最新一代极具创新力的产品——LINE-X Ultra，不仅可以应用于整车车身的涂装，也可以应用于车辆其他零部件的涂装。作为 LINE-X 防护涂料产品线的一员，不仅拥有人们熟悉的突出的防护性能，LINE-X Ultra 还拥有醒目的平滑纹理、优异的色彩匹配性和紫外线防护能力。该产品专为需要最佳防护性和个性涂装的车主所研制。

    LINE-X Ultra 是一种脂肪组聚脲产品，在保证性能的前提下，可以提供比普通涂料更薄的涂层。喷涂厚度只需 20密尔 （mil），LINE-X Ultra 即可与传统的粉末涂料和工业涂料相媲美。同该公司其他产品一样，LINE-X Ultra 可以应用于钢、铝、玻璃和其他材料表面，在实验室试验中，产品性能较粉末涂料和油漆更耐冲击和磨损，并可以快速修复。

    NO2. 水性涂料的静电喷涂

 

    采用传统溶剂性涂料的机器人静电喷涂为内部充电方式，其涂料利用率可达 90% 以上。采用水性涂料外部充电方式的机器人静电喷涂，利用率约60%，且因为静电爪外伸造成污染较大，无法实施带电内喷（车身内表面喷涂）。如今，水性涂料内部充电方式（弹匣式或注射式，结构复杂）技术不断成熟，涂料利用率可达到 70%，已经有实际使用案例，并可实现静电内喷。

 

    目前，ABB、SAMES、FANUC、HonDAEG 和川崎等几家主流机器人厂家投入了大量精力研究水性涂料内部充电方式。随着科技的进步，尤其是软件、自动化等技术的不断完善和提高，水性涂料机器人静电喷涂的内部充电和外部充电系统将在投资成本、维护性和适应性等方面实现突破和提升，更好地满足现场实际使用；同时不断提升油漆涂着效率、减少涂料损失和清洗时的溶剂耗量，真正做到降低 VOC 的排放，更节能、更环保，实现保护环境、消除或减轻污染的最终目的。

    NO3. 新型热敏涂料随温度变化改变颜色

 

    据英国每日邮报报道，目前英国专家最新视频显示，使用一种热敏反应涂料涂在尼桑 Skyline R33 汽车表面，当倾倒冷水时会使汽车变成橙色。

    反应元素能够悬浮在油漆中的水或者溶剂，必须使用这一原理将微粒散布在整个物体表面，英国康堤汽车公司在汽车表面一层薄漆上涂反应涂料，目前每升该涂料售价为 199 英镑，汽车装饰店对尼桑Skyline R33 汽车喷漆需要 7.5 升。

    这种涂料并不能直接应用于汽车，它们以密封在微型胶囊的形式进行出售，然而由于汽车大量时间暴露在户外紫外光线下，这种涂料仅能持续 4-6 个月。康堤汽车公司指出，购买紫光线添加剂可以保护汽车，延长这种热反应涂料的使用寿命。

    NO4.EcoBell 雾化器升级

 

    在静电喷涂技术领域，Dürr 采用适用于所有油漆类型的新一代高效雾化器EcoBell3 驱动旋杯以及成型空气环的涡轮得到进一步优化。在不同的应用情况下，新涡轮最多可节约压缩空气 40%。新系统的特别之处：升级的部件也同样适用于早前版本 EcoBell2。

    由于压缩空气消耗明显降低，使用新涡轮的 EcoBell3 雾化器可使每个机器人上压缩机的耗电量每年减少多达 3500 千瓦时（高效）或5670千瓦时（最高效），由此可减排二氧化碳 3.3 吨 / 年。通过采用可靠的化学镍表面防护技术，新涡轮能够有效防止电腐蚀，由此延长使用寿命。

    新型雾化器更高效，EcoBell3 雾化器涡轮的压缩空气消耗量明显降低。“高效”和“最高效”涡轮需要的压缩空气和能源更少。在用雾化器的升级套件已准备就绪。

    NO5. 特殊涂料供给系统高效率和灵活性

 

    按照车主喜好，汽车被喷涂上了各种各样的个性化颜色。这种趋势正在流行，同时也要求涂装车间具有灵活的涂料供给系统。为此，杜尔现在首次在美国用EcoSupply P 特殊涂料供给系统装备了一间完整的涂装车间。可清管式系统油漆损耗低，所需冲洗剂消耗量更少，涂料更换时间也很短，这些优势不得不让人折服。

    白车身喷漆颜色越来越多，这不仅涉及到特殊涂料，更关系到小批量涂料。针对这种应用，杜尔使用了标准化、模块化的涂料供给系统 EcoSupply P。采用管道清洗技术的系统不仅适合水性漆，也适合溶剂型漆。

    相比较之前使用的循环管道系统，杜尔可清管系统能明显减少油漆和冲洗剂用量。鉴于特殊涂料领域的油漆价格持续攀升，这是可清管式系统的一大优势。因此，投资特殊涂料供给系统能够非常快速地收回成本。

 

    NO6. 干冰清洗在汽车外饰涂装中的应用

 

    目前，涂装之前的汽车外饰件表面污渍是通过水洗前处理的方式来进行清洗。近几年，艾森曼已经和世界知名汽车零部件制造商合作将干冰清洗代替水洗前处理应用到汽车外饰件的涂装中，此项技术的实施使得涂装车间在节能减排和降低运行成本方面取得了一定进步。将干冰清洗代替水洗前处理应用到汽车外饰件的涂装中，不但可以实现自动化清洗，而且系统运行灵活、设备占地面积小、运行成本低并且不产生废水，可以满足绿色环保的要求。

 

4 自修复涂层材料的研究进展

 

     自修复（Self-repairing）材料是智能材料的一个分支，它模拟生物体损伤自修复的机理，对材料在使用过程中产生的损伤进行自我修复。在众多自修复材料中，能够保护基底并能赋予基底特殊性能的自修复涂层的研究与开发已成为科学界关注的热点，它在导电涂层、防腐涂层、耐刮擦涂层（比如汽车工业、军工行业）等领域有着广泛的应用，尤其是在一些具有苛刻条件，难于维修保养的高尖端领域如航空航天和军事海洋中应用的特种粘接涂层，海洋钻井平台及地下石油管道等防腐涂层等领域都有着迫切的需求。

    目前自修复涂层按修复类型划分主要包括外援型自修复涂层和本征型自修复涂层。外援型自修复涂层是指在涂层基体中通过引入外加组分如含有修复剂体系的微胶囊、碳纳米管、微脉管、玻璃纤维或纳米粒子等实现自修复功能，该方法需将各种修复剂体系预先包埋，然后添加到基体中，材料受损时，在外界刺激（力、pH 值、温度等）作用下导致损伤区域的修复剂释放，从而实现自修复。本征型自修复是不需外加修复体系，而是涂层材料本身含有特殊的化学键或其它物理化学性质如可逆共价键、非共价键、分子扩散等实现自修复功能。该方法不依赖于修复剂，省去了预先修复剂包埋技术等复杂步骤，且对基体性能影响小，但对涂层基体材料分子结构设计是该方法面临的最大挑战，目前已成为研究重点。

    本文总结了近年来自修复涂层领域的最新研究进展，重点综述外援型自修复涂层和本征型自修复涂层体系的种类、机理、应用，对自修复涂层的应用前景进行展望。

    1、 外 援 型自修复涂层

 

    1.1微/纳米胶囊填充型自修复涂层

 

    微胶囊自修复方法是目前自修复涂层领域应用最多的 方 法，2001 年White 等首次报道了微胶囊自修复机理以来，近期得到了科研学者的广泛关注。微 / 纳米胶囊填充型自修复涂层的自修复机理如 Fig.1 所示，将含有修复剂的微 / 纳胶囊预先埋植于聚合物基体或涂层中，当基体或涂层材料受到损伤时（光、热、压力、pH 变化等引发），胶囊破裂并释放修复剂，当修复剂遇到基体或涂层中的催化剂时发生交联固化反应，修复裂纹面，实现损伤部位的自我修复。目前该方法已广泛应用于涂层材料领域。

 

    1.1.1 胶囊化腐蚀抑制剂体系：将腐蚀抑制剂微胶囊化进而作为自修复涂层，其主要是应用于金属防腐涂层领域，该方法避免了因腐蚀抑制毒性大以及可破坏涂层稳定性而不宜直接加入涂层中的缺点。Kumar 等、Mehta 等制备了含不同类型腐蚀抑制剂的微胶囊，探讨了微胶囊的粒径对几种不同涂层体系稳定性的影响，研究了微胶囊破裂时腐蚀抑制剂的释放能力，将含有腐蚀抑制剂微胶囊的涂层涂于钢板上，显示了良好的防腐蚀效果。Zheludkevich 等报道了一种环境友好型微胶囊，以壳聚糖为壁材，绿色缓蚀剂铈离子为芯材，腐蚀环境下pH 变化导致铈离子释放以实现涂层的防腐性能。Koh 等制备了聚氨酯包裹异山梨醇衍生物缓蚀剂的微胶囊，试验显示含微胶囊的涂层具有良好的防腐及自修复功能。Sauvant 等提出了无机成膜腐蚀抑制剂自修复机制，以 MgSO 4 为芯材制备粒径为 10 ～ 240μm 的微胶囊，将其埋植于涂层材料中并涂覆于钢材表面，当腐蚀发生时微胶囊破裂，释放出的 Mg2+在阳极作用下会自动迁移到裂纹处，在一定pH作用下沉积形成Mg （OH） 2 ，封住裂纹。

    1.1.2 胶囊化干性油体系：以干性油为修复剂制备自修复涂层也是目前研究的主要趋势，其机理为微胶囊破裂后释放出来的干性油与空气接触后被氧气氧化形成自修复膜层，目前应用较多的干性油为亚麻籽油和桐油。Suryanarayana等、Behzadnasab 等、Karan 等、Szabó 等、Majdeh 等制备了包含亚麻籽油和亚麻籽油 /CeO 2 的微米级（20 ～ 150μm）脲醛树脂微胶囊，他们分别考察了制备工艺参数如搅拌速率、反应时间等对胶囊形成的影响，考察了微胶囊的添加量对涂层力学性能的影响，实验结果表明微胶囊具有足够的强度，在粘接涂层制备和喷洒过程中可承受一定的剪切力而不被破坏；微胶囊表面粗糙，有利于与粘接涂层和基体界面良好粘接；涂层产生裂纹时微胶囊破裂并释放修复剂，具有良好的自修复和防腐性能。

    Masoumeh 等将包含亚麻籽油的微/ 纳米胶囊加入环氧树脂涂层材料中，胶囊粒径最小的为 450nm，最大的为6μm，研究指出在室温下微胶囊的加入使涂层材料粘接强度和柔性有轻微下降，而在高温下柔性降低较大，涂层对金属展现出良好的自修复性能。Eshaghi等制备了硅烷偶联剂改性的乙烯基纤维素包覆亚麻籽油的微胶囊，胶囊粒径为5 ～ 35μm，重点讨论了硅烷偶联剂与乙烯基纤维素接枝效率，硅烷偶联剂的存在会使微胶囊与水基丙烯酸树脂涂层基体具有良好的界面粘接性能。赵鹏等以桐油为芯材制备了粒径为 1 ～ 50μm的微胶囊，将其应用 150μm 厚的涂层中并涂于马口铁表面，通过分散红指示剂观察涂层具有良好的自修复及防腐蚀性能。

    1.1.3 胶囊化反应性修复剂体系：将修复剂如双环戊二烯（DCPD）、环氧树脂、有机硅系列试剂以及带有特殊官能团的试剂等包覆于微胶囊内，这些试剂具有一定的反应性，从微胶囊中释放出后与催化剂接触或受紫外光、热、氧气等引发将发生聚合反应形成交联结构从而粘接裂纹处，实现自修复。其中以环氧树脂为自修复剂的报道较多，如 Liu等将修复剂为环氧树脂的微胶囊加入到环氧涂层中，涂层采用酰胺类固化剂，一方面固化涂层树脂，另一方面过量的酰胺可与破裂的微胶囊释放出的环氧树脂修复剂聚合实现自修复功能，该涂层材料有较好的自修复性能且对碳钢具有良好的防腐效果。Liao 等以脲醛树脂包覆 E-51 环氧树脂微胶囊为修复体系制备环氧树脂自修复涂层同样显示了良好的自修复效果。含有机硅系列修复剂微胶囊的自修复涂层也有报道，利用修复剂分子链上乙烯基的反应活性，添加一些光敏剂，外力作用下微胶囊破坏时修复剂溢出，在紫外光辐射作用下修复剂可迅速反应实现涂层自修复。Song 等制备了含功能末端的聚二甲硅氧烷修复剂的微胶囊，该体系可在紫外光或太阳光照射下引发聚合实现自修复，具有环境友好性，且可通过光引发实现多次自修复，这是目前首次报道的胶囊型可重复自修复体系。Huang 等制备了以全氟辛基三乙氧基硅烷为修复剂的微胶囊，胶囊粒径在 40 ～ 400μm，电化学实验证实此类修复剂对涂层材料具有良好的自修复性能，且对钢材具有较好的防腐性能，其自修复机理是通过修复剂水解后形成网络结构而实现的。此外他们也制备了聚氨酯（PU）包覆六亚甲基二异氰酸酯的微胶囊，讨论了微胶囊粒径及含量等对涂层自修复性能的影响，他们得出微胶囊粒径在不小于 100μm，微胶囊质量分数不小于 5% 时，涂层才具有良好的自修复及防腐效果。

    1.2微/纳米容器填充型自修复涂层

 

    采用中空微纳米球或介孔微球等微纳米容器负载腐蚀抑制剂应用于自修复防腐涂层领域的报道较多。

    如 采 用 层 层 组 装 方 法， 以 纳 米SiO 2 、高岭土或多孔纳米 TiO 2 粒子为核心，外层沉积包含腐蚀抑制剂苯并三唑（BTA）的多层聚合电解质的纳米活性单元，制备金属防腐涂层，当腐蚀发生时，pH 的变化（化学腐蚀过程大都伴随着 pH 的变化）引起活性单元聚电解质层的结构和渗透性改变，释放出腐蚀抑制剂，在金属表面形成吸附层，使金属表面钝化，有效地阻止了金属的腐蚀。Fu 等制备了负载防腐剂咖啡因分子的 SiO 2 微球，并在其表面修饰具有 pH敏感性的二茂铁酸葫芦脲，从而实现腐蚀剂在不同酸碱条件下的可控释放，将其应用于铝合金表面防腐涂层中，具有良好的自修复效果。Zhao 等制备了表面具有开孔的中空树莓型聚苯乙烯亚微米球，微球内负载缓蚀剂 BTA，该微胶囊的表面孔洞在酸碱条件下打开，在中性条件下闭合，从而实现了 BTA 的可控释放。将该亚微米胶囊应用于聚氨酯防腐涂层中并应用于铜金属表面展现了良好的防腐功能。Li 等制备了硅 / 聚合物双壁混合纳米管容器，多孔硅作为容器内壁，聚合物层作为外壁，可选择不同的聚合物外层来实现芯材的可控释放，他们分别制备了具有 pH 值敏感性、温度敏感性和具有氧化还原响应性的硅 / 聚合物双壁纳米容器，在纳米管容器内负载腐蚀抑制剂苯并三唑，制备自修复涂层展现了良好的自修复功能。Ｒ ahimi等制备了有机硅纳米容器，内含 2- 巯基苯并噻唑（MBT）或 2- 巯基苯并咪唑（MBI）两种腐蚀抑制剂与 α- 环糊精（α-CD）混合物，MBT或MBI与α-CD之间当遇到潮湿环境时可形成氢键，从而起到自修复作用，将该纳米容器应用于铝表面涂层中研究了其防腐和自修复性能，效果显著。

    Borisova等以介孔二氧化硅为容器，容器内负载腐蚀抑制剂，考察了纳米容器尺寸对涂层自修复性能的影响。最近Chen 等报道了一种可紫外光控制释放的介孔二氧化硅纳米容器，容器内填充腐蚀抑制剂苯并三唑，二氧化硅表面介孔结构可通过引入偶氮苯官能团，该类官能团可在紫外光照射下改变其化学结构从而实现介孔的打开与关闭，通过这种方式不仅可控制防腐剂的释放量，还可实现涂层的多次自修复。

    1.3形状记忆纤维丝/聚合物自修复涂层

 

    形状记忆纤维是具有形状记忆效应的金属合金或聚合物，该物质在外力作用下产生变形后，将其加热到一定温度即可恢复原始形状。如将形状记忆聚合物纤维与热塑性颗粒一起埋植于环氧树脂材料内，其中的形状记忆纤维作为自修复体系的骨架结构，热塑性树脂作为修复剂。材料产生裂纹时，对损伤处加热至形状记忆纤维的玻璃化转变温度以上，预先经过拉伸的纤维丝会因形状记忆效应产生收缩，在收缩力的作用下拉动基体材料使裂纹闭合，同时，热塑性树脂颗粒被加热到熔融温度后开始流动，对裂纹进行填补，最终实现自修复。哈尔滨工业大学冷劲松课题组也先后研究了大量的形状记忆聚合物，其中以形状记忆环氧聚合物（SMEP）为基体，以热塑性的聚己内酯（PCL）为修复剂制备了具有自修复功能的形状记忆聚合物，该类聚合物可对损伤处实现 3 次循环修复，修复效率最大可达 67.87%，具有较大的应用价值。

    2、本征型自修复涂层

 

    本征型自修复涂层是指涂层材料本身含有特殊的化学键或官能团，其在发生破坏后通过化学键的重组、官能团的反应或物理作用等实现自修复。与外援型自修复涂层相比，该方法因没有外加物质如微胶囊、微容器等，因此对涂层材料基体的力学性能等不会产生较大影响，但因涉及到对涂层基体材料的改性等，因此在制备难度上要高于外援型自修复体系。

