在轻量化的道路上保证材料质(zhì)量

   日期：2020-03-25

严格的碳排放法规和激烈的竞争正在导致整个汽車(chē)供应链的快速变化。当汽車(chē)每减轻100公(gōng)斤重量时，二氧化碳排放可(kě)以每100公(gōng)里减少8.5克，因此减少汽車(chē)重量仍然是当務(wù)之急。制造商(shāng)正在努力从每滴燃油中(zhōng)获取更多(duō)收益，而对于EV（電(diàn)动汽車(chē)）而言，则只需一次充電(diàn)即可(kě)获得更多(duō)收益。

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归根结底，答(dá)案是通过在整辆車(chē)上使用(yòng)更轻的部件来减轻重量，而不管您使用(yòng)的是哪种动力技(jì )术，使用(yòng)更轻的材料替代钢材的作(zuò)用(yòng)比较好。然而，轻量化之路带来了关键的材料分(fēn)析和质(zhì)量控制挑战。

  
材料分(fēn)析有(yǒu)四种关键技(jì )术：激光诱导击穿光谱（LIBS），光发射光谱（OES），热分(fēn)析（TA）和X射線(xiàn)荧光（XRF）。OES，XRF和LIBS都非常通用(yòng)，特别是在识别金属时。另一方面，TA研究材料随温度变化的特性。
  
在这里，我们考虑技(jì )术如何使行业确保材料满足质(zhì)量要求。

变革背后的推动力
  
汽車(chē)发展的主要动力是环境。当前旨在减少排放的立法正在推动汽車(chē)零部件材料的创新(xīn)，并且，随着全球标准变得越来越严格，变革的步伐正在加快。

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為(wèi)了应对日益增加的污染，欧洲排放标准变得更具(jù)挑战性。根据目前的欧6法规，我们将进入下一阶段的标准，到2021年，新(xīn)車(chē)的平均二氧化碳排放量不得超过95g / km。此外，欧盟设定的二氧化碳减排目标為(wèi)2025年达到15％和2030年达到37.5％。这导致大多(duō)数制造商(shāng)开发了電(diàn)动动力总成技(jì )术并努力减轻重量。
  
世界协调轻型車(chē)辆测试程序（WLTP）于2018年生效，以确保新(xīn)車(chē)符合欧6标准；旨在反映评估二氧化碳排放时的实际驾驶条件。
  
在中(zhōng)國(guó)，标准也越来越严格。符合欧洲排放标准的中(zhōng)國(guó)6a将于2020年生效，另外一项标准将于2023年生效。该标准将根据WLTP进行验证，目标是将二氧化碳排放量减少90％以上。同样，美國(guó)有(yǒu)75％的一氧化碳污染归因于机动車(chē)，环境保护署于2020年1月宣布，它正在制定新(xīn)的规则以减少車(chē)辆的排放，并遵循全球榜样，使汽車(chē)更轻。
  
因此，汽車(chē)行业及其供应链需要合作(zuò)，為(wèi)该行业提供材料创新(xīn)，使汽車(chē)变得更轻。
轻金属的兴起
  
汽車(chē)行业对零部件有(yǒu)非常严格的要求。安(ān)全显然是C位的，许多(duō)部件必须是延展性的，以吸收冲击时的能(néng)量，而其他(tā)部件必须具(jù)有(yǒu)强度，以保持结构刚度。
  
新(xīn)合金的开发是一门非常精(jīng)确的科(kē)學(xué)，对熔體(tǐ)化學(xué)进行精(jīng)确到ppm的分(fēn)析是避免残留元素的关键，因為(wèi)残留元素会影响合金的性能(néng)。铝和镁合金因其重量轻、成本相对较低并具(jù)有(yǒu)许多(duō)所需的性能(néng)而赢得了业界的青睐。它们可(kě)以形成复杂的形状，包括发动机部件、变速箱外壳和结构件。
  
