鉛在汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用和未來使用趨勢(shì)研究

侯猛　李龍輝　莊夢(mèng)夢(mèng)

摘 要：隨著ELV等環(huán)保法規(guī)的實(shí)施，我國汽車產(chǎn)品有害物質(zhì)管理取得階段性成果，有害物質(zhì)削減使用和“兩率”水平不斷提升。本文系統(tǒng)分析了汽車有害物質(zhì)鉛的分布，并從新能源汽車鉛含有情況以及有害物質(zhì)替代技術(shù)路徑等角度，分析未來汽車有害物質(zhì)鉛的使用趨勢(shì)，認(rèn)為隨著新能源汽車占比的擴(kuò)大以及替代技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用，鉛將從汽車產(chǎn)品中逐步退出，甚至零使用，實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)品的真正綠色環(huán)保。

關(guān)鍵詞：ELV 有害物質(zhì) 鉛 新能源汽車 替代技術(shù)

Research on Application of Lead in Automotive Products and Development Trend

Hou Meng Li Longhui Zhuang Mengmeng

Abstract：With the implementation of environmental regulations such as ELV， the management of prohibited substances in automobile industry has achieved remarkable results in China. Usage amount of prohibited substances has been reduced and the level of recycleability has been continuously improved in automobile products. This paper comprehensively analyzes the distribution of lead in automobiles and development trend in future from the perspective of application of lead in new energy vehicles and the development path of substitution and reduction technologies of prohibited substances， and believes that with the expansion of new energy automobiles and the scaled application of substitution technologies， Pb will gradually withdraw from automobile products ， or even no lead at all， to achieve real green development.

Key words：ELV，prohibited substances， lead， new energy vehicle，substitution technologies

1 前言

汽車工業(yè)造成的污染已開始威脅自然環(huán)境和人類生存，引起了越來越多的關(guān)注[1]。一方面是因?yàn)槠囀且粋€(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包含眾多材料，其中不乏一些含有對(duì)環(huán)境和人類健康存在重大危害的物質(zhì)，如當(dāng)前ELV管控的鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚;另一方面由于我國汽車保有量巨大，有害物質(zhì)總量殊為可觀，一旦處理不當(dāng)污染環(huán)境，將造成災(zāi)難性的后果。

鉛的污染是多方位的，包括土壤、水源等。我國飲用水中鉛含量限值為0.01mg/L，人體每周的鉛攝入量不應(yīng)超過0.025mg/kg，且重金屬在土壤和生態(tài)系統(tǒng)中會(huì)進(jìn)行殘留、累積和遷移，對(duì)植物、動(dòng)物和人類造成嚴(yán)重的危害。鉛對(duì)人體的主要影響是神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和腎臟的損壞，尤其對(duì)兒童危害極大，可造成兒童智力低下和多動(dòng)癥等多種疾病。

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低報(bào)廢汽車對(duì)人體健康的危害，我國于2016年實(shí)施了《汽車有害物質(zhì)和可回收利用率管理要求》，對(duì)汽車產(chǎn)品的有害物質(zhì)使用進(jìn)行限制，并取得了顯著成效。

本文通過對(duì)我國汽車產(chǎn)品鉛的使用現(xiàn)狀、有害物質(zhì)替代及減量化技術(shù)開發(fā)及推廣情況的研究，結(jié)合新能源汽車發(fā)展態(tài)勢(shì)，分析我國汽車產(chǎn)品有害物質(zhì)未來使用趨勢(shì)。

2 有害物質(zhì)類型及分布

2.1 有害物質(zhì)鉛相關(guān)豁免項(xiàng)清單

對(duì)于當(dāng)前管控的汽車6種有害物質(zhì)，大部分部件和材料能夠做到非有意添加，即有害物質(zhì)主要以雜質(zhì)形式存在，并符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求。但是對(duì)于部分零部件和材料，由于技術(shù)和成本的原因，無法實(shí)現(xiàn)完全替代，因此，《汽車禁用物質(zhì)要求》（GB/T 30512）給予豁免，目前仍屬于豁免清單如表1所示：

2.2 有害物質(zhì)鉛主要分布

鉛是目前汽車產(chǎn)品中使用的主要有害物質(zhì)，除了豁免項(xiàng)列出的蓄電池和減震器部件外，在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車輪及氣門嘴、電器及控制單元、傳感器、線束、端子、儀表盤、后視鏡等部件也較為廣泛。表2為汽車常用的含鉛材料類型。

3 新能源汽車有害物質(zhì)含量分析

3.1 新能源汽車發(fā)展趨勢(shì)

新能源汽車作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，逐步取代傳統(tǒng)燃油車已成未來發(fā)展趨勢(shì)，不同的僅是各個(gè)國家發(fā)展策略有所差異，主要汽車工業(yè)國家對(duì)新能源汽車發(fā)展路線如下：

（1）美國車企的技術(shù)路線主要是發(fā)展純電動(dòng)和增程式混合動(dòng)力汽車;