    2.1紫外光引发自修复涂层

 

    Ghosh 等制备了一种具有自修复功能的聚氨酯涂层，自修复机理如 Fig.2所示。涂层中的聚氨酯网络结构中含有壳聚糖和氧杂环丁烷结构，当涂层表面受刮擦后，氧杂环丁烷的环状结构断裂，暴露出可产生化学反应的 2 个末端，当有紫外光照射时，涂层中壳聚糖与氧杂环丁烷暴露的末端相互吸引并结合在一起修复环状结构，从而实现涂层损伤处的自我修复。超分子聚合物是一种可在紫外光引发作用下实现自修复功能的材料。Coulibaly 等制备了一种超分子聚合物，这种材料由带有遥爪结构的短链高分子与金属配体（锌或镧）通过螯合而成，金属配体与低相对分子质量高聚物之间以非共价键（离子键）连接。当紫外光照射时，金属配体吸收的能量转变成热量，非共价键破坏，金属配体会暂时脱离高分子，于是聚合物相对分子质量下降，黏度下降，成为可流动状态。当材料产生裂纹或损伤时，在损伤区域进行紫外光照后，可流动状态的分子便可填补损伤区域实现自我修复。实验中在一块 400μm 厚的塑料涂层上划出了一道 200μm 米深的刮痕。在紫外光下照射 2 次，每次 3OS 后，刮痕均能被很好修复，修复效率可达到100%±36%。Wang 等 研 发 了 以 CuCl 2作催化剂，紫外光引发自修复功能的聚二甲基硅氧烷 - 聚氨酯（PDMS-PU Ｒ）和聚乙二醇 - 聚氨酯（PEG-PU Ｒ）网络结构。自修复是通过紫外光照射引发超分子或共价键的重组和构象的变化来实现。

 

    2.2热可逆交联自修复涂层

 

    热可逆交联自修复涂层主要是依靠涂层基体中含有可发生 Diels-Alder 可逆交联反应的特征官能团物质，通过 D-A可逆反应实现涂层自修复，D-A 可逆反应机理如 Fig.3 所示。

    Wouters 等采用自由基共聚法制备了呋喃甲基丙烯酸酯（FMA）与甲基丙烯酸丁酯（BMA）的共聚物，可通过调节 FMA 与 BMA 比例来调整共聚物的功能性（硬度、弹性模量、交联密度）及玻璃化转变温度，用此共聚物与双马酰亚胺聚合制备一种粉末，将该粉末应用于铝材表面制备自修复粉末涂层，将粉末涂层加热到 175℃形成聚合物膜层，冷却到室温下使用，当涂层被刮擦产生破坏时，将聚合物膜重新加热到175℃，膜层重新流动，30s 即能将损伤区域修复。可实现多次修复且对基体性能无影响。Pratama 等制备了基于 D-A反应的自修复热固性树脂涂层，他们将可发生 D-A 反应的单体马来酰亚胺进行微胶囊化，将另一种可发生 D-A 反应的单体二呋喃引入涂层基体中制备呋喃功能化的环氧树脂涂层。实验结果表明添加粒径为 185μm 的 10% 的微胶囊的涂层的自修复效率可达 71%。Postiglione 等制备了三功能和二功能基呋喃树脂与双马来酰亚胺自修复涂层体系，该体系在 50℃时发生 D-A 反应，120℃时发生逆 D-A 反应，并通过在涂层基体中加入增塑剂苯甲醇提高自修复性能，实验结果表明该涂层体系可实现48% 的力学强度恢复。

 

    2.3层层组装自修复聚合物膜

 

    层层组装自修复聚合物膜是基于分子间非共价力 1 引入多种类型官能团，调控涂膜力学性能及自修复性能。Andreeva 等制 备 了 一 种含 修 复 剂 型的 层 层 组 装自 修 复 膜，他 们 将 抗 腐蚀 剂 8- 羟基 喹 啉 组 装进入聚合物膜层中，当涂层受到损伤后，通过聚合物链段的运动和抗腐蚀剂的溢出实现对层层组装聚合物膜的自修复，并且具有良好的抗腐蚀性能。吉林大学的孙俊奇课题组采用指数增长的层层自组装方法构建了支化聚乙烯基亚胺（bPEI）/ 聚丙烯酸（PAA）聚电解质涂层，该涂层可对宽度为 50μm 的划痕在 10s 内完成自修复，自修复只需将涂层浸泡在水中或在刮擦表面喷水即可实现，同时，（bPEI/PAA）*30 膜可在同一位置上实现多次划痕自修复，其自修复机理为，在膜层制备过程中，可调控bPEI/PAA 膜中聚合物链在膜中的穿插，所制备的膜层在空气中稳定，而在水中或潮湿环境下聚合物链能够发生流动或溶胀，从而修复损伤区域。胡小霞等采用层层组装技术制备了聚氨酯 / 羧甲基纤维素钠（PU/CMC）多层膜，该膜层具有自修复能力。他们同时又在膜层结构中引入第 3 种聚电解质聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA），所制备的 PDDA（CMC/PU）n 膜表现出增强的自修复效果，在生理盐水中浸泡数秒内，便可对宽为 20 ～ 30μm 的划痕进行自修复。

    3、结论

 

    自修复涂层领域的研究在近 10 年来得到了突飞猛进的发展，当前和以后一段时间内的研究重点是原有自修复体系的优化，新的自修复机理的发现，可循环自修复材料的设计及自修复涂层材料的构建与应用。该领域的研究涉及化学、材料学、力学等多学科交叉，需要更多的科研爱好者投入其中，相信自修复技术会有广阔的应用前景。

    （资料来源：知网）

 

5 热喷涂汽车发动机气缸内壁涂层的研究进展

 

    为了达到越来越苛刻的内燃机排放标准，减轻车身重量以降低燃油消耗是近年来车辆行业的重要发展方向之一。采用热喷涂方法在铝合金或铸铁气缸内壁喷涂减摩、耐磨并耐腐蚀的涂层代替传统铸铁缸套具有广阔的应用前景。首先介绍制备气缸内壁涂层的工艺流程，主要阐述现有制备气缸涂层的超音速火焰喷涂、电弧喷涂、大气等离子喷涂和等离子转移弧线材喷涂等工艺的原理，对不同热喷涂工艺特点进行了总结，阐明不同热喷涂方法获得的涂层结构特点。通过列举国内外车辆制造商先进热喷涂涂层的应用实例，进一步分析各类涂层的优缺点。最后提出优化喷涂参数、开发新型喷涂材料、控制涂层内应力和应对未来生物燃料是汽车气缸涂层的下一步研究方向。

    当前，汽车轻量化成为车辆制造业的发展趋势之一。在发动机零部件中，气缸是最重的零件，约占发动机总质量的 25% ~ 33%。最初，气缸都是由铸铁制造而成。随后，为了减轻发动机重量，铝硅合金气缸被用来替代传统铸铁气缸。然而，铝硅合金材料的耐磨性能较差，导致气缸体内壁易磨损失效，因此，采取了在铝硅合金缸体内镶嵌铸铁缸套以提高其耐磨性的解决办法，但灰铸铁缸套导热性差，且与铝硅合金热膨胀系数有差异，在工作过程中会因为受热不均而导致缸套发生变形，再加上镶嵌带来的不稳定性，所以这种方法仍不够理想。近年来，在气缸内壁喷涂耐磨涂层替代铸铁缸套，成为实现整车轻量化的一条重要途径。新型涂层具有耐磨和减摩的特点，导热性和稳定性也更好，因此不仅能减轻发动机重量，更能提高发动机燃油效率。

    热喷涂是利用某种热源（如电弧、等离子弧和燃烧火焰等）将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，然后借助雾化气流将熔滴雾化以一定速度喷射到工件表面的技术，它在不改变基体本身性能的情况下，使其表面具有耐磨、耐热和耐腐蚀等多种性能。喷涂方式按照热源可分为超音速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等。本文从汽车发动机气缸内壁涂层的制备工艺方法出发，探讨不同热喷涂方式的制备工艺及所得涂层结构与性能，分析国内外各大车辆制造商热喷涂气缸内壁涂层的应用与研究现状，并对这类涂层的下一步研究提出几点展望性建议。

 

    1、气缸套喷涂前处理

 

    图 1 为气缸内壁涂层的制造工序。在喷涂前，需采用镗孔、钻孔、珩磨等方式将气缸孔直径适当扩大以容纳涂层，然后对气缸壁进行清洗以去除表面油污及加工残留物。表面清洁度对涂层与基体的结合强度有重要影响，因此必须保证待喷涂表面的清洁。喷涂前须对基体表面进行预处理，可分为净化和粗化两类，前者是指去除基体表面的油污渍和氧化物等，后者是指改善基体表面的粗糙度以增强涂层与基体之间的结合强度。

图 1 内壁涂层制备工序

 

    处理基材表面以改善涂层与基材的结合强度是进行热喷涂处理的第一个关键工序。目前普遍使用的表面粗化技术有很多，包括喷砂处理、高压水射流处理技术、机械粗加工技术、激光表面前处理等。下文对制备气缸套内壁涂层的不同热喷涂工艺原理、涂层特点和相关进展进行逐一综述。

    2、气缸内壁涂层的热喷涂沉积技术

 

    2.1超音速火焰喷涂

 

    20 世纪 80 年代，超音速火焰喷涂（HVOF）工艺研发成功。HVOF 将粉末、丝材或棒材送入超音速的高温焰流中，加热熔融后并喷射到基材形成涂层。一般情况下，焰流速度可达到 5 马赫（1500m/s）以上，熔融颗粒在火焰中可被加速到 300 ～ 700m/s，甚至更高。

    超音速火焰喷涂粒子的温度低、飞行速度快，因此涂层的结合强度高、孔隙率更低。HVOF 工艺可以喷涂各种硬质合金材料，包括纳米结构粉末。Manzat等采用超音速火焰喷涂（HVOF）和超音速悬浮液火焰喷涂（HVSFS）方式，分别在气缸内壁制备出金属和陶瓷涂层，涂层表面具有大量直径为0.2～1.0μm的贯通孔隙，这些孔隙能够储油，形成微负压室并实现液态润滑。Johansson等也用 HVOF 和 HVSFS 方式制备出铁合金、Cr 3 C 2 /NiCr、80%TiO 2 -20%TiC 和铁基复合材料（MMC）涂层，研究结果和 Manzat 等基本一致，该涂层的磨损量显著低于铸铁缸套的磨损量，其中Cr 3 C 2 /NiCr 和 MMC 涂层的磨损量低于80%TiO 2 -20%TiC。

    超音速火焰喷涂制备的涂层还具有结合强度高的特点，毛俊元等通过HVOF 方法在球墨铸铁气缸套内壁上制备 NiCrBSi 合金涂层，涂层的结合强度达到 128.8MPa。此外，NiCrBSi 涂层在常温和高温下均具有良好的耐磨耐腐蚀性，由于燃料中含有硫元素，会在气缸壁生成硫酸，在表面形成硫酸腐蚀。实验采用30%（质量分数）稀硫酸和8%（质量分数）稀盐酸作为腐蚀剂，将喷涂好的涂层浸泡在腐蚀剂中一个月，通过光谱分析涂层浸泡前后的化学成分，发现涂层化学成分变化十分小。如将该涂层应用在气缸套上，能增大气缸套的耐腐蚀性能，延长气缸套的使用寿命。

    Edrisy等针对低碳钢气缸内壁涂层，分别探讨了涂层在销盘摩擦中和在实际使用中的耐磨性以及拉缸损坏情况。结果表明，铝合金气缸内壁的低碳钢涂层在实验室磨损测试条件下展现出很好的耐磨性。在实际应用中，气缸壁磨损最严重的地方发生在最大推力面处，在燃烧动力冲程循环过程中，由于施加较大的负载，导致在涂层下面产生单一方向的塑性变形层，剥离是磨损的主要形式。

    2.2电弧喷涂

 

    电弧喷涂是利用两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并迅速喷射到基材表面形成涂层。电弧喷涂因易操作、效率高、对工件热影响小、涂层性能优异、适用范围广及经济安全等特点而得到迅速发展，到 20 世纪末，电弧喷涂的应用占所有热喷涂的 15%，市场比例位居第 3 位。目前，国外使用电弧喷涂制备气缸内壁涂层的报道并不多，而国内学者做了较多的工作。

    李 增 荣、 吴 比 等 设 计 并 制 造 的XDP-5 型内孔电弧喷涂设备，解决了发动机气缸内壁难以喷涂的问题。他们选用铁基合金金属丝材制备铝制缸体内壁减摩涂层以代替铸铁缸套，涂层由扁平粒子堆积而成，在颗粒边界还存在一些孔隙和带状金属氧化物。摩擦磨损结果表明，涂层孔隙结构的储油效应和表面氧化物起到明显降低摩擦系数的作用，提高了涂层的耐磨性。

    Kim 等采用双丝电弧喷涂（TWAS）在铝合金气缸套内壁制备 FeO 涂层，研究珩磨工艺对内壁涂层的影响。两种珩磨的气缸内壁涂层分别是 40°珩磨角的光滑层（SH）和 140°珩磨角的螺纹结构珩磨层（HSH），如图 2 所示。在干摩条件下，由于 HSH 的珩磨槽更大，可以留住磨粒因而避免磨粒磨损，所以 HSH 层的摩擦系数更低。在润滑条件下，由于 SH 层的表面更加光滑，因此具有较低的摩擦系数。综合来讲，采用TWAS 工艺制备的气缸内壁涂层即使在恶劣的发动机工作条件下，仍可以展现优异的摩擦性能。

 

    采用电弧喷涂技术也可对气缸套进行修复。吉荣廷等采用电弧喷涂对内燃机缸套内表面进行修复，恢复缸套的尺寸，修复成本仅为新缸套的 1/3，而修复好的缸套的使用寿命可以达到原缸套的 3 倍。因此，无论从经济效益还是社会效益来看，电弧喷涂工艺修复内燃机缸套都是一种理想的方法。曾志龙、徐亮等针对大型船舶柴油机气缸套腐蚀磨损失效情况，采用高速电弧喷涂和亚音速火焰喷涂工艺，对失效气缸套进行再制造并进行摩擦磨损实验。研究表明，在实际运行工况下，电弧喷涂的3Cr13 涂层表现出的性能优于火焰喷涂的 NiCr-Cr 3 C 2 涂层，且电弧喷涂成本较低，该技术有望在气缸套再制造中得到应用。

    2.3大气等离子喷涂

 

    大气等离子喷涂（APS）通过放电生成的热等离子（15000K）将粉末材料熔化并喷射到基体表面形成涂层。这种工艺适合喷涂各种熔点高的粉末材料，尤其是复合材料和陶瓷材料。20 世纪90 年代初，Sulzer Metco 公司（OerlikonMetco 前身）开发了“RotaPlasma”旋转式 APS 喷涂设备，至今仍被很多制造商用于喷涂发动机气缸内壁涂层。在过去几年中，APS 技术不断改进发展，有关APS 内孔涂层工艺和材料选择的进展已有很多外文文献报道。

    在原始粉末中加入其他元素可以有效提高 APS 涂层的综合使用性能。Uozato 等研究了 APS 喷涂铁基合金粉（Fe-C-Ni-Cr-Cu-V-B）中添加不同含量 Ni 粉所得柴油机气缸内壁涂层的耐磨耐腐蚀性并与常用铸铁缸套进行比较。摩擦实验结果表明，铁基涂层的磨痕深度最大值小于铸铁缸套磨痕深度的一半，并且摩擦对偶销的磨损深度也低于铸铁缸套对偶销。在实际应用中，不仅要保证气缸内壁耐磨，同时要减少对活塞环的磨损，采用这种涂层可增加活塞环的使用寿命。在原始铁基粉中加入质量分数 4% ~ 14% 的 Ni 粉以后，涂层在硫酸溶液中的耐腐蚀性随 Ni 含量增加而提高，且远远优于铸铁材料，但与此同时，在油润滑下涂层的耐磨性随 Ni含量的增加而降低，这主要由于 Ni 的添加降低了涂层硬度。因此，合适的 Ni含量，将有助于平衡涂层的耐磨性和耐蚀性。

    APS 焰流速度高，粉末颗粒速度快，喷涂时采用 Ar 等惰性气体，因此所得涂层的致密度和结合强度都很高，且涂层的氧化物和杂质含量少。Kim 等采用 APS 工艺在铝合金基体上分别喷涂了水雾化得到的铸铁（Fe-3.75C-3.6Si-3.93Al）粉末和经过退火预处理含有石墨结构的铸铁粉，获得涂层 C1 和 C2。浸泡腐蚀结果表明，涂层的耐蚀性主要取决于孔隙率，两种涂层的孔隙率均较低，分别为 4.33% 和 3.4%。C1 涂层表面和截面形貌都有明显改变，存在显著的点蚀现象，而在含有石墨结构的涂层中存在混合的碳化物相和片状石墨，提高了涂层的耐腐蚀性。石墨层的存在对于气缸内壁还可以起到自润滑的作用，提高了涂层的耐磨性。

    刘明等研究了内孔等离子喷涂Ni45-15%Mo 涂层与 38CrMoAl 渗氮层的耐磨性。在边界润滑条件下，涂层表面产生的 MoS 2 和 MoO 2 具有良好的减摩性，对提高涂层的耐磨性起到关键性作用，同时，涂层对偶件的损伤明显小于渗氮层对偶件。在实际内孔等离子喷涂过程中，缸套内壁温度高，烟尘污染严重，为了解决这些问题，王海军等人开发设计了一种具有排尘、防尘和冷却功能的内孔等离子喷涂装置，对使用前后涂层的性能进行了分析，研究发现，使用该装置可以明显降低涂层的缺陷，为制备性能优越的减摩耐磨气缸壁涂层提供了条件。