事实上，预计到2021年，这些零部件的全球市场将以近7%的复合年增長(cháng)率增長(cháng)，市场规模将达到480亿美元。
  
铝
  
与普通钢材相比，铝的重量只有(yǒu)三分(fēn)之一，近年来，铝在汽車(chē)上的使用(yòng)量直線(xiàn)上升。2018年，宝马(BMW)在其5系車(chē)型中(zhōng)获得了减轻后门重量的概念奖。通过使用(yòng)铝代替深冲钢板，宝马将后挡板从24.6公(gōng)斤减少到11.6公(gōng)斤。到2022年，平均每辆車(chē)预计将含有(yǒu)近100公(gōng)斤的铝，以取代较重的部件。到2025年，汽車(chē)行业将占到所有(yǒu)铝消费量(3000万吨) 的四分(fēn)之一。
  
然而，要大幅提高铝的强度，您需要添加锂。
  
第三代铝锂合金可(kě)以成為(wèi)豪华汽車(chē)各种部件的组成部分(fēn)，结合了低密度、低强度、低刚度和抗损伤性。

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随着铝的提高，提供有(yǒu)效材料分(fēn)析的技(jì )术也在不断发展。快速铝合金分(fēn)选的优先是手持式LIBS分(fēn)析仪，而OES仪器除了分(fēn)析磷和硫之外，还可(kě)以分(fēn)析铝中(zhōng)极低含量的锂(低至0.0005%)。
  
添加磷和硫通常是為(wèi)了改善可(kě)加工(gōng)性；但是，它们都对耐腐蚀性有(yǒu)不利影响，因此需要少量添加。
  
為(wèi)分(fēn)析铝合金而优化的分(fēn)析仪将使制造商(shāng)能(néng)够更有(yǒu)效地进行材料分(fēn)析。
  
理(lǐ)想情况下，它应该配备一个高性能(néng)的光谱仪，能(néng)够测量铝合金中(zhōng)的锂，并能(néng)够测量硼铝合金。
  
硼和锂不能(néng)用(yòng)任何手持XRF分(fēn)析仪测量。如果您需要低于5ppm的硼浓度，那么您应该选择OES分(fēn)析仪以获得比较好结果。
  
镁
  
镁比铝轻，是所有(yǒu)结构金属中(zhōng)强度与重量比较高的。它储量丰富，很(hěn)容易回收，所以它在外壳和空间框架中(zhōng)取代钢和铝，并被普遍用(yòng)于含铝的合金中(zhōng)也就不足為(wèi)奇了。欧宝在Vectra車(chē)型中(zhōng)使用(yòng)了镁作(zuò)為(wèi)仪表盘支撑，与之前使用(yòng)的钢管相比节省了5公(gōng)斤，并简化了制造工(gōng)艺。
  
镁确实有(yǒu)缺点；它很(hěn)脆，没有(yǒu)铝的蠕变抗力。然而，创新(xīn)可(kě)以解决这个问题。澳大利亚莫纳什大學(xué)的一个研究小(xiǎo)组发明了一种改变镁微观结构的方法，这样它就可(kě)以在室温下被压缩成任何形状，而不会破裂。美國(guó)能(néng)源部还开发了一种工(gōng)艺，改善了镁的能(néng)量吸收和延展性，使其在更大范围的汽車(chē)零部件中(zhōng)更具(jù)可(kě)行性。

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正在开发的新(xīn)合金的质(zhì)量来自于拥有(yǒu)合适工(gōng)具(jù)的制造商(shāng)。从确保使用(yòng)正确的材料来控制金属熔體(tǐ)，对组织来说，投资于能(néng)够快速准确地為(wèi)决策提供结果的分(fēn)析仪是至关重要的。对于ppm级别的合金分(fēn)析，OES技(jì )术提供了超精(jīng)确的结果，因為(wèi)该技(jì )术覆盖了金属中(zhōng)所有(yǒu)元素的光谱，包括磷、硫和硼，这些元素根本无法用(yòng)手持LIBS或XRF分(fēn)析仪进行测量或具(jù)有(yǒu)必要的检测极限。新(xīn)一代OES分(fēn)析仪专為(wèi)快速、可(kě)靠和经济实惠的熔體(tǐ)和原材料分(fēn)析而设计。
  
