日立分析：在輕量化的道路上保證材料質量

　　嚴格的碳排放法規和激烈的競爭正在導致整個汽車供應鏈的快速變化。當汽車每減輕100公斤重量時，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務之急。制造商正在努力從每滴燃油中獲取更多收益，而對于EV（電動汽車）而言，則只需一次充電即可獲得更多收益。

圖片來源于網絡

　　歸根結底，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力技術，使用更輕的材料替代鋼材的作用最大。然而，輕量化之路帶來了關鍵的材料分析和質量控制挑戰。

　　材料分析有四種關鍵技術：激光誘導擊穿光譜（LIBS），光發射光譜（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。另一方面，TA研究材料隨溫度變化的特性。

　　在這里，我們考慮技術如何使行業確保材料滿足質量要求。

變革背后的推動力

　　汽車發展的主要動力是環境。當前旨在減少排放的立法正在推動汽車零部件材料的創新，并且，隨著全球標準變得越來越嚴格，變革的步伐正在加快。

圖片來源于網絡

　　為了應對日益增加的污染，歐洲排放標準變得更具挑戰性。根據目前的歐6法規，我們將進入下一階段的標準，到2021年，新車的平均二氧化碳排放量最大不得超過95g / km。此外，歐盟設定的二氧化碳減排目標為2025年達到15％和2030年達到37.5％。這導致大多數制造商開發了電動動力總成技術并努力減輕重量。

　　世界協調輕型車輛測試程序（WLTP）于2018年生效，以確保新車符合歐6標準；旨在反映評估二氧化碳排放時的實際駕駛條件。

　　在中國，標準也越來越嚴格。符合歐洲排放標準的中國6a將于2020年生效，另外一項標準將于2023年生效。該標準將根據WLTP進行驗證，目標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動車，環境保護署于2020年1月宣布，它正在制定新的規則以減少車輛的排放，并遵循全球榜樣，使汽車更輕。

　　因此，汽車行業及其供應鏈需要合作，為該行業提供材料創新，使汽車變得更輕。

輕金屬的興起

　　汽車行業對零部件有非常嚴格的要求。安全顯然是第一位的，許多部件必須是延展性的，以吸收沖擊時的能量，而其他部件必須具有強度，以保持結構剛度。

　　新合金的開發是一門非常精確的科學，對熔體化學進行精確到ppm的分析是避免殘留元素的關鍵，因為殘留元素會影響合金的性能。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界的青睞。它們可以形成復雜的形狀，包括發動機部件、變速箱外殼和結構件。

　　事實上，預計到2021年，這些零部件的全球市場將以近7%的復合年增長率增長，市場規模將達到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。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，平均每輛車預計將含有近100公斤的鋁，以取代較重的部件。到2025年，汽車行業將占到所有鋁消費量(3000萬噸) 的四分之一。

　　然而，要大幅提高鋁的強度，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，結合了低密度、低強度、低剛度和抗損傷性。

圖片來源于網絡

　　隨著鋁的提高，提供有效材料分析的技術也在不斷發展。快速鋁合金分選的首選是手持式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。

　　為分析鋁合金而優化的分析儀將使制造商能夠更有效地進行材料分析。

　　理想情況下，它應該配備一個高性能的光譜儀，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，那么您應該選擇OES分析儀以獲得最佳結果。

　　鎂

　　鎂比鋁輕，是所有結構金屬中強度與重量比最高的。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，并被廣泛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省了5公斤，并簡化了制造工藝。

　　鎂確實有缺點；它很脆，沒有鋁的蠕變抗力。然而，創新可以解決這個問題。澳大利亞莫納什大學的一個研究小組發明了一種改變鎂微觀結構的方法，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。

圖片來源于網絡

　　正在開發的新合金的質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，投資于能夠快速準確地為決策提供結果的分析儀是至關重要的。對于ppm級別的合金分析，OES技術提供了最精確的結果，因為該技術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、可靠和經濟實惠的熔體和原材料分析而設計。

　　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。

鋼鐵準備卷土重來

　　許多鋼鐵制造商正在開發一種超輕鋼，這種鋼材更堅固、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年新產品有望上市，人們將很難抗拒更強實力和更低成本的誘惑。

圖片來源于網絡

　　五年后，車輛使用的材料很可能比以往任何時候都要多。因此，需要為正確的部件使用正確的材料并驗證材料牌號組成，這將是至關重要的。

　　許多鑄造廠在發貨時已經在使用分析儀。原材料到廠后再到車間進行檢查同樣很有價值。確保團隊手頭有手持XRF和LIBS或OES等工具進行材料分析和質量檢查，以驗證材料等級，這一點變得越來越重要。

復合材料作為替代方案

　　比鋁輕30%，比鋼輕25%，使用復合材料是減輕汽車重量和提高燃油經濟性的另一種途徑。

圖片來源于網絡

　　它們的耐用性和無需高壓工具即可模制成各種復雜形狀的能力提高了生產效率，降低了成本。

　　幾乎所有的TA技術都可以用于汽車行業的質量控制和研發。通常，DCS分析儀用于玻璃化轉變、結晶行為、反應焓和動力學以及填料的影響；TMA分析儀研究材料的膨脹或收縮；DMA分析儀最適合用于表征材料的頻率、力和振幅相關的機械行為。

結論

　　近年來，材料分析領域發生了快速變化，以跟上行業新法規和創新的步伐。OES、XRF、LIBS和TA等技術的持續開發和應用使整個汽車行業的公司更容易進行分析，具有釋放商業價值的巨大潛力。

　　盈利能力最大的消耗之一是供應鏈。延遲分析進貨材料會消耗營運資金。

　　而且，因為您無法進行檢查而使用雜質含量不能接受的材料，會導致成本增加，并可能損害您的聲譽。從鑄造廠、制造商和金屬部件生產商到電子供應商和回收企業，為汽車開發過程的每個階段選擇正確的技術對于確保分析跟上不斷變化的監管要求至關重要。持續的創新和發展對于幫助汽車業應對今天面臨的挑戰和為即將到來的事情做好準備至關重要。

　　關于作者

　　Mikko J?rvikivi是日立分析儀器公司全球產品管理的負責人。

　　Mikko擁有15年的材料分析和手持儀器經驗，于2006年加入牛津儀器，牛津儀器于2017年7月被日立高新集團收購。Mikko擁有理科碩士學位(理工科)。芬蘭阿爾托大學化學工程專業。