    大气等离子喷涂陶瓷缸套内壁涂层具有较低的摩擦系数和优良的耐蚀、耐高温特性。毛俊元等采用等离子喷涂制备 Al 2 O 3 -13%TiO 2 复合陶瓷纳米涂层，它具有陶瓷的高硬度、刚度和高温下极好的化学稳定性，将这种材料喷涂在金属基体表面，在一定程度上能克服陶瓷本身韧性、塑性、导热性差的缺点。李福村等也采用等离子喷涂技术，在缸套内壁制备了耐高温、耐磨损的 Al 2 O 3 -13%TiO 2 陶瓷涂层，以增强缸套的寿命。涂层磨损机理是切削和脆性断裂或脱落磨损，其耐磨性、结合强度和抗震性等符合缸套的工作环境。Skopp 等研究了混合边界润滑条件下 APS 喷涂低价氧化钛涂层的摩擦特性，摩擦实验选用了不同种类的活塞环对偶涂层，结果表明，TiOx 涂层的耐磨性能优于灰铸铁缸套。

    同 时， 实 验 还 发 现， 在 酯 类 润滑条件下，涂层的摩擦系数减少了10% ~ 20%，在甘醇类润滑条件下，涂层的摩擦系数从 0.12 降到 0.04 ~ 0.06。衡量一种涂层摩擦性能的两个重要指标分别是硬度和摩擦系数，这种氧化钛陶瓷涂层的硬度约为 650HV0.2，在耐磨领域具有明显的优势。

    2.4 等离子转移弧线材喷涂

 

    等离子转移弧（PTA）与非转移弧的区别是，非转移型等离子弧的钨级接负极而喷嘴接正极，转移型等离子弧的钨级接负极而工件接正极，后者使等离子弧在钨级和工件之间产生。实际工作中，首先要用喷嘴接正极产生等离子弧来引弧， 然后工件接正极把弧引出去。等离子转移弧线材喷涂（PTWA）工艺可以喷涂几乎所有材质的实芯或药芯焊丝，对材料的要求是所喷涂的焊丝材料必须导电。

    电弧电流强度对 PTWA 喷涂涂层的结构有较大影响。Darut 等研究了不同电流强度对等离子转移弧喷涂高碳钢气缸套内壁涂层的结构与成分的影响，实验所用的电流分别为 85A 和 150A。通过对比涂层的孔隙率发现，当电弧电流从85A 增强到 150A 时，涂层从顶部到底端的孔隙率增加显著。实验还发现，涂层中间部位的氧化物含量最高，因为在喷涂中间过程中，系统的热量不易扩散且通风性较差，因而导致涂层氧化严重。Schramm 等采用 PTWA 工艺在发动机气缸内壁喷涂铁基合金涂层，添加 Al、Cr 合金元素可以提高涂层的耐磨耐腐蚀性。摩擦实验选用线性往复摩擦试验机表征气缸壁和活塞环间的摩擦行为，实验对比了三种材料（氮化钢、类金刚石（DLC）涂层、氮化铬铝涂层）的活塞环，以寻求最佳涂层组合。与灰铸铁缸套相比，高铬、铝含量的铁基材料 PTWA 涂层与 CrAlN 涂层活塞环间的平均摩擦系数可从 0.11 降到 0.066，表现出很大的减摩潜力，该涂层与活塞环组合应用于发动机将更经济、环保。

    Rabiei 等研究发现，采用 HVOF 和PTWA 喷涂铁基丝材时，涂层中 α-Fe扁平粒子之间会存在一层厚度超过 100nm 的非晶氧化物薄膜，为了研究该氧化层所起的作用，实验利用楔形物在光滑涂层表面加载促使该涂层产生裂纹，加载后涂层截面如图 3 所示（箭头标记地方是裂纹形成的地方），可以看出加压后裂纹主要在非晶氧化层处形成。从断裂韧性测试结果来看，该氧化层和α-Fe 颗粒之间的结合很差，导致局部断裂韧性只有 0.2 ～ 1MPa·m 1/2 。因此，有效地抑制该非晶氧化物薄膜层的形成，将有助于提高涂层的耐用性。

 

    Edrisy 等研究了 PTWA 工艺在铝合金表面喷涂低碳钢涂层的干摩擦特性，发现在低速高负载摩擦条件下，由于涂层中不锈钢扁平粒子断裂分层严重，涂层的磨损率最高；当速度提高、加载减小时，涂层表面生成氧化物含量较高的摩擦层，该摩擦层能够保护下面涂层免于被磨损。该课题组又研究了湿度对PTWA 喷涂低碳钢涂层的摩擦磨损性能的影响，研究结果表明，在低速低负载条件下，涂层表面主要发生氧化磨损。当环境湿度增加时，磨抛变得更加活跃，涂层的磨损率降低。若在此基础上增加负载，扁平粒子的塑性变形严重，继而发生断裂和破碎。

    3、气缸套内壁涂层的后处理

 

    后处理对发动机气缸内壁涂层的性能影响非常重要。通常采用金刚石砂条对涂层进行珩磨，珩磨后形成的微观支撑平台和珩磨网纹的夹角是保 证 良 好 润 滑 的 关键。 珩磨好的内壁涂层可以提高气缸的注入和燃烧压力，降低摩擦系数，减少磨损量，提高耐腐蚀性等。表 1 给出了涂层珩磨后推荐的粗糙度值。另外，APS 涂层和普通灰铸铁珩磨的一个显著区别是：珩磨后涂层表面无珩磨特有的带有可见交叉网纹模式，而是具有开放孔隙的光滑珩磨面。与凸台形铸铁珩磨表面相比，多孔隙的存油结构不会像交叉条纹结构那样被磨掉，而会随着磨损不断打开新的孔隙。因此，采用涂层结构的气缸内壁可以降低机油消耗率并且提高气缸的使用寿命。

 

    国内汽车行业的珩磨内燃机气缸孔最早采用手动珩磨技术，随着技术的发展，近几年来滑动珩磨和平顶珩磨逐渐走向主流。国外先进的汽车、船舶企业已经开始推进更先进的珩磨手段，比如激光珩磨、超声振动珩磨、螺旋滑动珩磨、电解珩磨等。徐启圣等通过对以上几种珩磨加工工艺方法的对比发现，激光珩磨是缸套工作表面储油结构的新型加工方法。虽然激光珩磨的成本较高，但它具有其他方法无法比拟的优点，其创新之处是激光珩磨对内壁表面具有激光淬火的作用，将珩磨与激光表面局部硬化有机结合，产生珩磨强化复合效果。如将这种珩磨方法用于内壁涂层上，不仅可以起到珩磨的作用，同时高能量密度的激光束还可以起到激光重熔的效果，最终达到降低涂层孔隙率、减少涂层内部残余应力、优化涂层组织和提高涂层与基体间结合强度的多重效果。

 

    4、气缸内壁热喷涂涂层的应用现状

 

    表2归纳了制备气缸内壁涂层的几种常用热喷涂工艺特点，越来越多的汽车制造商开始采用热喷涂技术制备和修复气缸。

 

    Metco 公司自 20 世纪 90 年代开始研发气缸内壁涂层，大众汽车在 2002年引入了该公司的粉末等离子喷涂工艺，并成功应用于小型客车。Metco 在2013 年推出了一种用于柴油机节能减排的 SUME Bore 粉基涂层，该技术采用APS 工艺喷涂得到的涂层显著降低了摩擦力和机油消耗，有助于柴油机排放达到标准，现已投入重型柴油机汽车的批量生产。纽约长岛的火焰喷涂企业（FSI）和 Ford 汽车公司联合研发的等离子转移弧线材（PTWA）喷涂工艺应用于2011 年生产的野马 V8 5.4 型铝合金气缸，新款发动机与采用铸铁缸体的 2010款 GT500 V8 发动机相比质量减轻了46kg。Daimler-Benz 公司的双线弧法已经相对成熟，2005 年以来，该公司开始在 AMG 发动机上应用双丝电弧喷涂工艺，最近将这一技术大规模应用于奔驰柴油发动机车上，熔融的颗粒以超细纳米晶形式沉积到铝合金缸壁表面，因此赋予它更时髦的名字——NANOSLIDE 纳米级缸壁涂层技术。经珩磨后，涂层的最终厚度只有 0.1 ~ 0.15mm，气缸的机械摩擦损失比传统铸铁缸套降低 50%，同时具备非常高的耐磨性。

    福 特 汽 车 于 2015 年 宣 布， 利 用PTWA 技术可以让废旧发动机“重获新生”。通过 PTWA 工艺对失效发动机进行修复，可以减轻对环境的污染。与新发动机相比，其二氧化碳排放量甚至降低了 50%，同时经过加工的发动机缸体在性能等方面的表现不逊色于全新发动机。通用（GM）公司的超音速火焰喷涂（HVOF）也得到了推广与应用，该工艺方法具有能量密度高、粒子速度快等优点，尤其适合喷涂易发生氧化的材料，在耐蚀性涂层的制备上具有很大的应用前景。

    尽管热喷涂在制备气缸内壁涂层方面有诸多优势并得到部分应用，但热喷涂方法也存在一定缺点，如设备成本高、工作环境差、粉尘污染严重、涂层在服役过程中性能不稳定、难以制备厚度较厚的涂层等。这些实际问题仍需进行深入研究。随着设备、材料以及工艺的不断进步，热喷涂技术在制备气缸涂层领域将会得到进一步的发展和完善。

    5、总结与展望

 

    汽车轻量化成为汽车行业的一种发展趋势，研究开发可靠的气缸内壁涂层来取代铝合金气缸体内镶嵌的铸铁缸套成为一种趋势。近年来，国外学者和汽车制造商采用热喷涂技术制备气缸内壁涂层取得了重要成果。我国对于先进热喷涂技术的研究也有不少进展，但与国际先进水平还有一定差距，针对采用热喷涂制备气缸内壁涂层的后续研究与开发，可以在以下四点开展进一步的研发工作：

    （1）优化喷涂工艺参数，通过对涂层中孔隙和生成的具有自润滑性的FeO 和 Fe 3 O 4 等氧化物的调控，来改善涂层的储油能力和润滑特性。

    （2）扩大材料的研究种类，寻求最佳的活塞环和气缸内壁的涂层组合，例如在活塞环表面喷涂一层纳米结构的金属陶瓷，可以使活塞环与气缸内壁在长时间的对磨中保持良好的润滑状态。

    （3）控制涂层应力，通过有效的前处理、优化的沉积工艺和适当的后处理以增强涂层与基体以及涂层颗粒间的结合强度。

    （4）面对能源紧缺和生物燃料逐渐推广的实际问题，对气缸内壁涂层越来越重要的要求是提高相容性和耐腐蚀性，这一方面的工作值得重视。

 

    （资料来源：知网）

 

6 镁合金表面处理国内外研究应用现状

 

    镁是金属结构材料中最轻的一种纯镁的力学性能很差。但镁合金因体积质量小、比强度高、加工性能好、电磁屏蔽性好、具有良好的减振及导电、导热性能而备受关注。镁合金从早期被用于航天航空工业到目前在汽车材料、光学仪器、电子电信、军工工业等方面的应用有了很大发展。但是镁的化学稳定性低、电极电位很负、镁合金的耐磨性、硬度及耐高温性能也较差。在某种程度上又制约了镁合金材料的广泛应用，因此，如何提高镁合金的强度、硬度、耐磨、耐热及耐腐蚀等综合性能，进行适当的表面强化，已成为当今材料发展的重要课题。

 

    镁合金是最轻的金属结构材料之一，密度仅为 1.3g/cm 3 ～ 1.9g/cm 3 ，约为 Al 的 2/3，Fe 的 1/4。镁合金具有比强度高，比刚度高，减震性、导电性、导热性好、电磁屏蔽性和尺寸稳定性好，易回收等优点。以质轻和综合性能优良而被称为 21 世纪最有发展潜力的绿色材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、电子通讯等各个领域。但是镁合金的化学和电化学活性较高，严重制约了镁合金的应用，采用适当的表面处理能够提高镁合金的耐蚀性。

    1、微弧氧化处理

 

    微弧氧化技术又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，实质上是一种高压的阳极氧化，是一种新型的金属表面处理技术。该工艺是在适当的脉冲电参数和电解液条件下，使阳极表面产生微区等离子弧光放电现象，阳极上原有的氧化物瞬间熔化，同时又受电解液冷却作用，进而在金属表面原位生长出陶瓷质氧化膜的过程。与普通阳极氧化膜相比 , 这种膜的空隙率大大降低 , 从而使耐蚀性和耐磨性有了较大提高。目前，微弧氧化技术主要应用于 Al、Mg、Ti 等有色金属或其合金的表面处理中。镁合金微弧氧化技术所形成的氧化膜主要由 MgO和 MgAl 2 O 4 尖晶石相组成，总膜厚可达100Lm 以上，具有明显的三层结构 : 外部的疏松层、中间的致密层和内部的结合层。致密层最终占总膜厚的 90%, 与基体形成微区冶金结合。疏松层中存在许多孔洞及其它缺陷，其物理、化学特性与微弧氧化处理时电参量的选择、电解液的配方以及样品自身的特性有关。与普通的阳极氧化膜相比，微弧氧化膜的空隙小，空隙率低，与基质结合紧密，且在耐蚀、耐磨性能等方面得到了很大的提高。微弧氧化技术生成的膜层综合性能优良，与基体结合牢固，且工艺简单，对环境污染小，目前对其生长规律、生长机理和影响因素等已经有了较为深入的研究，在工业上得到了一定的应用，是一种具有发展潜力的镁合金表面处理技术。

    2、化学转化

 

    化学转化是在化学处理液中在金属表面形成氧化物或金属化合物钝化膜。化学转化膜较薄，结合力较弱，只能减缓腐蚀速度，并不能有效地防止腐蚀，还需要进一步涂装。镁合金化学转化的研究较多，最成熟的是铬酸盐转化，但是 Cr 6+ 有毒，危害人体健康且污染环境。近年来开发了一系列新型的对环境和健康无害的转化工艺，这些转化工艺大体上又可以划分为两类：有机化合物溶液和无机盐溶液转化处理。前者包括植酸转化、硅烷衍生物转化、酸盐转化等，后者包括磷化、锡酸盐转化、氟化物转化、磷酸盐—高锰酸盐转化、稀土转化膜和磷酸—碳酸锰—硝酸锰转化等。

    2.1植酸转化植酸处理

 

    植酸转化植酸是一种少见的金属多齿螯合剂，具有独特的结构，是一种全新的无毒环保型金属表面处理剂。植酸在金属表面发生化学吸附，形成一层致密的单分子有机保护膜，膜层能有效阻止侵蚀性阴离子等进入金属表面，抑制金属的腐蚀。目前植酸转化在镁合金上的研究还比较少，只有国内少数学者初步进行了研究。

    郑润芬等对 AZ91D 镁合金植酸转化膜的组成以及耐蚀性进行了研究。研究发现，膜层主要成分为植酸的镁盐和铝盐，膜层具有纤维网状裂纹结构，与基体结合牢固，耐蚀性有明显提高，腐蚀电位比铬酸盐转化高 0.4V，腐蚀电流密度较铬酸盐转化小 5 个数量级。Liu 等也使用植酸转化液在镁合金上生成了保护膜，膜层的耐蚀性与铬酸盐转化膜相当。植酸转化形成的单分子有机膜层和有机涂料具有相近的化学性质，与有机涂料的粘结性增强，能进一步提高镁合金的耐蚀性。

    2.2磷化镁合金的磷化处理

 

    磷化镁合金的磷化处理研究开展得较早，形成的磷化膜为微孔结构，与基体结合牢固，具有良好的吸附性，可以作为镁合金涂装前的底层。Kouisni 等研制了一种镁合金的磷化工艺，磷化液主要由 Na 2 HPO 4 、H 3 PO 4 、Zn（NO 3 ） 2 等组成，形成的磷化膜主要由 Zn 3 （PO 4 ） 2 ·4H 2 O组成。对磷化膜的形成机制和磷化液各成分的影响以及该磷化膜在硼酸缓冲溶液中的腐蚀行为进行探讨，研究表明，磷化后自腐蚀电位增加约 700mV，耐腐蚀力达15h，其耐蚀性还望进一步提高。 Li 等利用磷化液中添加钼酸钠和腐蚀抑制剂的方法在 AZ91D 镁合金上制备了均匀细致、结合牢固的锌系复合磷化膜，磷化膜主要由 Zn 3 （PO 4 ） 2 ·4H 2 O 和单质Zn 粒组成。研究表明，在磷化液中加入钼酸钠可使磷化膜组织更加细致，提高了基体与有机涂层的结合力及其防腐蚀能力，自腐蚀电位增加约 500mV。其它的无铬转化处理也都提高了镁合金的耐蚀性。其中磷酸盐—高锰酸盐转化膜耐蚀性与铬酸盐转化膜相当，可以取代铬酸盐转化膜，磷酸—碳酸锰—硝酸锰转化得到的复合膜层结合力好、均匀连续，耐蚀性比铬酸盐转化膜好。

    3、自组装单分子膜

 

    自组装单分子膜（SAMs）是将金属或金属氧化物浸入含活性分子的稀溶液中，通过化学键吸附在基片上形成取向规整、排列紧密的有序单分子膜，制备方法简单且具有很高的稳定性。目前已经在 Fe、Cu、Al 等金属上成功地制备出了自组装单分子膜，由于Mg极易氧化，因而在 Mg 及其合金上制备自组装膜比较困难，但国内仍有学者对其进行了尝试性研究。