它们可(kě)以分(fēn)析所有(yǒu)主要的合金元素，并识别金属中(zhōng)极低水平的残留元素、痕量元素和处理(lǐ)元素。

钢铁准备卷土重来
  
许多(duō)钢铁制造商(shāng)正在开发一种超轻钢，这种钢材更坚固、更便宜，而且重量几乎与铝一样轻，以求夺回市场份额。随着2021年新(xīn)产(chǎn)品有(yǒu)望上市，人们将很(hěn)难抗拒更强实力和更低成本的诱惑。

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五年后，車(chē)辆使用(yòng)的材料很(hěn)可(kě)能(néng)比以往任何时候都要多(duō)。因此，需要為(wèi)正确的部件使用(yòng)正确的材料并验证材料牌号组成，这将是至关重要的。
  
许多(duō)铸造厂在发货时已经在使用(yòng)分(fēn)析仪。原材料到厂后再到車(chē)间进行检查同样很(hěn)有(yǒu)价值。确保团队手头有(yǒu)手持XRF和LIBS或OES等工(gōng)具(jù)进行材料分(fēn)析和质(zhì)量检查，以验证材料等级，这一点变得越来越重要。

复合材料作(zuò)為(wèi)替代方案
  
比铝轻30%，比钢轻25%，使用(yòng)复合材料是减轻汽車(chē)重量和提高燃油经济性的另一种途径。

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它们的耐用(yòng)性和无需高压工(gōng)具(jù)即可(kě)模制成各种复杂形状的能(néng)力提高了生产(chǎn)效率，降低了成本。
  
几乎所有(yǒu)的TA技(jì )术都可(kě)以用(yòng)于汽車(chē)行业的质(zhì)量控制和研发。通常，DCS分(fēn)析仪用(yòng)于玻璃化转变、结晶行為(wèi)、反应焓和动力學(xué)以及填料的影响；TMA分(fēn)析仪研究材料的膨胀或收缩；DMA分(fēn)析仪比较适合用(yòng)于表征材料的频率、力和振幅相关的机械行為(wèi)。
结论
  
近年来，材料分(fēn)析领域发生了快速变化，以跟上行业新(xīn)法规和创新(xīn)的步伐。OES、XRF、LIBS和TA等技(jì )术的持续开发和应用(yòng)使整个汽車(chē)行业的公(gōng)司更容易进行分(fēn)析，具(jù)有(yǒu)释放商(shāng)业价值的巨大潜力。
  
盈利能(néng)力超大的消耗之一是供应链。延迟分(fēn)析进货材料会消耗营运资金。
  
而且，因為(wèi)您无法进行检查而使用(yòng)杂质(zhì)含量不能(néng)接受的材料，会导致成本增加，并可(kě)能(néng)损害您的声誉。从铸造厂、制造商(shāng)和金属部件生产(chǎn)商(shāng)到電(diàn)子供应商(shāng)和回收企业，為(wèi)汽車(chē)开发过程的每个阶段选择正确的技(jì )术对于确保分(fēn)析跟上不断变化的监管要求至关重要。持续的创新(xīn)和发展对于帮助汽車(chē)业应对今面临的挑战和為(wèi)即将到来的事情做好准备至关重要。

关于作(zuò)者

           

Mikko Järvikivi是日立分(fēn)析仪器公(gōng)司全球产(chǎn)品管理(lǐ)的负责人。Mikko拥有(yǒu)15年的材料分(fēn)析和手持仪器经验，于2006年加入牛津仪器，牛津仪器于2017年7月被日立高新(xīn)集团收購(gòu)。Mikko拥有(yǒu)理(lǐ)科(kē)硕士學(xué)位(理(lǐ)工(gōng)科(kē))。芬兰阿尔托大學(xué)化學(xué)工(gōng)程专业。