在輕量化的道路上保證材料質(zhì)量

   日期：2020-03-25

嚴(yán)格的碳排放法規(guī)和激烈的競爭正在導(dǎo)致整個(gè)汽車供應(yīng)鏈的快速變化。當(dāng)汽車每減輕100公斤重量時(shí)，二氧化碳排放可以每100公里減少8.5克，因此減少汽車重量仍然是當(dāng)務(wù)之急。制造商正在努力從每滴燃油中獲取更多收益，而對于EV（電動(dòng)汽車）而言，則只需一次充電即可獲得更多收益。

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歸根結(jié)底，答案是通過在整輛車上使用更輕的部件來減輕重量，而不管您使用的是哪種動(dòng)力技術(shù)，使用更輕的材料替代鋼材的作用比較好。然而，輕量化之路帶來了關(guān)鍵的材料分析和質(zhì)量控制挑戰(zhàn)。

  
材料分析有四種關(guān)鍵技術(shù)：激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS），光發(fā)射光譜（OES），熱分析（TA）和X射線熒光（XRF）。OES，XRF和LIBS都非常通用，特別是在識別金屬時(shí)。另一方面，TA研究材料隨溫度變化的特性。
  
在這里，我們考慮技術(shù)如何使行業(yè)確保材料滿足質(zhì)量要求。

變革背后的推動(dòng)力
  
汽車發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ黔h(huán)境。當(dāng)前旨在減少排放的立法正在推動(dòng)汽車零部件材料的創(chuàng)新，并且，隨著全球標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格，變革的步伐正在加快。

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為了應(yīng)對日益增加的污染，歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)變得更具挑戰(zhàn)性。根據(jù)目前的歐6法規(guī)，我們將進(jìn)入下一階段的標(biāo)準(zhǔn)，到2021年，新車的平均二氧化碳排放量不得超過95g / km。此外，歐盟設(shè)定的二氧化碳減排目標(biāo)為2025年達(dá)到15％和2030年達(dá)到37.5％。這導(dǎo)致大多數(shù)制造商開發(fā)了電動(dòng)動(dòng)力總成技術(shù)并努力減輕重量。
  
世界協(xié)調(diào)輕型車輛測試程序（WLTP）于2018年生效，以確保新車符合歐6標(biāo)準(zhǔn)；旨在反映評估二氧化碳排放時(shí)的實(shí)際駕駛條件。
  
在中國，標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。符合歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)的中國6a將于2020年生效，另外一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將于2023年生效。該標(biāo)準(zhǔn)將根據(jù)WLTP進(jìn)行驗(yàn)證，目標(biāo)是將二氧化碳排放量減少90％以上。同樣，美國有75％的一氧化碳污染歸因于機(jī)動(dòng)車，環(huán)境保護(hù)署于2020年1月宣布，它正在制定新的規(guī)則以減少車輛的排放，并遵循全球榜樣，使汽車更輕。
  
因此，汽車行業(yè)及其供應(yīng)鏈需要合作，為該行業(yè)提供材料創(chuàng)新，使汽車變得更輕。
輕金屬的興起
  
汽車行業(yè)對零部件有非常嚴(yán)格的要求。安全顯然是C位的，許多部件必須是延展性的，以吸收沖擊時(shí)的能量，而其他部件必須具有強(qiáng)度，以保持結(jié)構(gòu)剛度。
  
新合金的開發(fā)是一門非常精確的科學(xué)，對熔體化學(xué)進(jìn)行精確到ppm的分析是避免殘留元素的關(guān)鍵，因?yàn)闅埩粼貢绊懞辖鸬男阅?。鋁和鎂合金因其重量輕、成本相對較低并具有許多所需的性能而贏得了業(yè)界的青睞。它們可以形成復(fù)雜的形狀，包括發(fā)動(dòng)機(jī)部件、變速箱外殼和結(jié)構(gòu)件。
  
事實(shí)上，預(yù)計(jì)到2021年，這些零部件的全球市場將以近7%的復(fù)合年增長率增長，市場規(guī)模將達(dá)到480億美元。
  
鋁
  
與普通鋼材相比，鋁的重量只有三分之一，近年來，鋁在汽車上的使用量直線上升。2018年，寶馬(BMW)在其5系車型中獲得了減輕后門重量的概念獎(jiǎng)。通過使用鋁代替深沖鋼板，寶馬將后擋板從24.6公斤減少到11.6公斤。到2022年，平均每輛車預(yù)計(jì)將含有近100公斤的鋁，以取代較重的部件。到2025年，汽車行業(yè)將占到所有鋁消費(fèi)量(3000萬噸) 的四分之一。
  
然而，要大幅提高鋁的強(qiáng)度，您需要添加鋰。
  
第三代鋁鋰合金可以成為豪華汽車各種部件的組成部分，結(jié)合了低密度、低強(qiáng)度、低剛度和抗損傷性。

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隨著鋁的提高，提供有效材料分析的技術(shù)也在不斷發(fā)展?？焖黉X合金分選的優(yōu)先是手持式LIBS分析儀，而OES儀器除了分析磷和硫之外，還可以分析鋁中極低含量的鋰(低至0.0005%)。
  