    雍止一等首次采用油酸咪唑啉水溶液在 AZ91D 镁合金表面制备了以 -NH-为头基、-CH3 为尾基的定向排立的单分子层；研究了该组装膜对镁合金的缓蚀作用，并通过接触角、FT-IR、EIS 和线性极化等方法对自组装膜的形成过程和保护效率进行了研究；最佳工艺条件下保护效率（PE）值高达 98.1%。Liu等使用羧酸盐的乙醇溶液在 AZ91D 镁合金制备了定向排立的致密自组装单分子膜，PE 值高达 98.5%。研究表明，烷基链越长，组装时间越长，自组装膜耐蚀性越好。

    4、阳极氧化

 

    阳极氧化是在金属表面通过电化学氧化形成一层厚且相对稳定的氧化物膜层，Mg的阳极氧化膜层比化学转化膜厚，强度大、硬度高、耐蚀性好。镁合金阳极氧化膜具有双层结构：薄的致密内层和厚的多孔外层，外膜层的孔并没有穿透内膜层，外层的孔隙经涂漆、染色、封孔或钝化处理后，耐蚀性进一步提高。

    4.1普通阳极氧化

 

    镁合金阳极氧化的典型工艺是美国 Evangelides 开发的 HAE 工艺和 DOW化学公司研制的 DOW17 工艺。早期的阳极氧化处理是使用含 Cr 的有毒化合物，目前发展了可溶性硅酸盐、氢氧化物和偏铝酸盐的阳极氧化工艺。在镁合金阳极氧化过程中，处理液的成分强烈影响阳极氧化膜的结构和组成，不同的氧化液可得到不同性能的阳极氧化膜。曹发和等对不同氧化液得到的阳极氧化膜的微观结构及其耐蚀性进行了评价，认为外加电压和氧化液组成对氧化膜的微观结构及其性能有至关重要的影响；在碱性溶液中，NaAlO 2 和 Na 2 SiO 3的协同作用下，得到的氧化膜耐蚀性优异，自腐蚀电流密度达 1.87×10-7A/cm 2 ，耐中性盐雾腐蚀性能 >500h（氧化膜未封孔）。周玲伶等研究了一种环保型阳极工艺，所得膜层显微硬度值高达 558.4HV，其耐蚀性也远优于传统含CrDOW17 工艺所制备的防护膜。

    4.2等离子体氧化等离子氧化

 

    近些年来兴起的一种表面处理技术，作为环境友好型处理技术最先用于提高铝合金耐磨性和耐蚀性。它是利用高压放电产生热等离子体，利用等离子体区瞬间高温直接在金属表面原位生长陶瓷膜。等离子体氧化得到的膜层综合性能优良，与基体结合牢固，工艺简单，对环境污染小，是镁合金表面处理的一个重要发展方向。等离子体氧化分为 2 种：一种是在水溶液中发生等离子体化学作用；另一种是用氧等离子体取代水溶液。后者是一种更为先进环保的工艺，并且等离子体氧化还可以与物理气相沉积（PVD）联合使用，获得既耐磨又耐蚀的膜层。Timoshenko 等采用在 NaOH 和 Na 3 PO 4 电解液氧化镁合金，膜层厚度 60μm，孔隙率 <15%，耐蚀性较好。国内外学者采用硅酸盐或磷酸盐电解液在镁合金上生成等离子体氧化膜，前者膜层主要成分为 Mg 2 Al 2 O 4 和MgO，后者膜层主要成分为 Mg 2 SiO 4 和MgO，并且在涂层与基体的接界处分别0.7μm ～ 1μm 和 1μm ～ 2μm 的富 F区，电化学极化曲线显示，二者都能显著提高镁合金的耐蚀性 , 而前者耐蚀效果更好。Zhang 等采用自制的等离子体氧化装置处理 AZ91HP 镁合金 , 所得膜层的耐蚀性达到 9 级。

    5、电镀与化学镀

 

    镁合金的电化学活性很高，镀液会对镁合金基体造成腐蚀，并且 Mg 与镀液中的阳离子发生置换，形成的镀层疏松多孔、结合力差，所以必须对镁合金进行适当的前处理，传统的前处理包括浸锌和直接化学镀，生成保护膜后再进行化学镀或电镀。目前有关镁合金化学镀镍的研究很多，研究表明，合理的前处理工艺对整个化学镀技术能否实施、镀层质量以及镀层与基体间结合力等具有至关重要的作用。美国专利将镁合金放入 CuSO 4 溶液中，于超声波中发生Mg 置换 Cu 的反应，在镁合金上生成一层致密的 Cu 膜，之后通过化学镀 / 电镀 / 电刷镀 / 粉末镀或者它们的联合使用，镀上 Ni/Ti/Mn/Al/Fe/Co/Zr/Mo/Nb/W，内层 Cu 膜对 Mg 及其合金提供了阴极保护作用，尤其当表面膜破裂时，对镁合金还能起到持续的保护作用。Gu等在 AZ91D 镁合金上直接化学镀镍后，通过直流电沉积 Ni 纳米镀层，镀层颗粒大小为 40nm 左右，结构细致，孔隙率低，镀层表面致密，硬度远远高于基体。Ni 纳米镀层抗腐蚀性和强度均很高，有望促进镁合金的应用。朱立群等通过电沉积和低温热处理在 AZ91D 镁合金表面获得复合膜层，在镀上一层锌后镀锡，得到具有好的结合力的 Zn-Sn 复合镀层，和均匀一致的表面，然后进行 190±10℃热处理 12h，复合镀层经热处理后，由于 Sn的扩散，形成了 3 层结构：内层致密，由Sn 和 Mg 2 Sn 组成；中间层由 Zn 和 ZnO 组成；外层疏松，主要成分是Sn。研究表明，这种 3 层结构的镀层比 Zn-Sn 镀层更好地提高了耐蚀性。由于镀层比镁合金基体具有较正的电位，相对于镁合金是阴极，易发生电偶腐蚀，要实现镁合金的腐蚀防护要求，主要取决于镀层是否均匀、无孔并且要有一定厚度。纳米复合镀将会是镁合金表面防护的一个崭新方向。

    6、液相沉积与溶胶凝胶涂层

 

    通过液相沉积法（LPD）和溶胶凝胶方法在镁合金表面得到无机、有机以及无机 - 有机杂化膜层的研究还处于尝试阶段，一些研究者通过这些方法获得了纳米氧化物膜层，是镁合金表面处理的一个新方向。

    6.1液相沉积

 

    液相沉积是从金属氟化物中的水溶液中生成氧化物薄膜的方法，通过添加水、硼酸或金属 Al 使金属氟化物缓慢水解成金属氧化物沉积到基体表面。胡俊华等用 LPD 方法首次在 AZ31镁合金表面制备了锐钛矿型的 TiO 2 薄膜，平均粒径为 100nm，薄膜表面由150nm ～ 200nm 的颗粒构成，薄膜的厚度约 7μm。研究发现，较低的水解温度和适当短的沉积时间有利于提高薄膜的耐腐蚀性能。

    6.2溶胶凝胶涂层

 

    近年来，关于溶胶凝胶方法制备有机—无机杂化材料以及无机复合材料的研究非常活跃，溶胶凝胶涂层能够提高金属的耐蚀性，但是在镁合金表面直接涂覆却很难实现，原因是镁合金与溶胶中的某些成分发生反应，导致结合性变差。提高膜层结合力的方法有 3 种：有机—无机杂化，无机复合薄膜，以及多层复合膜。Khramov 等用含磷酸酯基团的硅氧烷对硅溶胶进行改性，在 AZ31B镁合金上制得有机—无机杂化膜，膜层中的成分能与镁合金基体发生化学反应，生成 P-O-Mg 键，使膜层的结合力和耐蚀性都得到较大地提高。Phani 等利用溶胶凝胶技术在镁合金上制备了SiO 2 -Al 2 O 3 -CeO 2 复合膜层，纳米复合物 Al 2 O 3 -CeO 2 弥散在 SiO 2 基体中，分别经 180℃、140℃退火处理，硬度和弹性模量分别达 4.5GPa、98GPa，盐雾耐蚀性试验达 96h。研究认为，CeO 2 提高了膜层的耐蚀性，Al 2 O 3 提高了结合力和耐磨损性。

    将阳极氧化与溶胶凝胶方法联合使用，利用阳极氧化膜多孔的特点能大大提高溶胶凝胶膜层的结合力。Tan 等在 AZ91D 镁合金阳极氧化后将制备的溶胶喷涂到合金表面，经多次喷涂后膜层厚度可达 57μm，自腐蚀电位提高到 -0.8V。

    7、气相沉积

 

    7.1物理气相沉积（PVD）

 

    物理气相沉积是把固（液）体镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、离子束、激光束、电弧等能量形式产生气体原子、分子、离子（气态等离子态）进行输运，在固态表面上沉积凝聚和生成固态薄膜的过程。PVD 沉积速度较快、无污染，缺点是膜层的结合力和均匀性较差，所以在沉积前后必须加以适当的处理，Ti 离子注入是一种有效的表面改性方法。

    根据不同的防护要求采用 PVD 工艺在镁合金表面沉积金属氮化物膜研究的较多，最初是为了满足镁合金的强度和耐磨性，目前重视作为防护性膜层的应用。Wu 等采用多靶磁控溅射技术在AZ31 镁合金上沉积陶瓷 / 金属双涂层，制备的 Al 2 O 3 /Al 膜层大大提高合金的耐蚀性，Al 2 O 3 /Ti 膜层提高了合金表面的机械性能。Hikmet 等通过直流电磁溅射PVD 方法在 AZ91 镁合金上沉积了多层AlN和AlN/TiN膜，其中前者耐蚀性较好。

    7 . 2 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积（PECVD）

 

    PECVD 是依靠冷等离子体中电子的动能去激活气相的化学反应，具有沉积温度低和沉积速率高等优点，特别适用于镁合金。Voulgaris 等采用射频（RF）PECVD 从四乙基原硅酸盐（TEOS）中在镁合金表面沉积 SiOxCyHz 薄膜，膜层覆盖率好、光滑和耐蚀性有所提高。利用 PECVD 制备类金刚石 （DLC） 膜，可显著提高镁合金的硬度和耐磨性，有效降低摩擦系数，并能改善耐腐蚀性能。

    8、喷涂

 

    8.1热喷涂热喷涂技术

 

    采用气（液）体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，高速气流使其雾化，然后喷射沉积，从而形成附着牢固的涂层。近年来热喷涂技术在镁合金表面修饰中有较好的应用前景，是一种较好的长效保护方法，但是喷涂过程中会引起镁基体的强烈氧化。Chiu 等在 AZ31镁合金表面电弧喷涂铝，形成的 Al 涂层再经热处理和阳极氧化又生成了一层Al 2 O 3 ，大大提高了耐蚀性。利用超音速火焰喷涂（HVOF）技术在镁合金上沉积致密的 WC-12Co 涂层，WC-Co 高的动能会产生自粗糙效应，跟基体有良好的结合力，但未经密封处理的 WC-Co 涂层不能对基体起到防护作用，反而会加速腐蚀，如果预先喷涂一层 Al，双涂层结构就会大大提高镁合金的耐蚀性。另外，在喷涂 WC-Co 后再用有机涂料密封也是一种有效的防腐蚀方法。

    8.2冷喷涂冷喷技术

 

    冷喷涂冷喷技术近年来出现的新型喷涂工艺，它是利用电能把高压气流（N 2或 He 等保护性气体）加热到一定的温度，该气流再经拉瓦尔管加速产生超音速的束流，用该束流加速粉末粒子，以超音速撞击到基体的表面，通过固体的塑性变形形成涂层。冷喷涂层是形变组织，经特殊条件下的处理后，可得到纳米结构的组织。对镁合金表面进行冷喷涂，可以防止喷涂过程中镁合金表面的氧化。国内学者首次研究了在 AK63 镁合金表面冷喷涂快凝 Zn-Al 合金粉末，得到致密的涂层，喷涂层与基体结合界面无烧结、熔化现象，涂层与镁合金基体结合力强，并且大大提高了镁合金的硬度。

    9、激光熔覆合金涂层

 

    国内外一些学者研究镁合金激光熔覆材料和性能表明，激光熔覆可以细化镁合金的表面组织，改变镁合金的结构，是提高镁合金表面性能的有效方法，具有良好的前景。Yue 等在纯 Mg 基体上激光熔覆 1.5mm 厚的 Zr 65 Al 7.5 Ni 10 Cu 17.5无定形合金。研究表明，熔覆合金层显微硬度提高到 HV550 ～ 600，熔覆层腐蚀电位比标准试样电位高 1120mV。Gao等采用宽频激光熔覆技术在 AZ91HP 镁合金表面制备了 Al-Si 合金，熔覆层中含有 Mg 2 Si，β-Mg 17 Al 12 和 Mg 2 Al 3 金属化合物和 α-Mg。研究发现，显微硬度增加了 340%，耐磨性提高了 90%，并且由于晶粒细化和 Mg 金属互化物的重新分布，熔覆层耐腐蚀性能大大提高。

    10、结语

 

    作为一种新型的结构材料，镁合金将会获得越来越广泛的应用，而其相应的表面处理方法也将得到迅速发展。镁合金的铬化处理污染环境且生产中危害人体健康，许多研究者正在寻求新的方法来代替现有的处理工艺，磷化处理是镁合金无铬处理中较有发展前途的方法，有取代铬化处理的趋势。微弧氧化处理技术具有工艺简单、材料适应性宽等特点，所得膜层均匀、质硬，将是镁合金阳极氧化的一个发展方向。有机涂层可以起到长期的保护作用，但是涂层与基体的结合不太紧密，这也是制约其发展的一个重要因素，开发新型的涂层材料和涂覆工艺是提高有机涂层使用性能的良好途径。因此，加强镁合金表面处理技术的发展、深入研究保护膜形成的机理、进一步改善表面防护膜的性能以提高镁合金的耐蚀性，对推进镁合金材料的应用具有十分重要的现实意义和经济效益。

 

    （资料来源：知网）

 

7 Al-Mg-Si系铝合金汽车车身板的研究进展

 

    近年来，随着汽车工业的不断发展和汽车产量的持续增加，导致能源、环境和安全三大问题日益突出，能源匮乏和环境污染已成为限制汽车产业可持续发展的瓶颈。通常情况下，汽车自身车重消耗约 70% 的燃油，而汽车车身约占汽车总重量的 30%，汽车车重每减少10%，可节约燃油 6% ～ 8%，减少排放 4%。减轻车身重量，以降低能耗、减少排放及提高效率已成为汽车企业提高竞争力的重要目标。

    铝合金具有密度低、抗冲击性好及可再生利用的特点，通过微合金化及热处理等方法得到强化的铝合金，其比强度超过很多合金钢，替代传统钢板时可减轻重量达到 50% 以上。为提高汽车的铝合金化率，加快发展铝合金板材在汽车行业中的应用规模及带动汽车工业的节能减排，铝合金材料在汽车中的应用已成为一种发展趋势。

 

    1、性能特点及应用现状

 

    铝合金汽车车身板的厚度一般要求为 0.8 ～ 1.6mm，其同时还应具有良好的板材成形性能、低的屈强比和高的成形极限、一定的抗时效稳定性，以及良好的烘烤硬化性、翻边延性和表面处理及涂装性能等。

    铝合金汽车车身板的开发一直是国内外研究的重点，主要研究集中在 Al-Cu-Mg 系 （2 系 ）、Al-Mg 系 （5 系 ） 和Al-Mg-Si 系 （6 系 ） 三个系列。2 系铝合金是可热处理强化合金，强化相主要有 CuAl 2 和 CuMgAl 2 两相。该系铝合金具有良好的成形性和较高的强度，但耐蚀性和烘烤硬化能力差，主要应用于汽车内板。5 系铝合金是非热处理强化合金，镁起固溶强化作用。该系铝合金成形性和耐蚀性均比较好，但是冲压后容易引起板材表面起皱，且延展性和弯曲能力不强，多应用于汽车内板。6 系铝合金是可热处理强化合金，主要强化相为 Mg 2 Si.Mg 2 Si 相平衡时 Mg 和 Si 的质量比为 1.73，w（Mg 2 Si） 每增加 0.1%，合金的抗拉强度 σb 增加 5MPa，初生w（Si） 每增加 0.1%，σb 增加 10 ～ 15MPa，延伸率下降 0.25%。该系铝合金具有成形性好、耐蚀性强、强度高及耐高温性能好等优点，可通过微合金化来细化晶粒，改变再结晶状态，同时改进铸造、轧制及热处理等工艺，可使合金获得良好的综合性能。常见 6 系铝合金车身板的牌号和成分及力学性能分别列于表 1 和表 2。

 

    二十世纪 80 年代 Audi 公司开始研究铝合金车身，并于 1995 年推出第一代全铝合金汽车 Audi A8，车重减轻了46.8%，刚度提高了 14%。目前国际市场上，奔驰 CLA、雪佛兰 Corvette、特斯拉 Model S 及法拉利 488spider 等车部分或全部采用铝合金车身。车身板材使用的 6 系铝合金主要有 6009，6010，6016，6111 和 6022 等合金，美国主要采用含 Cu 量高的 6111 铝合金，而欧洲广泛采用含 Cu 量低的 6016 铝合金。美国 Duke Energy 公司预测，虽然 2013 年北美生产的全铝车身汽车量还不到1%，但到 2025 年全铝车身可占汽车生产总量的 18%，北美 75% 以上皮卡车将是全铝车身，未来 10 年内 Ford，GM 和FIAT 将是汽车产业用铝量最多的几大汽车公司。据美国 Alcoa 公司预计，2012至 2025 年期间全球车用铝板销量将保持 14% 左右的年复合增速。因此，铝合金在汽车板材上的应用具有巨大的潜力和发展前景。

