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日立分析:在轻量化的道路上保证材料质量

发布时间: 2020-03-24 13:37 来源:日立分析仪器(上海)有限公司

  严格的碳排放法规和激烈的竞争正在导致整个汽车供应链的快速变化。当汽车每减轻100公斤重量时,二氧化碳排放可以每100公里减少8.5克,因此减少汽车重量仍然是当务之急。制造商正在努力从每滴燃油中获取更多收益,而对于EV(电动汽车)而言,则只需一次充电即可获得更多收益。

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  归根结底,答案是通过在整辆车上使用更轻的部件来减轻重量,而不管您使用的是哪种动力技术,使用更轻的材料替代钢材的作用最大。然而,轻量化之路带来了关键的材料分析和质量控制挑战。

  材料分析有四种关键技术:激光诱导击穿光谱(LIBS)光发射光谱(OES)热分析(TA)X射线荧光(XRF)。OES,XRF和LIBS都非常通用,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,我们考虑技术如何使行业确保材料满足质量要求。

变革背后的推动力

  汽车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车零部件材料的创新,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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  为了应对日益增加的污染,欧洲排放标准变得更具挑战性。根据目前的欧6法规,我们将进入下一阶段的标准,到2021年,新车的平均二氧化碳排放量最大不得超过95g / km。此外,欧盟设定的二氧化碳减排目标为2025年达到15%和2030年达到37.5%。这导致大多数制造商开发了电动动力总成技术并努力减轻重量。

  世界协调轻型车辆测试程序(WLTP)于2018年生效,以确保新车符合欧6标准;旨在反映评估二氧化碳排放时的实际驾驶条件。

  在中国,标准也越来越严格。符合欧洲排放标准的中国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,美国有75%的一氧化碳污染归因于机动车,环境保护署于2020年1月宣布,它正在制定新的规则以减少车辆的排放,并遵循全球榜样,使汽车更轻。

  因此,汽车行业及其供应链需要合作,为该行业提供材料创新,使汽车变得更轻。

轻金属的兴起

  汽车行业对零部件有非常严格的要求。安全显然是第一位的,许多部件必须是延展性的,以吸收冲击时的能量,而其他部件必须具有强度,以保持结构刚度。

  新合金的开发是一门非常精确的科学,对熔体化学进行精确到ppm的分析是避免残留元素的关键,因为残留元素会影响合金的性能。铝和镁合金因其重量轻、成本相对较低并具有许多所需的性能而赢得了业界的青睐。它们可以形成复杂的形状,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%的复合年增长率增长,市场规模将达到480亿美元。

  铝

  与普通钢材相比,铝的重量只有三分之一,近年来,铝在汽车上的使用量直线上升。2018年,宝马(BMW)在其5系车型中获得了减轻后门重量的概念奖。通过使用铝代替深冲钢板,宝马将后挡板从24.6公斤减少到11.6公斤。到2022年,平均每辆车预计将含有近100公斤的铝,以取代较重的部件。到2025年,汽车行业将占到所有铝消费量(3000万吨) 的四分之一。

  然而,要大幅提高铝的强度,您需要添加锂。

  第三代铝锂合金可以成为豪华汽车各种部件的组成部分,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,提供有效材料分析的技术也在不断发展。快速铝合金分选的首选是手持式LIBS分析仪,而OES仪器除了分析磷和硫之外,还可以分析铝中极低含量的锂(低至0.0005%)。

  添加磷和硫通常是为了改善可加工性;但是,它们都对耐腐蚀性有不利影响,因此需要少量添加。

  为分析铝合金而优化的分析仪将使制造商能够更有效地进行材料分析。

  理想情况下,它应该配备一个高性能的光谱仪,能够测量铝合金中的锂,并能够测量硼铝合金。

  硼和锂不能用任何手持XRF分析仪测量。如果您需要低于5ppm的硼浓度,那么您应该选择OES分析仪以获得最佳结果。

  镁

  镁比铝轻,是所有结构金属中强度与重量比最高的。它储量丰富,很容易回收,所以它在外壳和空间框架中取代钢和铝,并被广泛用于含铝的合金中也就不足为奇了。欧宝在Vectra车型中使用了镁作为仪表盘支撑,与之前使用的钢管相比节省了5公斤,并简化了制造工艺。

  镁确实有缺点;它很脆,没有铝的蠕变抗力。然而,创新可以解决这个问题。澳大利亚莫纳什大学的一个研究小组发明了一种改变镁微观结构的方法,这样它就可以在室温下被压缩成任何形状,而不会破裂。美国能源部还开发了一种工艺,改善了镁的能量吸收和延展性,使其在更大范围的汽车零部件中更具可行性。

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  正在开发的新合金的质量来自于拥有合适工具的制造商。从确保使用正确的材料来控制金属熔体,对组织来说,投资于能够快速准确地为决策提供结果的分析仪是至关重要的。对于ppm级别的合金分析,OES技术提供了最精确的结果,因为该技术覆盖了金属中所有元素的光谱,包括磷、硫和硼,这些元素根本无法用手持LIBS或XRF分析仪进行测量或具有必要的检测极限。新一代OES分析仪专为快速、可靠和经济实惠的熔体和原材料分析而设计。

  它们可以分析所有主要的合金元素,并识别金属中极低水平的残留元素、痕量元素和处理元素。

钢铁准备卷土重来

  许多钢铁制造商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年新产品有望上市,人们将很难抗拒更强实力和更低成本的诱惑。

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  五年后,车辆使用的材料很可能比以往任何时候都要多。因此,需要为正确的部件使用正确的材料并验证材料牌号组成,这将是至关重要的。

  许多铸造厂在发货时已经在使用分析仪。原材料到厂后再到车间进行检查同样很有价值。确保团队手头有手持XRF和LIBS或OES等工具进行材料分析和质量检查,以验证材料等级,这一点变得越来越重要。

复合材料作为替代方案

  比铝轻30%,比钢轻25%,使用复合材料是减轻汽车重量和提高燃油经济性的另一种途径。

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  它们的耐用性和无需高压工具即可模制成各种复杂形状的能力提高了生产效率,降低了成本。

  几乎所有的TA技术都可以用于汽车行业的质量控制和研发。通常,DCS分析仪用于玻璃化转变、结晶行为、反应焓和动力学以及填料的影响;TMA分析仪研究材料的膨胀或收缩;DMA分析仪最适合用于表征材料的频率、力和振幅相关的机械行为。

结论

  近年来,材料分析领域发生了快速变化,以跟上行业新法规和创新的步伐。OES、XRF、LIBS和TA等技术的持续开发和应用使整个汽车行业的公司更容易进行分析,具有释放商业价值的巨大潜力。

  盈利能力最大的消耗之一是供应链。延迟分析进货材料会消耗营运资金。

  而且,因为您无法进行检查而使用杂质含量不能接受的材料,会导致成本增加,并可能损害您的声誉。从铸造厂、制造商和金属部件生产商到电子供应商和回收企业,为汽车开发过程的每个阶段选择正确的技术对于确保分析跟上不断变化的监管要求至关重要。持续的创新和发展对于帮助汽车业应对今天面临的挑战和为即将到来的事情做好准备至关重要。

  关于作者

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  Mikko Järvikivi是日立分析仪器公司全球产品管理的负责人。

  Mikko拥有15年的材料分析和手持仪器经验,于2006年加入牛津仪器,牛津仪器于2017年7月被日立高新集团收购。Mikko拥有理科硕士学位(理工科)。芬兰阿尔托大学化学工程专业。




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