添加磷和硫通常是為了改善可加工性；但是，它們都對耐腐蝕性有不利影響，因此需要少量添加。
  
為分析鋁合金而優(yōu)化的分析儀將使制造商能夠更有效地進(jìn)行材料分析。
  
理想情況下，它應(yīng)該配備一個(gè)高性能的光譜儀，能夠測量鋁合金中的鋰，并能夠測量硼鋁合金。
  
硼和鋰不能用任何手持XRF分析儀測量。如果您需要低于5ppm的硼濃度，那么您應(yīng)該選擇OES分析儀以獲得比較好結(jié)果。
  
鎂
  
鎂比鋁輕，是所有結(jié)構(gòu)金屬中強(qiáng)度與重量比較高的。它儲量豐富，很容易回收，所以它在外殼和空間框架中取代鋼和鋁，并被普遍用于含鋁的合金中也就不足為奇了。歐寶在Vectra車型中使用了鎂作為儀表盤支撐，與之前使用的鋼管相比節(jié)省了5公斤，并簡化了制造工藝。
  
鎂確實(shí)有缺點(diǎn)；它很脆，沒有鋁的蠕變抗力。然而，創(chuàng)新可以解決這個(gè)問題。澳大利亞莫納什大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)明了一種改變鎂微觀結(jié)構(gòu)的方法，這樣它就可以在室溫下被壓縮成任何形狀，而不會破裂。美國能源部還開發(fā)了一種工藝，改善了鎂的能量吸收和延展性，使其在更大范圍的汽車零部件中更具可行性。

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正在開發(fā)的新合金的質(zhì)量來自于擁有合適工具的制造商。從確保使用正確的材料來控制金屬熔體，對組織來說，投資于能夠快速準(zhǔn)確地為決策提供結(jié)果的分析儀是至關(guān)重要的。對于ppm級別的合金分析，OES技術(shù)提供了超精確的結(jié)果，因?yàn)樵摷夹g(shù)覆蓋了金屬中所有元素的光譜，包括磷、硫和硼，這些元素根本無法用手持LIBS或XRF分析儀進(jìn)行測量或具有必要的檢測極限。新一代OES分析儀專為快速、可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的熔體和原材料分析而設(shè)計(jì)。
  
它們可以分析所有主要的合金元素，并識別金屬中極低水平的殘留元素、痕量元素和處理元素。

鋼鐵準(zhǔn)備卷土重來
  
許多鋼鐵制造商正在開發(fā)一種超輕鋼，這種鋼材更堅(jiān)固、更便宜，而且重量幾乎與鋁一樣輕，以求奪回市場份額。隨著2021年新產(chǎn)品有望上市，人們將很難抗拒更強(qiáng)實(shí)力和更低成本的誘惑。

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五年后，車輛使用的材料很可能比以往任何時(shí)候都要多。因此，需要為正確的部件使用正確的材料并驗(yàn)證材料牌號組成，這將是至關(guān)重要的。
  
許多鑄造廠在發(fā)貨時(shí)已經(jīng)在使用分析儀。原材料到廠后再到車間進(jìn)行檢查同樣很有價(jià)值。確保團(tuán)隊(duì)手頭有手持XRF和LIBS或OES等工具進(jìn)行材料分析和質(zhì)量檢查，以驗(yàn)證材料等級，這一點(diǎn)變得越來越重要。

復(fù)合材料作為替代方案
  
比鋁輕30%，比鋼輕25%，使用復(fù)合材料是減輕汽車重量和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的另一種途徑。

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它們的耐用性和無需高壓工具即可模制成各種復(fù)雜形狀的能力提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。
  
幾乎所有的TA技術(shù)都可以用于汽車行業(yè)的質(zhì)量控制和研發(fā)。通常，DCS分析儀用于玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶行為、反應(yīng)焓和動(dòng)力學(xué)以及填料的影響；TMA分析儀研究材料的膨脹或收縮；DMA分析儀比較適合用于表征材料的頻率、力和振幅相關(guān)的機(jī)械行為。
結(jié)論
  
近年來，材料分析領(lǐng)域發(fā)生了快速變化，以跟上行業(yè)新法規(guī)和創(chuàng)新的步伐。OES、XRF、LIBS和TA等技術(shù)的持續(xù)開發(fā)和應(yīng)用使整個(gè)汽車行業(yè)的公司更容易進(jìn)行分析，具有釋放商業(yè)價(jià)值的巨大潛力。
  
盈利能力超大的消耗之一是供應(yīng)鏈。延遲分析進(jìn)貨材料會消耗營運(yùn)資金。
  
而且，因?yàn)槟鸁o法進(jìn)行檢查而使用雜質(zhì)含量不能接受的材料，會導(dǎo)致成本增加，并可能損害您的聲譽(yù)。從鑄造廠、制造商和金屬部件生產(chǎn)商到電子供應(yīng)商和回收企業(yè)，為汽車開發(fā)過程的每個(gè)階段選擇正確的技術(shù)對于確保分析跟上不斷變化的監(jiān)管要求至關(guān)重要。持續(xù)的創(chuàng)新和發(fā)展對于幫助汽車業(yè)應(yīng)對今面臨的挑戰(zhàn)和為即將到來的事情做好準(zhǔn)備至關(guān)重要。

關(guān)于作者

           

Mikko J?rvikivi是日立分析儀器公司全球產(chǎn)品管理的負(fù)責(zé)人。Mikko擁有15年的材料分析和手持儀器經(jīng)驗(yàn)，于2006年加入牛津儀器，牛津儀器于2017年7月被日立高新集團(tuán)收購。Mikko擁有理科碩士學(xué)位(理工科)。芬蘭阿爾托大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)。