    国内铝合金车身板的研究起步较晚，且研发的铝材质量与国外差距较大，但国内铝加工企业一直致力于铝合金板材在汽车上应用的研究及开发工作。目前一汽奔腾、长安 CV11、吉利 NL-1 和奇瑞 A5 等车型，已经使用铝合金覆盖件。国内汽车车身外板主要采用 6016，6022，6111 和 6181 铝合金，内板采用5754，5182 和 5052 铝合金。近年国内的汽车业发展非常迅速，预计 2020 年以后年产销量将达到4000万辆的规模，其中 5% 采用铝合金车身，铝合金车身板的年需求量将超过 20wt，因此中国铝合金车身板的需求量是非常可观的。

 

    2、合金化对组织和时效的影响

 

    合金的主要组成元素 Mg，Si 和 Cu影响着铝合金中的析出相和时效动力学，以及提高合金烤漆硬化性和加速时效。Mn，Cr，Ti 和 Zr 等过渡族元素主要改变织构组态和再结晶过程，进而影响铝合金成形性能。Sc，Ce 和 Er 等稀土元素的加入能够抑制再结晶晶粒长大，细化晶粒及晶间析出物，加速时效过程。Fe 属于杂质元素，过量时易形成粗大的硬脆性富铁相，主要有长条 状 β-Al 5 FeSi相 和 汉 字 状α-Al 8 Fe 2 Si 相，不利于加工变形。

    2.1主要组成相元素的影响

 

    Mg 2 Si 相 是6 系铝合金的主要强化相，其析出序列一般为：α 过饱和固溶体→ G.P. 区→ β″相→ β′相→ β相，其中 β″相强化效果最好，β′相次之。铝合金中Mg 和 Si 的固溶度随彼此含量的增加而降低，有利于 Mg 2 Si 相的形成。过剩 Si时，能够改变相的析出序列，且降低β″相和 Si 析出物的析出温度；高过剩 Si时，主要由 Mg 含量控制 β″和 β′两相析出行为。Si 含量的增加会降低合金的拉伸性能及弯曲性能，Mg 能显著提高合金的强度，但不利于成形性能。杨银通过调整 6061 铝合金中 Si 元素的含量，得出 Mg/Si 约为 1.73 时，铸态组织分布均匀，只有少量的 Mg2Si 相及粗大针状 AlFeSi 相富集于晶界处。高过剩Si 或 Mg 会影响组织的均匀性及析出相的种类、尺寸和分布。同样保持 Mg 和Si 总含量定值的条件下，Hao Zhong 设计了三组不同 Mg 和 Si 含量的合金及三组对照添加 Cu 元素的合金，研究表明降低 Mg/Si 和添加 0.3% 的 Cu 均可显著提高合金的韧性及成形性能，且对烤漆硬化效果有影响。

 

    在 6 系铝合金中添加 Cu 元素后可能出现 Q 相、β 相、单晶 Si 和 θ 相等平衡相。Cu 可以降低前驱相 Q′和平衡相 Q 的激活能而改变析出序列，同时β″相的密度会增加且更容易形核，所以 Cu 主要提高 β″相的析出动力学，改善烤漆硬化性能，但是合金的耐蚀性、焊接性和塑性会降低。刘亚妮制备了 Cu含量分别为 0，0.15% 和 0.8% 的三种Al-Mg-Si 合金，并在 180℃下进行人工时效和两周自然时效后再 180℃人工时效的两种热处理工艺。当合金中 Cu 添加量为0.15%时峰值时效出现β″相，合金中 Cu 添加量为 0.8% 时峰值时效存在 β″和 Q″两种析出相，表明 Cu元素的添加可以抑制自然时效对人工时效峰值硬度的不利影响；对比两种工艺处理发现，人工时效峰值中针状析出相的数量及密度均比自然时效后再人工时效要大。Al-Mg-Si-Cu 系合金中 Mg/Si 大小会影响自然时效形成的 G.P 区，图 1 为获得的峰值时效时主要硬化相的 HRTEM 照片及 FFT 衍射花样。当 Mg/Si 较大时，少量的 G.P. 区诱导板条状Q″ /L 析出物优先长大，对时效峰值硬度有负面影响；当 Mg/Si 较小时，大量的 G.P. 区诱导针状 β″相同步增长，从而限制了 Q″ /L 析出物优先长大。

    2.2过渡族元素的影响

 

    6 系铝合金中添加微量 Mn，Cr，Ti，Zr，Zn 或 V 等过渡族元素会析出弥散相。弥散相钉扎晶界会阻碍其迁移，抑制再结晶晶粒长大，从而细化晶粒；还可作为强化相的形核核心，加速时效的析出过程；另外，弥散相能够促进均匀滑移，提高合金的强度、塑性及弯曲等力学性能。Mn 元素能促进 AlFeSi 由长条状 β 相转化为球状 α 相，同时弥散相 Al 6 Mn 还具有细化晶粒的作用，从而提高合金的强韧性和耐腐蚀性。微量的 Cr 可抑制 Mg 2 Si 相在晶界析出以延缓自然时效，并形成细小的 Al 12 Mg 2 Cr 相，阻碍再结晶晶粒长大。Ti 和 Zr 均是有效的晶粒细化剂，有研究表明加入0.2%的 Zr 元素能明显改善合金的成形性能。亚稳相 Al 3 V 能细化轧制纤维结构，抑制再结晶的晶粒长大。

    刘星兴采用复合添加过渡族元素的方法，探究微合金化对 6016 铝合金组织及性能的影响。结果显示添加适量的Mn，Cr，Zr 和 Sr 元素均可细化晶粒，产生弥散相并改变第二相的类型和分布。复合添加 Mn，Cr 和 Zr 不改变 β″相激活能，主要起弥散强化作用；复合添加 Mn，Cr 和 Sr 会降低 β″相激活能使得 β″相均匀析出，并促进富铁相的转变。图 2 为 6016 合金板淬火态及人工时效态的力学性能，其中 1# 为对照组、2# 为 Mn 和 Cr 组、3# 为 Mn，Cr和 Zr 组、4# 为 Sr 组、5# 为 Mn、Cr和 Sr 组。实验结果表明，Mn，Cr 和 Zr均有利于合金强度的提高，Sr 的添加能够改善Mn和Cr 对合金塑性的不利影响。Yi Meng 发现，添加微量 V 元素后 Al-Mg-Si-Cu 合金的铸态组织呈等轴晶，并析出 Al3V 弥散相。Al3V 弥散相能够减小后续热挤压和热处理过程中再结晶晶粒的大小，从而提高合金的成形性能。

 

    2.3稀土元素

 

    在 6 系合金中稀土元素主要起到固溶强化、细晶强化和第二相强化的作用。添加适量的稀土元素能改善铸态组织、细化晶粒及晶间析出物，加速时效析出，提高合金强度及热塑性，降低变形抗力。Sc 是铝合金微合金化最有效的元素，共格且细小的 Al 3 Sc 弥散相能抑制动态再结晶，阻碍位错运动，提高合金再结晶温度及组织的稳定性。与单独添加 0.2% 的 Sc 相比，复合添加 0.1%的 Nd 和 0.1% 的 Sc 的合金具有更细小的铸态晶粒，其屈服强度和抗拉强度均比单独添加 Sc 的板材提高约 20MPa。Er 与 Sc 有类似的积极作用，可以代替Sc.Al3Er弥散相能够钉扎位错和亚晶界，提高再结晶温度，抑制再结晶晶粒长大。有研究表明，当 Er 添加量小于 0.4% 时合金的硬度随 Er 含量的增加而增加，超过 0.6% 时合金的硬度降低。Ce 能抑制再结晶晶粒长大，影响再结晶晶粒尺寸。关绍康在 Al-Mg-Si 汽车板材中添加 Ti和 Ce 元素后发现，Ti 分布于晶界且抑制 α（Al） 晶粒生长，有效地细化组织，提高合金的成形性能；Ce 元素的加入提高了 β″相的激活能，降低了 β′相的激活能，促进了 β′相的形成，从而降低了板材的抗拉强度，使屈强比增大，对合金的成形性能不利。

 

    3、轧制工艺参数的影响

 

    轧制温度、变形速度及轧制压下量等轧制工艺参数，对铝合金汽车板的显微组织和力学性能有显著地影响。F.Rajabi 采用正交设计法，对 6061 铝合金的轧制温度和变形速率进行了探索 （ 图 3）。结果表明：250℃轧制温度时发生动态回复，不发生动态再结晶；350℃轧制温度时产生明显的一次再结晶晶粒；450℃轧制温度时动态再结晶晶粒数量增多，而且产生新的沉淀相。轧制温度在 250 ～ 450℃范围时，合金室温强度和延展性随轧制温度的升高而增加；一定的轧制温度下，屈服强度随应变速率的增加而降低。

    李郝亮通过优化工艺参数获得了一种综合性能较好的 Al-Mg-Si-Cu 合金，并在轧制温度为 430℃的条件下分别进行了 13%，33% 和 47% 的单道次压下量轧制实验。随着单道次加工量的增加，组织越来越细小，力学性能得到明显地改善。单道次加工量为 47%时，板材的力学性能最好，抗拉强度为398.4MPa，延伸率为 20%，布氏硬度为112。单道次加工量越大，合金耐盐水腐蚀性越好；均匀化退火大大地降低了合金的耐腐蚀性，轧制态腐蚀性能比铸态稍差，但远远优于均匀化退火态。

 

 

    4、热处理工艺的影响

 

    6 系铝合金热处理工艺主要为固溶时效处理，固溶处理是热处理的重要环节，时效处理是热处理的关键步骤。

    固溶处理是使合金元素充分固溶于基体从而获得过饱和固溶体，并在后续时效过程中以析出强化相的方式来提高合金强度。张国鹏在固溶温度520 ～ 580℃、保温 40min 及过烧敏感温度 620℃条件下，优化出 Al-0.4Mg-0.45Si-1.0Cu 合金。经过 520℃ /40min固溶处理后合金中仍存在部分较粗大的 粒 状 α-Al15（FeMn）3Si2 相、 针 状β-Al9FeSi 相 和 部 分 残 余 Mg2Si 相；经过 T6 热处理 （165℃ /10h） 后合金的抗拉强度达到 330 MPa，屈服强度达到243MPa，延伸率为 17%。如图 4 所示，随着固溶温度的增加及保温时间的延长，显微硬度变化呈先增加后降低的总体趋势，但固溶温度为 600℃时发生严重软化现象。

    时效处理可分为自然时效、人工时效和预时效。自然时效使人工时效后合金的强度和硬度下降，而预时效则能减轻自然时效的有害作用。近年来，很多研究人员通过三维原子探针 （3DAP） 和高分辨率透射电子显微镜 （HRTEM） 等方法研究分析 6 系铝合金时效早期的析出相和自然时效的团簇。一般认为，低于50℃时形成具有高温稳定性的小尺寸 I型 Mg-Si 团簇，β″相激活能较高，不利于 β″相形核，烤漆硬化效果不佳；80~100℃左右形成大尺寸的Ⅱ型 Mg-Si团簇，极大的降低 β″相激活能，烤漆后形成均匀细小的 β″相，烤漆硬化效果较好；120 ～ 150℃附近形成 G.P. 区，对烤漆前的冲压成形性有不利影响。

    目前，预时效处理是有效降低合金自然时效和提高烤漆硬化速率的方法。中南大学的许可勤针对自然时效和预时效对合金力学性能的影响进行了研究发现 : 自然时效主要形成 G.P. 区，人工时效主要形成 Mg 2 Si 强化相；人工时效后合金的强度和硬度增加，但人工时效后的硬度随淬火后室温停放时间的延长而降低；合理的预时效工艺可以有效减轻自然时效对人工时效的不利影响。东北大学的刘宏通过 DSC 和 TEM 等方法，对自然时效及预时效的几种 6000 系合金人工时效析出行为分析发现 :170℃人工时效初期，T4 态合金中 G.P. 区的溶解推迟了 β″相的析出，主要形成β″相的形核核心，导致时效硬化性下降；而 T4P 态合金 β″核心连续长大成为 β″相，导致时效硬化性增强。延长预时效时间，人工时效硬化效果更好。增大过剩 Si 合金的 Mg/Si 比值，有利于β″核心的析出，提高人工时效硬化性。 Lipeng Ding 等人对四种不同 Mg/Si 和 Cu含量的 Al-Mg-Si-Cu 合金淬火后立即进行 180℃人工时效处理发现，不同元素含量的 Al-Mg-Si-Cu 合金的硬度随时效时间的变化趋势相同，人工时效 2 ～ 3h后显微硬度急剧增加到最大值，随后的过时效阶段显微硬度逐渐减小 （ 图 5）。

 

    5、结语

 

    铝合金车身板的研发应以满足板材的成形性为首要依据，通过确定 Mg，Si，Cu，Fe，Mn，Ti 和 Zn 等元素的合金成分，优化轧制工艺参数并改善热处理工艺，合理调配抗时效稳定性、成形性、烘烤硬化性和抗凹痕性等相互联系又相互矛盾的性能，使得同时满足铝合金车身板的力学性能及工艺性能要求。国外汽车车身板用铝合金板材替代钢板材料已获得部分应用，如美国研制的6009 和 6010 铝合金汽车车身板塑性良好，成形后喷漆烘烤过程中实现人工时效，获得更高的强度，可用作汽车车身板的外板和内板。国内在合金成分、轧制工艺和热处理制度上对 6 系铝合金汽车车身板材虽做了很多基础研究工作，但研制的板材成形性能仍比不上低碳钢板材，强度偏低且变形抗力不强。我国铝合金车身板的开发与应用已得到国家的重视和大力支持，开发高性能铝合金车身板，对于解决依赖进口的难题及提高我国汽车工业铝材使用的整体水平具有重要意义。

 

    （ 资料来源：知网 ）

 

8 汽车用高强钢及超高强钢的研发进展

    在汽车轻量化的同时，提高安全性成为汽车工业发展的必然趋势。高强度钢和先进高强度钢是既能保证汽车轻量化，又能提升和保证汽车安全性的性价比高的现代汽车制造材料。为此，国内外的研究机构以及钢铁企业加大了高强以及超高强汽车用钢的研究与开发。本文针对目前研究较多的 Q?P 钢、中锰钢、超级贝氏体钢、δ-TRIP 钢以及热冲压成形钢的最新研发进展进行介绍。

    随着汽车产量和保有量的不断增加，在给人们出行带来方便和拉动经济增长的同时，也产生了环境污染等问题。汽车轻量化是降低汽车油耗和排放最直接和最有效的手段。实验和研究表明，乘用车自重每下降 10%，其油耗和排放都会降低 6%-8%。对新能源汽车，由于电池的增重和电池功率比的限制，其轻量化更为重要。为满足各国政府不断出台的日益严格的安全法规，在汽车轻量化的同时，提高安全性成为汽车工业发展的必然趋势。高强度钢（HSS）和先进高强度钢（AHSS）是既能保证汽车轻量化，又能提升和保证汽车安全性的性价比高的现代汽车制造材料，是其他材料难以替代的材料。国际钢协“世界汽车用钢联盟”项目未来钢制汽车 FSV计划的研究结果表明，在不增加生产成本的前提下，通过大量使用先进高强钢（97% 的应用比例）和先进制造技术，可以在满足碰撞安全要求的同时，较标杆车实现 35% 的白车身减重。FSV 项目体现了钢铁产品持续不断的轻量化潜力。钢铁材料占汽车重量的 70%-80%，开发高强度钢板，提高高强钢应用比例，可以有效减轻车身重量。

    近年来，为满足汽车轻量化发展的需求以及汽车板的各种性能要求，高强度钢和先进高强度钢近年来发展很快。目前第一代先进高强度钢已在汽车上广泛应用，并对汽车轻量化发挥了非常重要的作用。但第一代先进高强度钢的强度、塑性与强塑积等还不能满足汽车安全性与能源节约的要求。而第二代先进高强钢由于合金元素含量高，其生产成本高，而且其工艺性能与使用性能差，未能批量应用。为此，针对第一代先进高强度钢塑性低与第二代先进高强度钢成本高、工艺性能较差，国内外对第三代先进高强度钢开展了大量的研究与开发。下面对目前研究较多的几种典型钢种进行阐述。

    1、Q·P 钢

 

    近几年，研究者提出了一种新工艺——淬火 - 配分（Q · P），淬火 - 配分工艺是在带钢发生部分马氏体相变后将其进行等温配分处理，使得碳元素从马氏体中扩散到未转变的奥氏体中，从而提高奥氏体的稳定性。虽然马氏体钢淬火后通过回火可以得到较高的强度和相对好的韧性，但因其塑性较低制约了马氏体钢的广泛应用。为此，在无碳化物贝氏体钢的研究基础上提出马氏体钢淬火（碳）配分的热处理工艺（图 1），即将钢在奥氏体化温度（TA）淬火到Ms-Mf 之间的某一温度（TQ），再在此温度或高于此温度（TP）保温，使碳从马氏体向未转变的奥氏体中扩散并使之稳定化，最后淬火到室温，得到由马氏体和残余奥氏体组成的、具有高强度和较好塑韧性的组织。在该热处理工艺中，当 Tp=TQ 时，为一步法 Q · P 工艺；当Tp>TQ 时，为两步法 Q · P 工艺。该工艺通过加入 Si 或 Al、P 元素来抑制碳化物的析出，以保证碳的再配分。Q · P 钢的显微组织主要是由马氏体基体和残余奥氏体双相复合而成。对于含碳量较低的钢，经 Q · P 处理后其显微组织为典型的板条马氏体和马氏体条间的薄膜状残余奥氏体组成。Q · P 钢属于第三代先进高强度钢，可以达到的力学性能范围为抗拉强度 800-1500MPa，伸长率 15%-40%。Q · P 钢具有高强度与高塑性匹配，具有良好的应用前景。

 

    2010 年，宝钢全球首次实现第三代先进高强钢 980MPa Q · P 钢（淬火延性钢）的工业化生产，并于 2012 年在一汽轿车实现了批量供货。而且，2013 年宝钢全球首次成功开发热镀锌 980MPaQ · P 钢。2015 年， 宝 钢 第 一 卷 Q · P1180GA 钢成功下线，实现全球首发。Q · P1180GA 钢板在达到 1200MPa 的超高强度的同时，具有 15% 以上的高延展率，更是首次实现了 980MPa 强度以上级别高强钢的锌层合金化，具有更好的焊接性能、涂着性能、耐热性和耐腐蚀性，既能满足不同汽车用户的用材需求，也为实现汽车行业的轻量化发展和车辆全生命周期的节能减排提供了有力支撑。目前，宝钢正在加紧研发 1300MPa 级冷轧和 1300MPa 级热镀锌 Q · P 钢。此外，鞍钢在传统产线（非高强钢专用生产线）上实现了 980MPa 级 Q · P 钢的工业化生产，并成功冲压出 B 柱加强板等零部件。

    近年来，在 Q · P 工艺的基础上，提 出 了 一 种 淬 火 - 碳 分 配 - 回 火（Quenching-Pa r t i t i oni ng-Temper ing，Q-P-T）的新型热处理工艺，该工艺的实质是在回火过程中析出 Nb、V、Ti 等碳化物来进一步提高钢的强度。宝钢所研究的中碳 Q-P-T 钢的抗拉强度超过2000MPa，其伸长率超过 10%。

    2、中锰钢

 

    无论是第一代汽车钢中的 DP 钢和TRIP 钢，还是第三代汽车钢中的 Q · P 钢，都有一个共同的特点，那就是通过碳的配分，实现奥氏体富碳，从而稳定奥氏体。依靠碳的配分，需要钢中含有较高的碳含量才能获得大量的亚稳奥氏体，所以普通的 TRIP 钢和 Q · P 钢中的奥氏体含量一般不会大于 15%，无法将亚稳相的含量调控到较高的水平。而将钢中的碳含量调高到 0.4% 以上的水平又会显著恶化钢的焊接性能。所以，仅仅依靠碳配分来进行亚稳相调控存在很大的局限性。由此得到启示，研发高强高塑汽车钢必须走复合配分与亚稳控制的思路。为此，提出了利用逆相变原理，通过碳锰复合配分控制亚稳奥氏体含量的中锰钢研发思路。该研发思路是通过中锰合金化，利用 C 和 Mn 在逆相变过程中的复合配分到奥氏体中，形成 BCC 与FCC 的复合组织，其中基体与奥氏体均是亚微米的晶粒尺寸，奥氏体的含量为20%-40%。目前，浦项科技大学、科罗拉多大学和中国的钢铁研究总院，宝钢、华中科技大学、北京科技大学等均对以中锰钢为代表的第三代汽车用钢的成分、组织、性能以及生产工艺进行了深入的理论和实验分析，并取得了一定的研究成果。实验研究的中锰钢的成分设计为 C的质量分数为 0.1%-0.6%，Mn 的质量分数为 4%-12%。为提高逆相变退火时残余奥氏体的稳定性，部分学者在中锰钢中加入了 Si、Al，二者的质量分数基本控制在1.5%-3.0%范围内。此外，少数研究中添加了 Mo 和微合金化元素V，旨在提高晶界强度和细化基体晶粒尺寸。研究发现，在中、低碳范围内，新型汽车用中锰钢的强塑积主要取决于钢中的锰含量，其随锰含量的增加而显著增大。而且，制定合理的加工、退火工艺能使中锰钢中获得大量稳定的残余奥氏体。目前已报道的中锰钢的实验流程为：浇铸 - 均匀化 - 锻造 - 逆相变退火和浇铸 - 均匀化 - 锻造 - 均匀化 -热轧 - 冷轧 - 逆相变退火。对于 Fe-0.2C-（5-7）Mn 钢，其均匀化温度一般控制在 1250℃左右，保温时间一般2h，目的是缓解 Mn、C 元素的宏观偏析，提高组织和成分的均匀性。中锰钢的热锻温度一般控制在 1200-850℃之间，锻后的试样在 750℃保温 30min 进行奥氏体均匀化处理，然后淬火。逆相变退火控制在两相区，退火时间为 1min-12h 不等，最后空冷获得以亚稳态的奥氏体和铁素体为主的双相组织。钢中锰的质量分数处于中、低范围（4%-8%）时，逆相变处理后基体中残余奥氏体的体积分数一般小于 50%，且由于其堆垛层错能较低，使其在形变时不足以形成TWIP 效应，塑性变形机制以 TRIP 为主。目前研究的中锰钢的热轧初轧温度一般控制在 1150-1125℃，终轧温度控制在 800-930℃。这就意味着中锰钢热轧控温制度与常见钢种差异不大，即可采用常规热轧机对其进行热加工。逆相变退火处理是新型中锰钢的必备工艺，其退火温度在 575-800℃之间，退火时间1min-168h 不等。采用不同成分中锰钢轧制—退火后对比发现，不同工艺处理后中锰钢的强度、塑性差异很大，强塑积在 20-60GPa?% 范围内。值得注意的是，当钢中锰的质量分数较高时（8%-12%），逆相变退火后残余奥氏体的体积分数一般超过 50%，而强塑积也在50GPa% 以上。根据已有研究，残余奥氏体在形变时同时发生 TRIP-TWIP 效应是提高中锰钢拉伸性能的主要因素。

    值得欣喜的是，2015 年 6 月，宝钢成功开发出冷轧 CR980MPa 级、热镀锌GI 980MPa 级和热镀锌 GI 1180MPa 级中锰钢。目前该钢种已用于“后地板左右连接板”零件的工业试制。由于该钢种强度在 980MPa 以上的同时，塑性与低强度的先进高强钢相当，因而适用范围比一般超高强钢更为广泛，其应用前景包括汽车 A 柱、B 柱、防撞梁和门槛加强件等众多车身结构件。

    3、超级贝氏体钢

 

    贝氏体钢是一种具有较高强度和良好韧性的钢种，一直是钢铁材料界的研究重点。经过十几年的研究，已经开发出低合金贝氏体钢以及高性能低碳贝氏体钢。近年来，一种具有良好强韧性能的高强度贝氏体钢受到钢铁界的重视，目前这种新型贝氏体钢统称超级贝氏体钢。超级贝氏体钢的基本合金元素为 C-Mn-Si，通过 300-500℃低温相变得到超细贝氏体、马氏体和残余奥氏体组织。对于超级贝氏体钢，为了保证超高强度和良好的强韧性能，以及保证贝氏体的低温转变，通常需要添加较多的C、Mn、Si 元素，这些元素一方面可以提高钢材的强度，降低贝氏体转变开始温度 Bs 和马氏体转变开始温度 Ms，另一方面也会影响材料的焊接性能，同时锰含量过高也容易引起成分偏析。高硅是为了抑制碳化物从奥氏体中析出，从而避免在贝氏体铁素体板条间形成脆性相渗碳体。富碳的奥氏体稳定性很强，在贝氏体相变过程中会以薄膜状残余奥氏体的形式分布在贝氏体铁素体板条之间，从而达到改善钢材韧性的目的。由于贝氏体形成条件比较苛刻，为了避开高温先共析铁素体或珠光体转变，贝氏体转变往往需要一个比较大的临界冷却速度，冷却到贝氏体转变区间等温发生贝氏体转变。为了减小临界冷却速度，增加贝氏体的淬透性，促进贝氏体相变，其措施是在 C、Mn、Si 元素的基础上添加一定量的合金元素，如 Ni、Cr、V、Mo等，这些合金元素的添加可以降低C、Mn等元素的含量，改善钢材的焊接性能，但增加了贝氏体钢的生产成本。

    清 华 大 学 研 究 了 Fe-0.25C-2.5Mn-1.8Si-0.5Cr 贝氏体和马氏体复相钢的组织和性能，所研究钢种的组织由超细贝氏体、马氏体以及分布于贝氏体板条间富碳残余奥氏体组成，钢的抗拉强度为 1500MPa，伸长率为 13%。加拿大 McMaster 大学与安赛乐米塔尔公司合作研发了一种不含其他合金元素的C-Mn-Si 超级贝氏体钢。在没有加入Cr 和 Mo 等合金元素的情况下，采用热处理的方法，在 300℃下转变 90min，可获得屈服强度 1165MPa、抗拉强度1715MPa、伸长率达 14% 的力学性能。获得的贝氏体板条的宽度约为 300nm。英国剑桥大学和西班牙国家冶金研究中心在以前的研究基础上一起合作，以增加 Mn 含量、改变 Cr 的含量、减少 Ni 的使用为指导思想，设计了新型低 Ni 贝氏体钢，Mn和Cr可以增加奥氏体稳定性、降低贝氏体相变开始温度（Bs），Mo 可防止脆化相生成。这种贝氏体钢经过加速冷却后再空冷即可获得贝氏体组织，获得的贝氏体板条宽度约为 300nm，得到的超级贝氏体钢屈服强度约为1200MPa，抗拉强度约为 1600MPa。此外，对于纳米级的条状贝氏体铁素体和残余奥氏体的混合组织及性能展开了相应研究。结果表明 , 将所设计的 C 含量为 0.8% 左右的合金钢经 200-300℃等温处理数小时（最长为 96h）后发现 ,实验钢的最高抗拉强度为 2200MPa, 延伸率可达 30%, 组织为板条状贝氏体铁素体与残余奥氏体的混合组织。

    超级贝氏体钢的几十到数百纳米级的超细贝氏体、马氏体的组织结构决定了其超高强度，组织中薄膜状的残余奥氏体且无脆性相渗碳体使其同时具有良好的韧性。但贝氏体转变时间长达数天乃至十几天这一缺点限制了其在工业生产上的应用。为了加快贝氏体低温转变时间，开发了含 Co 和 Al 的超级贝氏体钢，添加 Co 和 Al 可以缩短贝氏体转变时间，但低温贝氏体转变时间仍然长达十几小时。因此，如何缩短低温贝氏体转变时间是今后的一个主要研究方向。目前缩短转变时间有两种方法，一是添加贵重的合金元素，如 Co 等贝氏体相变促进元素等，这将增加生产成本。另外一种方法是通过变形促进贝氏体低温转变。奥氏体形变对贝氏体相变动力学的影响是个复杂的课题，这也是今后的一个重要研究内容。

    4、δ-TRIP 钢

 

    研 究 人 员 设 计 了 一 种 Fe-0.4C-0.5Si-2.0Mn-2.0Al-0.5Cu-0.02P（质量分数）合金，经临界区退火和贝氏体等温相变的热处理后可获得约含 40%（质量分数）残余奥氏体的 TRIP 钢。设计的此种合金成分在平衡相图中，在任意温度下都不能获得100%奥氏体组织，即 δ 铁素体在凝固之后的整个固态相变过程中均不会完全消失。经常规 TRIP钢热处理工艺（奥氏体等温淬火）后，含有大量枝晶 δ 铁素体的组织转变为枝晶 δ 铁素体与贝氏体（铁素体与残余奥氏体片层交替组织）。其在铸态下未经任何轧制细化晶粒的条件下，热处理后即可获得较好的力学性能，强度约1000MPa，延伸率约为 22%。该材料的δ 铁素体取代了传统 TRIP 钢中 α 铁素体，因此被命名为 δ-TRIP 钢。除较好的力学性能外，δ-TRIP 钢中只含有少量的 Si 元素，可避免热轧和镀锌时的表面问题，因此认为具有潜在的工业应用可能性。此外，有人研究了高 Al-TRIP钢（质量分数为 3%-5%Al），其热轧态和热处理态下均有大量 δ 铁素体存在，其热处理后的显微组织为α铁素体、δ 铁素体、贝氏体（板条铁素体薄膜状残留奥氏体）以及块状残留奥氏体的复合组织。由于 Al 的添加，可降低钢铁材料密度 4.5%-8%，从而可以更加有效地实现了轻量化，而且高 Al-TRIP 钢因其高 Al 含量而能获得超高延性，且可电阻点焊，因此 δ-TRIP 钢作为第三代汽车钢产业化前景较好。目前，宝钢正在开发 590MPa、780MPa、980MPa 级冷轧和热镀锌 δ-TRIP 钢。

 

    5、热冲压成形钢

 

    钢板热冲压新技术是一种将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具，快速冲压，在压机保压状态下通过模具（而不是空气）对零件进行淬火冷却（并要保证一定的冷却速度），最后获得超高强度冲压件（组织为马氏体，强度在 1500MPa 左右甚至更高）的新型成形工艺。该技术需要一种特殊的高强钢，这种钢初始抗拉强度在400-600MPa 左右，奥氏体化以后通过快速淬火处理，可以得到马氏体组织，其强度能达到 1500MPa，甚至更高。自2000 年安赛乐米塔尔开发出高强度热冲压成形钢以来，热冲压成形技术迅速推广，热成形构件产量迅速增长。2013 年全世界已有 159 条热成形机组，大部分集中在欧洲和北美，而热冲压构件产量已达到 4.5 亿件。美国福特公司 2010年版福克斯车型中，热成形构件占白车身重量的 26%。瑞典沃尔沃公司预计热成形构件在其成型白车身中的饱和极限重量比将达到 45%。德国大众汽车公司建起了多条热冲压成形生产线，在新车型中大量采用热冲压构件。我国长春 BENTLER、昆山 GESTAMP、上海BENTLER、上海 COSMA 和上海宝钢热冲压零部件有限公司建有热冲压生产线，而且武钢研究院建有一条热冲压成形试验生产线。预计我国的热冲压成形生产线将在近期内得到迅速发展。目前，宝钢、武钢、本钢、华菱正加紧热冲压成形钢的开发。宝钢已开发出抗拉强度高达 1200MPa 和 1500MPa 的冷轧热冲压成形钢。而且，该公司开发的抗拉强度高达 1500MPa 的镀层（GI 和 GA）热冲压成形钢已完成大生产试制。目前，该公司正在开发抗拉强度高达 1800MPa 的冷轧、镀层热冲压成形钢。武钢开发1300MPa 和 1500MPa 级热成形钢，碳含量为 0.20%-0.23%，室温下组织为铁素体渗碳体，抗拉强度约为 500MPa，伸长率约为 26%。热成形后获得全马氏体组织，实物零件强度达到 1350MPa 以上，同时可获得 4.5% 以上的伸长率。安赛乐米塔尔是世界上首家提供带铝硅涂层热冲压成形钢 Usibor?1500 的钢铁生产商。该产品现在已授权华菱安赛乐米塔尔汽车板有限公司生产。Usibor?1500是一种适用于汽车结构件和安全件制作的热成形钢种。与常规冷冲压件相比，热冲压后的最终部件具有非常高的机械强度，能够降低 30% 至 50% 的重量，而且无回弹。另外，本钢集团研发出PHS1500 冷轧退火热冲压成形钢，并成功应用在国产某大型汽车品牌高档轿车上，零件屈服强度达到 1200MPa 以上，抗拉强度达到 1500MPa 以上。超高强度热冲压成形钢是未来汽车用钢一个发展方向，特别是带镀层的热冲压成形钢，未来用量可能会有较大的提升。

 

9 高强度汽车齿轮表面强化技术的研究进展

 

     齿轮是机械装置中传递动力的重要零部件 , 日本机械学会曾对各行业的齿轮传动失效实例进行过系统调查研究 ,约 74% 的齿轮传动副失效因齿轮表面疲劳失效而引起 , 这充分说明 , 齿轮的强度和使用寿命与机械装置优劣紧密相关。近年来 , 随着现代汽车和新能源汽车、军用车辆、舰艇、航空航天器、高速铁路设施等技术的进步发展 , 其动力传动机构进一步要求齿轮具有高强度化、高速度化、高效率、高寿命、轻量化和小型化 （ 四高一轻小 ） 等特点。这不仅对齿轮的设计提出了新的课题 , 也为开发新材料和创新型材料加工技术带来新的研发任务。其中表面强化技术是保证齿轮实现四高一轻小的关键。目前，我国在高强度齿轮设计与制造技术方面与欧、美、日等国家相比还存在相当差距 , 特别是表现在高档汽车和机械产品的零部件与国外产品的强度和使用寿命等方面的差距尤为突出 , 制约了我国汽车自动变速器及其他高端机电装备的发展 , 因此全面提升高端齿轮的高强度化成为势在必行的重要课题。众所周知 ,根据研究实践表明 , 提高齿轮的疲劳强度寿命极限 , 既需要改善优化材料的合金成分、渗碳、碳氮共渗热处理技术 ,还必须与齿轮的表面强化处理技术的研究开发结合起来 , 即实现综合的齿轮表面完整性得到更佳的齿轮抗疲劳性能 ,才能实现对高强度齿轮接触疲劳极限、弯曲疲劳极限、疲劳耐久寿命、最佳摩擦因数的高性能要求。

 

 

    近年来 , 各汽车公司为了开发新的市场都在不断地提高汽车保证行驶里程，许多国际上著名的汽车公司都已经把保证行驶里程提升至 34 万公里以上。为了达到这个性能指标 , 美国、日本、欧洲等汽车公司都提出了更严格的市场规范要求 , 加大了对提高齿轮疲劳强度寿命的研究力度 , 并从多要素综合指标的角度深入开展研究开发。这主要包括齿轮合金材料的分析优化、齿轮最优热处理技术、齿轮表面强化技术 , 如磷酸锰转化涂层化学处理、齿面复合喷丸、二硫化钼加微粒喷丸齿面喷涂等齿轮表面强化技术的研究 , 并在轿车自动及手动变速器的应用中取得了良好的实践效果。

    1、 汽车齿轮材料技术及研究现状

 

    1.1国内外汽车齿轮材料及齿轮工艺参数

 

    模数是齿轮重要的参数 , 选取汽车齿轮模数通常要考虑强度、噪声、轻量化及加工工艺等因素。表 1 为乘用车和商用车齿轮常用模数及直径工艺参数范围。

 

 

    汽车齿轮在传递扭矩和改变速度过程中 , 通常处于高速、高载荷、交变冲击载荷等工作环境中。汽车齿轮材料不仅需要良好的机械加工性能和热处理渗碳淬火性能 , 还必须满足合理的成本需求。为保证齿面和齿顶端淬火深度的稳定性 , 通常选用碳质量分数为 0.2% 左右 , 单独或复合添加 Ni、Cr、Mn、Mo等合金元素的渗碳合金钢。日本、德国在汽车高强度齿轮低碳合金钢材料领域进行了长期的研究开发 , 表 2 为常用汽车齿轮材料的成分组成 , 目前国内外汽车齿轮用钢主要为 20CrMnTi（ 国内 ）、20MnCrS（ 德系 ）、20CrMoH（ 日系 ）， 表中钢种 A、B、C 为高疲劳用钢。

    1.2齿轮失效形式及机理

 

    汽车齿轮处于连续负荷工作的状态 , 齿轮的啮合面之间既有滚动 , 又有滑动 , 同时齿根部还受脉冲与交变弯曲应力作用。齿轮通常有 4 种不同破坏形式：①轮齿折断；②宏观点蚀与微观点蚀；③磨损；④齿面胶合。

    上述齿轮的失效多数源自于齿面或齿根的表面 , 由此看出齿轮的表面非常重要 , 齿轮表面完整性是指无损伤或强化后的表面状态及由其决定的性能，齿轮表面完整性包括表面残余应力、显微硬度、表面粗糙度、微观结构等 , 对于齿轮表面涂层改性还需考虑厚度和结合强度等因素。无论表面化学热处理 , 还是喷丸形变强化处理 , 均对齿轮的表面完整性的表面粗糙度、形态特征、组织结构、硬度、残余应力等产生影响 , 而齿轮的表面完整性与其弯曲疲劳抗力及接触疲劳抗力之间有密切的关系。

    1.2.1齿轮弯曲疲劳破损机理及材料研究

 

    齿轮强度主要是齿轮的弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度。为齿轮的弯曲折断破损 , 主要原因是齿轮根部受到反复的集中应力作用下产生裂纹并逐步扩大致失效 , 弯曲疲劳裂纹从齿轮表层部的晶界氧化层产生 , 沿着表层下方的奥氏体晶界扩展至硬化层深处 , 进而引起结晶粒界破坏。

    材料表层部的晶界氧化层主要由Si、Mn、Cr 等可提高淬火性能的合金元素组成 , 其晶界边缘易产生局部不完全淬火领域 , 形成由屈氏体和贝氏体构成的不完全渗碳异常层。

    提高齿轮弯曲疲劳强度通常采用加大齿根 R 角 , 高压力角设计 , 热处理采用渗碳淬火或碳氮共渗热处理及喷丸强化等表面处理技术。例如 , 改善不完全渗碳异常层的方法一般可采用提高淬火速度 , 但要注意避免产生较大的齿面变形；或是采用降低 Si、Mn、Cr 等元素含量的同时增加 Ni,Mo 等利于提高淬火性能的合金元素。

 

    1.2.2 齿面接触疲劳机理及材料研究

 

    齿面疲劳破损是齿轮对在齿面接触应力和齿面啮合相对滑动速度不同时所产生的拉伸应力的反复作用下造成的。破损形式以表面破坏点蚀和剥落为主 ,图 4 为齿轮点蚀破损实例。

    齿面疲劳点蚀寿命与齿轮啮合时的表面温度、齿面粗糙度、摩擦因数呈正比 , 与润滑油动黏度成反比。通常提高材料高温状态硬度和回火软化抵抗可有效地增加齿轮的齿面疲劳寿命 , 试验表明 , 将齿面的碳质量分数由0.8% ～ 1.0% 提 高 到 2.0% ～ 3.0%可抑制材料表层的高温软化 , 但高浓度渗碳时由于微小碳化物大量析出 , 渗碳时间和扩散时间需要严格控制。另一种方法是材料中适当提高 Si、Cr 等合金元素的含量并实施碳氮共渗热处理方法可使齿面接触疲劳寿命大幅提高。

    2、 热处理技术

 

    2.1齿轮材料热处理基础研究

 

    通过齿轮材料的基因分析和基础性能实验掌握材料基本参数与强度特性对热处理数值模拟 , 预测热处理变形和强度至关重要。由于热处理中渗碳渗氮的扩散过程 , 温度变化、相变生成、应力应变是多场耦合行为的动态过程 , 掌握多场耦合的动态过程是获得齿轮最优热处理工艺的关键。例如 , 齿轮钢在热处理过程中会产生相变塑性 , 其行为将直接影响齿轮在热处理后的变形和残余应力。因此 , 进行齿轮的热处理模拟时 ,若不考虑相变塑性往往很难预测并控制齿轮的热处理变形 , 无法确定热处理前机械加工余量。

    2.2热处理

 

    齿轮热处理强化技术应当注重表面完整性的控制 , 即控制表面硬化层的组织结构、硬化层深度、心部硬度、残余应力等。齿轮热处理控制不当易导致表层出现过度晶界氧化层组织、脱碳、微观裂纹等缺陷。

    2.2.1 氮碳共渗

 

    氮碳共渗 （ 软氮化 ） 与渗碳相比 ,处理温度低 , 一般在 460 ～ 600℃进行 ,因此齿轮变形小。渗氮可以提高齿轮表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗蚀能力。日本汽车公司对部分疲劳寿命极限要求不高 , 热处理后不做齿面精加工的汽车齿轮 , 在热处理时采用氮碳共渗工艺 , 通常以提高齿轮表面的耐磨性为主要目的。

    2.2.2 表面淬火

 

    表面淬火主要包括感应淬火、激光淬火等。与渗碳淬火相比 , 表面淬火变形小。汽车齿轮表面淬火主要采用感应淬火。据齿轮模数的不同 , 采取不同方式的感应淬火，如齿轮模数为3～5mm,采用高频感应淬火；当模数增大到5 ～ 8mm, 一般选中频感应淬火。高频加热淬火能得到沿齿轮廓均匀分布的淬硬层 , 应用高频淬火热处理对汽车转向小齿轮进行强化 , 试件疲劳强度得到大幅提高。高频热处理具有 CO 2 排放少 ,齿轮疲劳强度和耐磨性能高 , 畸变较小的突出优点。激光淬火具有淬火区晶粒细小且均匀、齿轮变形小等优点 , 为大模数、高精度的齿轮提供了一种有效的齿面强化途径 , 但其成本较高。

 

    2.2.3 渗碳

 

    渗碳是汽车齿轮表面处理中普遍应用的化学热处理方法之一。经渗碳处理可使齿轮具有很好的综合力学性能 , 有效防止轮齿折断。

    目前渗碳的方法有气体渗碳、真空渗碳以及等离子渗碳。气体渗碳是低碳合金钢齿轮广泛采用的表面强化工艺 ,可使齿轮表面获得较高硬度 , 提高其耐磨性 , 而心部仍为原始的板条状马氏体组织 , 以保持良好的韧性。

    高温渗碳将齿轮渗碳温度从 900℃提高到 1050℃ , 可显著缩短渗碳时间约 50% 以上 , 可有效提高生产效率。但是高温渗碳容易导致奥氏体晶粒粗大化 , 降低齿轮疲劳性能 , 且变形大。为克服高温渗碳时晶粒长大问题 , 国内外学者发现微合金化是抑制齿轮钢的奥氏体晶粒长大的有效手段。日本的研究表明可以通过在热处理过程中主动控制渗碳深度和表面硬度 , 可获得最佳渗碳层深度和最小的变形。通过调整添加 Nb、Ti 和 B 等合金元素 , 有效控制了经高温渗碳产生的奥氏体晶粒粗大化 , 较好的解决了上述问题。真空渗碳与等离子渗碳具有不产生晶界氧化 , 表面力学性能高 ,CO 2 排放较少 , 热处理过程时间短节省能源消耗的优点 , 但成本较高。

    2.2.4 碳氮共渗

 

    碳氮共渗热处理 , 通过有效掌握氮浓度和加氮的时间节点就能较好提高齿轮强度和耐磨性 , 采用碳氮共渗热处理法 , 有利于残余奥氏体含量的调整抑制初期疲劳裂纹向深处发展。传统的渗碳淬火钢 （20CrMoH） 的渗碳异常层厚度约为 15 ～ 20μm 左右 , 采用碳氮共渗处理法的渗碳异常层厚度只有其 1/2。

    碳氮共渗能有效提高渗层深度、细化奥氏体晶粒、减小齿轮变形、提高齿轮强度和耐磨性能。汽车用自动变速器渗碳齿轮啮合的齿面工作实际瞬间温度约达 250 ～ 270℃ , 高于常用回火温度范围 150 ～ 200℃ , 较高啮合温度将导致齿面硬度下降 , 易产生疲劳点蚀现象。采用碳氮共渗工艺 , 通过调整渗氮量 , 提高抗回火性能 , 抗回火温度达到 300℃左右。

    3、抗齿轮弯曲疲劳表面强化技术

 

    3.1齿轮基础实验

 

    日本、德国在齿轮的基础研究领域做了大量研究。钢辊（Steel roller） 试验是国外大学与研究机构齿轮基础实验研究普遍采用的方法 , 取得了大量的实验数据和研究成果。例如 ,日本应用钢辊试验进行齿轮粗糙度和模拟加工缺陷对接触疲劳寿命影响的研究。

 

    图 1 所示为不同表面粗糙度齿轮材料钢辊试件的最大赫兹接触应力与疲劳循环次数关系。研究表明表面粗糙度最低的 C 钢辊具有较高的接触疲劳寿命极限 , 有模拟加工直径 0.1mm 小孔的表面缺陷的 C′钢辊接触疲劳寿命最低。

 

图1　最大赫兹接触应力与疲劳循环次数关系

 

    3.2齿轮喷丸强化

 

    喷丸强化通过机械手段在齿轮表面产生压缩变形 , 使表面产生形变改性层 , 从而使表面强度提高 , 是齿轮提高齿轮疲劳强度广泛应用的方法。喷丸处理使齿面强化层内产生很大的塑性变形 , 齿面表层残余奥氏体向马氏体转变 , 诱发转变成的马氏体有方向性 , 并沿滑移线平行成束排列 , 原始马氏体的位错密度增加 , 结构得到细化 , 喷丸使得齿轮的表面显微硬度和齿面数十微米下的残余压应力提高 , 可大幅度提高汽车齿轮的弯曲疲劳强度极限和使用寿命。喷丸处理使得齿轮表面完整性发生下列主要变化 , 即①引入残余压应力场；②形变细化组织结构；③表面硬度的变化；④表面粗糙度改变；其中①②③前 4 种表层变化 , 均可改善齿轮的疲劳寿命 ,而喷丸带来的表面粗糙度增加则可能降低材料疲劳性能 , 对齿轮的噪声产生恶化 , 不利于汽车的振动噪声特性。通过控制喷丸强度、丸粒直径等工艺参数、采取复合喷丸来改善喷丸对齿轮表面完整性的影响。齿轮喷丸强化表面完整性的控制关键则主要体现在对齿面残余应力分布状态与表面粗糙度的控制 , 避免出现“欠喷”和“过喷”两种不当的喷丸强化。

    3.2.1 强力喷丸

 

    日本在汽车齿轮抗弯曲疲劳强度表面强化技术研究方面 ,研究开发了多种形式的齿轮表面喷丸强化处理技术。

    日本马自达汽车公司首先研究开发了高压喷嘴形齿轮表面强力喷丸处理技术。该处理技术在室温条件下 , 用可控性极好的喷嘴形喷丸机使高硬度铸造钢丸 （Φ0.4 ～ 0.6 mm） 在高压下高速碰撞齿轮表面 , 使齿面在受到反复加热和急冷瞬间得到强化 , 齿轮表层附近的残留压缩应力显著提高 , 从而抑制疲劳裂纹的进展。图 1 所示为采用 Φ0.6 mm 钢丸在不同压力条件表面喷丸强化处理后齿面表层附近的残余压缩应力分布 , 其齿面硬度也发生一定的加工硬化。

    通常在其他条件相同的情况下 , 喷丸强度越大 , 残余奥氏体转变为马氏体的深度越深 , 同时 , 残余奥氏体转变为马氏体的量也越多；即喷丸强度与马氏体的转变深度和转变量均成正比。

    3.2.2 微粒喷丸

 

    强力喷丸可大幅度提高齿轮表层附近的残余压缩应力 ,促使残余奥氏体转变为马氏体 , 提高了齿轮的弯曲疲劳强度 , 然而也使得齿轮表面的粗糙度增加。微粒喷丸 （ ≤ Φ0.1mm） 技术既可提高齿轮表层附近的残余压缩应力 , 又能有效降低喷丸对齿轮表面的粗糙度的影响 , 满足了齿轮对表面粗糙度的要求。

    3.2.3 复合喷丸

 

    日产汽车自动变速器研发中心采用高压强力复合喷丸强化技术对变速器齿轮进行了表面改性强化研究 , 较大幅度的提高了齿轮的疲劳寿命。即首先采用高硬度较大丸粒（Φ0.6 ～ 1.0mm） 在高压、高速条件下喷丸 , 然后再用直径较小的高硬丸粒 （Φ0.1 ～ 0.2mm） 进行喷丸 , 在齿轮表面形成复合残余压缩应力 , 减轻表面加工硬化 , 改善表面粗糙度 ,提高表面硬度 , 齿面附近的残余压缩应力得到显著提高 , 进而抑制齿轮疲劳裂纹的展开。既保证了齿轮齿根附近有较大的残余压应力又不使齿面粗糙度有大的变化。具体的强力喷丸强度大小 , 一般采用试片进行喷丸強度的测量。

    不同类型的表面喷丸强化处理后齿轮表面附近的残余压缩应力分布 , 其中复合喷丸比微粒喷丸和强力喷丸的强化效果更为明显 , 表面最大残余压缩应力可达到 1300MPa。

    通过采用回转弯曲疲劳试验做出多种喷丸强化处理方法的弯曲疲劳强度极限 , 喷丸强化处理后齿轮弯曲疲劳极限大幅提高。齿轮渗碳淬火后采用表面复合喷丸强化可使齿轮的弯曲疲劳极限提高两倍以上。

    3.2.4 其他喷丸新技术研究

 

    随着科技的发展 , 作为导入残余压缩应力、改变表层材料组织结构、增强疲劳寿命的一项重要技术 , 新型新技术不断被开发应用 , 例如 , 空化水喷丸、激光空穴喷丸、超声波喷丸等。

    空化水喷丸原理 , 该工艺利用微小空化气泡溃灭时产生的冲击波压力和高速微射流打击齿轮表面 , 使齿轮表面层内发生高密度位错积累从而形成残余压缩应力层 , 来达到强化金属表面的目的。

    激光空穴喷丸可以通过激光聚焦点处的微小空化气泡溃灭产生的冲击波对狭小的空间进行喷丸 , 参数可精确控制 ,残余压缩应力更大。超声波喷丸中 , 弹丸从各方向以超声频撞击已被固定的材料表面 , 由于其引入材料内部的能量较大 ,可用于实现材料表面的纳米化 , 降低氮化温度等方面。

    3.2.5 影响喷丸效果的主要因素

 

    喷丸强化处理的最佳效果受到不同条件的相互影响 , 其主要工艺参数如下表 4 所示。

 

 

    4、抗齿面接触疲劳表面强化技术

 

    近年来由于齿轮表面喷丸强化处理技术的研究开发成果 ,使得齿轮弯曲疲劳强度寿命极限得到大幅度提高 , 齿轮抗弯曲疲劳强度极限超过了齿面接触抗点蚀疲劳强度极限 , 如何进一步提高齿面接触疲劳强度极限已成为高强度齿轮技术的最重要研究课题。

    齿轮对在齿面高接触应力和齿面啮合快速相对滑动产生的拉应力反复作用下会产生齿面疲劳损伤。为了防止这类损伤的产生 , 采用齿面改性涂层技术 , 可有效改善齿轮副的表面完整性和抗齿面疲劳性能。

    4.1磷酸锰转化涂层

 

    磷酸锰转化涂层工艺在提高传动部件表面强度的应用最早出现在轴承滚子的疲劳寿命改善方面。齿轮表面磷化处理后获得的磷酸锰转化涂层可以有效降低摩擦副表面的摩擦系数 ,具有良好的抗咬合或擦伤性能。在日本 , 在高强度齿轮研究实践中首次将磷酸锰转化涂层技术应用于汽车自动变速器齿1转化涂层 , 研究了磷化晶粒尺寸与涂层表面孔隙的储油特性的关系 , 结果表明在表面浸油润滑条件下 , 钢表面的超微细磷酸锰转化涂层具有明显的减摩与耐磨效果。Wang 等对磷化膜后处理与润滑状况对其摩擦学特性的影响规律进行了研究。

    磷酸锰转化涂层的制造工艺主要包括采用脱脂剂在温度70 ～ 95℃脱脂槽内对齿轮表面进行前处理 , 水清洗 , 然后在处理温度 40 ～ 80℃条件下进行表面调整 , 磷化处理的温度条件80 ～ 100℃ , 酸比控制在 5.6 ～ 6.2, 处理时间 10 ～ 15 min。

    涂层的形成通过如下化学反应来实现 :

    Mn（H 2 PO 4 ） 2 = MnHPO4+H 3 PO 4

    Fe（H 2 PO 4 ） 2 = FeHPO 4 +H 3 PO 4

    3（Mn,Fe）（H 2 PO 4 ） 2 =（Mn,Fe） 3 （PO 4 ） 2 +4H 3 PO 4

 

    磷酸锰转化涂层处理后 , 齿轮表面产生数微米的软质层 ,填平了齿轮表面大部分凹凸切削波纹 , 降低了齿面的局部最大啮合接触应力和金属表面摩擦因数 , 改善了齿轮啮合时的油膜状况和润滑状况。通过控制磷酸锰转化涂层的工艺参数来影响涂层的密度和晶粒尺寸 , 可以获得超微细磷酸锰转化涂层 , 处理后齿面产生 3 ～ 5μm 的软质层 , 生成的涂层密度约为 2.2g/m 2 。普通磷酸锰涂层处理和超微细磷酸锰涂层处理的选取需要结合齿轮加工工艺和实际工作条件来判定。

 

    试验表明 , 磷酸锰转化涂层使变速器齿轮的抗点蚀疲劳寿命提高了 3 ～ 4 倍。

    4.2二硫化钼（MoS 2 ）镀膜技术

 

    二硫化钼 （MoS 2 ） 作为一种优质的固体润滑材料 , 具有良好的减摩、抗磨和承载能力。二硫化钼 （MoS 2 ） 膜具有层状的结构 , 组成沉积膜层的粒子本身具有较低的硬度和较高的稳定性。

    通过采用 MoS 2 来提高齿轮表面承载能力成为当前的一个研究热点 , 国内外学者做了大量研究。R.I.Amaro 等采用磁控溅射在花键齿轮上获得 MoS 2 润滑膜 , 在高转速下有效的降低摩擦 , 提高了疲劳寿命极限。K.Holmberg 等采用 MoS 2 /Ti 复合涂层技术能够进一步降低摩擦因数 , 室温下摩擦因数可低至0.07, 有效减轻摩擦副运行中的摩擦和磨损。R.C.Martins 等对二硫化钼复合涂层涂镀的齿轮进行了 FZG 台架试验 ,MoS 2 涂镀的齿轮在 5 级载荷 3000r/min 的条件下运转的齿轮箱温度和摩擦因数明显下降。日本日产汽车和马自达汽车公司研究在变速器齿轮的开发实践中应用了表面二硫化钼镀膜处理技术。其主要原理是镀 MoS 2 膜后 , 在齿表面产生 2 ～ 3μm 的软质涂层 , 可降低齿面局部最大啮合接触应力和表面摩擦系数 ,提高齿轮啮合时的润滑状况。

    图 2 为不同材料的齿轮和齿面经二硫化钼 （MoS 2 ） 表面镀膜的齿轮疲劳寿命比较 , 图中钢种 A（1Cr-0.4Mo） 为常用齿轮钢、钢种 B 为钒添加齿轮钢、钢种 C 为 Mn、Mo 增量齿轮钢。试验结果表明表面二硫化钼镀膜处理后 , 齿轮初期啮合运转后齿面平滑性明显提高 , 疲劳寿命提高了 3 倍以上。

 

    4.3超微细复合材料喷涂技术

 

    近年来 , 日本和台湾的公司研究应用了含有 MoS 2 和超微细金属粒子复合材料的喷涂技术 , 其作为压力喷涂领域的一种新工法 , 在高强度齿轮表面强化领域得到了很好的实践效果 , 其工艺过程如图 3 所示。

 

 

    主要是利用高压惰性气体推动球状研磨滚珠及固态润滑剂 （MoS 2 ） 复合材料在高温高压的条件下撞击齿轮表面 , 并渗透进齿面 1 ～ 20μm 深度 , 使金属表面 20μm 深度的相组织发生改变 , 齿面因球形颗粒冲击而形成多处微小孔洞 , 使其表面组织被细微压缩而造成外应力减少 , 表面硬度显著提高 ,并通过固态润滑剂附着在表面 , 进而提高齿面的自润性。降低齿面粗糙度，提高齿轮啮合质量，降低啮合噪声。实验表明，变速器齿轮滚针轴承内缘经复合材料喷涂处理后表面压痕平整度获得较大改善 , 同时表面形成的无数细微凹坑 , 利于油膜的形成 , 进而提高摩擦表面的油膜附着性 , 增强疲劳极限。

    4.4齿轮表面复合强化技术

 

    随着齿轮要求的不断提高和齿轮表面加工工程技术不断发展 , 将两种或多种表面强化技术对齿轮进行复合处理 , 提高齿轮的表面完整性以满足齿轮更加苛刻的使用要求 , 成为现如今齿轮领域的一种重要手段 , 如：QPQ（Quench polishquench）盐浴复合处理技术、热喷涂与喷丸结合的复合涂层技术、涂层与喷丸复合技术等。QPQ 盐浴复合处理技术是低温盐浴氮碳共渗加盐浴氧化的一种高抗蚀性和耐磨性的金属表面改性技术。通用汽车利用该技术提高了内燃机缸套的耐磨性。大众汽车的凸轮轴与中国重汽的重型汽车减速器的内齿轮也采用了 QPQ 技术。热喷涂与喷丸相结合的复合强化技术使齿轮既有高抗弯曲疲劳性能 , 也有良好的抗接触疲劳性能 , 并增加了齿轮的减摩润滑性能。

    4.5滚筒抛光研磨法和磨料流加工技术

 

    滚筒研磨石抛光研磨处理 （Barrelling） 在一定条件下 , 可较好地改善齿面粗糙度和齿轮疲劳寿命且成本低。其处理过程采用不同种类材料数毫米直径的研磨石和研磨粉的混合体与研磨处理槽朝着同一方向回转 （100m/min）， 被加工齿轮的回转方向与其相反 , 同时进行上下平移运动 , 处理时间约为15 ～ 30 min。日本佐贺大学穗屋下教授同笔者和日本住友重工公司共同研究了齿轮喷丸强化处理后的滚筒抛光研磨法 , 取得了较好的实验效果 , 引起了美国和日本有关专家的关注。

    磨料流加工（Abrasive flow machining），一种用具有流动性的聚合物载体和磨料组成的弹性材料对工件进行表面抛光和去毛刺的新工艺技术。Xu 等对斜齿轮进行了磨料流处理 , 通过仿真与试验研究证明了 AFM 可以有效地提高斜齿轮的表面粗糙度质量。滚筒研磨抛光和磨料流技术中磨料介质的选择及配比对加工的效果十分重要 , 继续开展磨料对齿面粗糙度、疲劳强度的仿真与实验研究 , 以及多种磨料介质的最优选取与配比研究十分重要。

    4.6油品对齿轮疲劳强度寿命和磨损的影响

 

    汽车自动变速器润滑油 （ATF） 除要满足齿轮和轴承的润滑外还承担着液压控制油和离合器等部件的润滑和冷却作用以及动作平稳性的控制作用 , 对油品的动摩擦因数和静摩擦因数及其氧化耐久性都有非常苛刻的要求。近年来由于汽车自动变速器对控制系统精度和滑动性要求的提高 , 油品对齿轮系统的润滑面临很大的挑战。表 5 是汽车自动变速器两种不同油品代表性状。

 

    用于试验的斜齿齿轮对分别做了复合喷丸和磷酸锰化学处理 , 实验表明齿轮磨损量与点蚀率成反比关系。

    5、齿轮表面强化的科学问题与发展

 

    5.1齿轮表面强化的数值模拟研究与科学问题

 

    在科学研究和工程技术领域 , 数值模拟是理论分析和实验测试并重的基础研究方法。数值模拟技术的发展为齿轮表面强化技术的优化设计研究提供了平台。

    在齿轮喷丸强化过程的力学数值模拟研究领域 , 国内外学者做了一定的研究应用 , 包括采用弹塑性模型的一维解析法对由喷丸残余应力的预测 , 考虑喷丸强度因素进行二维喷射过程的模拟 ,运用有限元三维模型进行喷丸对微裂纹扩展、齿轮表面形貌的数值模拟研究等大量工作。然而对于喷丸强化材料纳米尺度力学性能研究 , 喷丸参数与齿轮性能提高的定量关系 , 以及不同材质、直径的弹丸多次连续撞击情况的模拟仍然需要进一步深入研究。

    基于表面结构优化来改善齿轮副表面的摩擦磨损润滑性能 , 该领域的研究一直是学术界和工程界长期关注的热点。不同的加工及表面强化处理对齿面几何形貌、粗糙度的影响直接关系到齿轮的润滑状态。因此 , 研究齿轮不同齿面形貌混合弹流润滑特性 , 求解齿面弹性变形、表面温升及接触闪温 , 分析不同涂层表面润滑状态下的热解以及表面形貌与齿轮摩擦磨损的定量规律 , 对齿面失效机理研究与齿轮强度优化设计十分必要。

    由于齿轮传动的内外部激励和非线性因素丰富 , 工作环境复杂多变 , 使其动力学分析十分复杂，制造、加工、误差、磨损、润滑和运行环境等因素将导致齿轮系统激励参数具有不确定性 , 多个不确定性因素同时存在 , 导致了齿轮系统问题的高维性 , 这使得齿轮失效机理与强化机理研究变得困难。因此 , 研究齿轮系统动力学 , 需要考虑不确定性优化设计方法与灵敏度分析方法。

    5.2齿轮表面强化技术的发展

 

    各种复杂工况下的齿轮传动系统使齿轮表面强化技术不断出现新的课题。例如 , 汽车传动系统轻量化及新能源汽车变速器高转速、高扭矩的工作状况对汽车齿轮强度提出更高的要求 , 新能源电动汽车变速器工况由传统汽车发动机的最高转速 6500r/min 升至 14000r/min, 转矩提高约 30%, 齿轮的疲劳寿命提高 40% 以上。单一的表面强化技术难以满足综合性能要求高的齿轮使用要求 , 多种复合表面强化技术进行复合处理的表面强化技术将在高强度齿轮领域得到研究应用。

    表面强化技术的发展需要适应齿轮高强度、高精度、高疲劳寿命、低噪声的多目标要求。而各目标之间的非独立性和矛盾性使复合表面强化技术绝非是单一强化技术的叠加。齿轮复合表面强化技术应建立齿轮表面复合强化的多目标优化方法 , 运用多目标优化设计理论 , 对齿轮表面热处理、喷丸强化技术、表面转化涂层等工艺的强化机理与齿轮表面完整性的科学理论关系进行系统的基础研究。齿轮表面热处理未来的研究重点包括 , 通过齿轮材料基因分析和基础性能实验掌握材料基本参数与强度特性 , 预测齿轮热处理变形的数值模拟与控制技术研究、新型齿轮用钢以及新型热处理工艺的研发；齿轮喷丸强化技术的研究结合材料力学、现代力学 , 对喷丸参数与齿轮表面完整性（残余应力场、粗糙度、纳米尺度的力学性能等）关系；齿面各种涂层的摩擦学研究是齿轮研究的重要问题之一 , 基于齿轮实际工作状况、瞬态温度场和润滑条件 , 深入开展齿轮涂层表面完整性对接触疲劳寿命的影响规律研究。另一个重点是控制涂层组织中晶粒尺寸大小、分布以及晶界尺寸等 , 使涂层具有更高硬度与韧性 , 如何进一步实现对晶粒的控制成为研究的重要环节。

    6、总结

 

    （1） 表面强化技术是高强度汽车齿轮的重要技术之一 , 在汽车技术领域里占有重要的位置。目前 , 尚不能完全满足汽车自动变速器在轻量化 , 高转速、高扭矩、高耐久性的目标要求 , 应更加注重齿轮的材料与表面强化的基础与应用研究。

    （2） 齿轮表面热处理、喷丸强化、表面涂层等表面强化技术对汽车变速器齿轮的疲劳强度极限提升有良好的实践效果 , 在引进吸收国际技术的同时 , 进一步开展齿轮表面完整性与抗疲劳强化机理的研究是解决当前我国高强度齿轮技术问题重要任务之一。

    （3） 齿轮表面强化的数值模拟研究应结合热力学、相变热力学、材料力学、固体力学、摩擦学及齿轮动力学等交叉学科 , 建立齿轮表面强化参数与齿轮性能提高的定量关系将是该领域研究的重点。齿轮高抗接触疲劳、高抗弯曲疲劳的复合表面强化技术 , 应注重各表面强化处理的相互作用机理和基础研究 , 从多要素综合指标的角度 , 探索新型的齿轮复合表面强化方法 , 以实现齿轮发展的高强度化的目标要求。

 

10 新能源汽车技术现状及腐蚀机理

 

     新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其它能源汽车。众所周知，这些新能源汽车都是为了解决了大气污染、石油资源枯竭等环境和资源问题。新能源汽车主要有燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等。其废气排放量比较低。除前面提及新能源车其他类型新能源汽车仍在不断开发中，如用压缩空气作为能源的新能源汽车。下面介绍主流新能源汽车现状。

 

    1、 新 能 源汽车技术现状

 

    混合动力汽车

 

    混合动力汽车混合动力汽车是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多种分类形式。目前油电混合的汽车成为混合汽车的主流。就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。目前常用增程和插电式油电混合。

    油电混合动力车辆的节能、低排放等特点引起了汽车界的极大关注并成为汽车研究与开发的一个重点。目前很受市场欢迎。随着电池技术的发展，油电混合动力车有可能被纯电动替代。

    电动汽车

 

    电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。用纯电池的电池的电动车也称纯电动车，目前电池技术制约了续航里程，随着电池技术的发展纯电动车很有可能成为主流车型。

    除了电池为动力电动汽车，超级电容作为电动汽车的能源近年来也得到广泛的应用，超级电容和电池的合并使用，产生了很好的经济效果，日前在大型车辆上以有广泛使用。

    燃料电池汽车

 

    燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。除了太阳能汽车燃料电池汽车是最环保的，只要加氢即可续航。储氢压力 40-70Mpa，压力对设备的安全性和加氢站的建设是制约燃料电池车发展的瓶颈。

    生物能源汽车生物燃料

 

    是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，生产的主要材料来自自然，当前发展比较成熟的是通过农作物大豆、玉米等生产的乙醇。地沟油提炼也是汽车的生物燃料。

    天然气汽车CNG

 

    天然气汽车是以天然气为燃料的一种气体燃料汽车。天然气的甲烷含量一般在 90% 以上，是一种很好的汽车发动机燃料。2000 年以来，天然气被世界公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料，天然气汽车已在世界和我国各省市得到了推广应用。简称 CNG 汽车，今后还将大力推广应用单燃料天然气汽车。车用压缩天然气的压力一般在 20MPa 左右。可将天然气，经过脱水、脱硫净化处理后，经多级加压制得。其使用时的状态为气体。

    液化石油气汽车LPG

 

    就是家用的液化气也可作为汽车燃料。有两种液化石油气汽车：1 只使用液化石油气；2“双燃料”汽车，可以同时使用液化石油气和汽油或柴油。储气压力 10MPa 左右。

    二甲醚汽车DME

 

    以二甲醚为动力的汽车。二甲醚是最简单的脂肪醚。它是二分子甲醇脱水缩合的衍生物，室温常压下为无毒，有轻微醚香味的气体或压缩液体。像这样的有机化工产品和化学中间体都可以作为汽车的燃料。成本还交高。目前不会成为主流车型。

    太阳能汽车

 

    以太阳能为动力的汽车，是一种最环保的汽车但是目前成本较高，仍在研发之中。

    2、新能汽车腐蚀与防护

 

    电动汽车高温破坏

 

    电动汽车的发热高温的影响主要来源气温和电动汽车的运行。高温对电机、电线和电池破坏作用，特别是电线和电池的影响尤为重要。

    与传统汽车相比，电动运行时汽车电机驱动。大电流引电线发热对电线绝缘材料老化和破坏。在设计时，电机的动力电线加大了安全系数。

    电池发热产生高温，对电池安全性产生影响。目前电池采用风冷的技术，既在高温时风扇，对电池进行降温。我国的新能源发展是最快的国家，就我国的地理位置均在温带。但在高温环境下（如非洲）风冷是否能使电动汽车长期运行？是使用者和研发者都应重视和解决的技术问题。

    电池酸性气体对接触件的影响

 

    电动汽车目前常用电池有磷酸铁锂、锰酸锂等这些电池都带有酸性，虽然采取了很多措施，但难免有酸性气体渗出，对金属构件的腐蚀，特别是电动汽车电器接触件。防护措施是很简单，用非金属材料密封。必须在设计时采用防护技术。

    生物能源、二甲醚汽车等新燃料对密封件的腐蚀

 

    生物能源、二甲醚汽车等新燃料的汽车与汽车相比工作原理没有多大的差别。有些直接和汽油混合使用，从腐蚀的情况来说对密封件的影响较大。主要是非金属材料的密封件可能会受到溶融腐蚀，如橡胶塑料组成的密封件。

    天然气汽车、液化石油及燃料电池压力引起破坏

 

    由于这些燃料都以压力的状态存在，压力对汽车设备的破坏引发安全事故。特别燃料的储存设备的失效，这些设备的防护成本较高，目前用高压钢瓶，铝内胆外包碳纤维树脂，催化减压钢瓶储气。据悉车载高压氢罐技术为燃料电池汽车续驶里程提供保障。目前，氢罐储氢压力向着 70MPa 方向发展，车载供氢系统的安全性、可靠性面临更加严峻的考验因此，这些汽车燃料加注站的安全性也被加以关注，这也影响了这些汽车在人口密集区使用，特别是在城市人口密集区不敢设加注站。这些压力容器，除了要定期检测外，为了安全在长期不使车是释放燃料，以减少对设备的破坏。

    3、结论

 

    新能源汽车技术仍在发展中，哪一种新能源汽车类型成为主流尚未定论，所以对新能源的腐蚀和防护问题仍需关注，才能使我们的资源不会浪费。

 

  （作者：孙芃 来源：上海市腐蚀科学技术学会）