（2）日韓車企的技術(shù)路線主要是發(fā)展混合動(dòng)力、純電動(dòng)和燃料電池汽車;

（3）德國車企技術(shù)路線主要是發(fā)展純電動(dòng)和插電式混動(dòng)汽車;

（4）中國車企以純電動(dòng)和插電混合動(dòng)力汽車為主、兼顧燃料電池汽車路線。

另外，已有多個(gè)國家公布了傳統(tǒng)燃油車禁售時(shí)間表，如表3所示。

2017年9月，工信部啟動(dòng)了停止生產(chǎn)銷售傳統(tǒng)能源汽車時(shí)間表的相關(guān)研究，將會(huì)同相關(guān)部門制訂我國的禁售時(shí)間表。因此，研究新能源汽車有害物質(zhì)的分布特征和使用情況對(duì)掌握未來汽車有害物質(zhì)的使用趨勢(shì)尤為重要。

3.2 新能源汽車有害物質(zhì)分析

我國新能源汽車目前銷售的主要是純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車，燃料電池車型極少，本文暫不納入分析范圍。新能源汽車與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)上存在明顯差異，也導(dǎo)致其有害物質(zhì)使用情況與傳統(tǒng)汽車不同。特別是純電動(dòng)汽車，其動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和控制系統(tǒng)組成，與傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的組合方式存在較大差異。

圖1為傳統(tǒng)汽車和新能源汽車有害物質(zhì)含量數(shù)據(jù)，從圖1可以看出，無論是整車含鉛量還是除蓄電池以外的含鉛，新能源汽車均明顯低于傳統(tǒng)汽車。

為進(jìn)一步對(duì)比新能源汽車和傳統(tǒng)汽車有害物質(zhì)分布的差異，我們對(duì)豁免項(xiàng)（除蓄電池）有害物質(zhì)含有情況進(jìn)行了對(duì)比，如圖2所示。

從圖2可以看出，豁免項(xiàng)有害物質(zhì)含量差別較大的有鋁材、銅合金、焊料和電氣元件，其中鋁材含鉛量傳統(tǒng)汽車高于新能源汽車，而銅合金、焊料和電氣元件中的鉛含量則是新能源汽車高于傳統(tǒng)汽車。經(jīng)對(duì)比分析，其差異原因如下：1）傳統(tǒng)燃油車中的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器鋁材用量較大，如變速器殼體、差速器殼體、缸體缸蓋、活塞等，基本為鑄鋁部件，易含鉛，而新能源汽車沒有這些部件，代替的是動(dòng)力電池、電機(jī)等，其鋁材使用量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車動(dòng)力系統(tǒng);2）純電動(dòng)汽車電子電器部件的使用量要明顯高于傳統(tǒng)汽車，如高壓電纜，電池、電機(jī)控制系統(tǒng)、線束線芯、端子、銅箔等。這些部件使用了大量的銅合金，并且隨著電子電器部件的增加，PCB板及電氣元件的用量也會(huì)隨之增多。由于焊料和電氣元件是主要含鉛部件，因此導(dǎo)致純電動(dòng)汽車在上述三個(gè)豁免項(xiàng)中的含鉛偏高。

4 有害物質(zhì)替代技術(shù)應(yīng)用情況

根據(jù)豁免項(xiàng)類別不同，本文分為兩種類型分析汽車有害物質(zhì)替代技術(shù)當(dāng)前應(yīng)用情況。

4.1 材料類替代技術(shù)

（1）機(jī)械加工用鋼材和鍍鋅鋼。鋼材中含鉛類型主要為易切削鋼和鍍鋅鋼。易切削鋼是隨著零部件冷加工自動(dòng)化、高速化和精密化要求而逐漸發(fā)展來的，含鉛易切削鋼中鉛的引入主要源于鉛的熔點(diǎn)較低，在切削時(shí)熔融滲出起到潤滑作用，從而提高切削性，且不影響常溫力學(xué)性能。除了含鉛易切削鋼外，還有含硫易切削鋼、含鉍易切削鋼、含鈣易切削鋼等，這些易切削鋼將替代含鉛易切削鋼應(yīng)用在汽車產(chǎn)品上。

傳統(tǒng)熱鍍鋅工藝會(huì)在鋅鍋中加入一定量的鉛，以增加鋅液流動(dòng)性，同時(shí)起到保護(hù)鋅鍋的作用，這也導(dǎo)致鍍鋅層中會(huì)引入部分鉛物質(zhì)。目前隨著鍍鋅工藝設(shè)備的改進(jìn)，如陶瓷感應(yīng)鋅鍋使用等，鉛已逐步退出熱鍍鋅工藝。

（2）鋁材。鉛在鋁合金中的引入主要是為了改善切削性能，如2系和6系的鋁合金。鉛一般和鉍同時(shí)加入，二者在鋁合金中形成低熔點(diǎn)的組織組成物，在切削過程中由于摩擦生熱達(dá)到組織組成物熔點(diǎn)，使切屑易斷，進(jìn)而改善表面質(zhì)量[2]。除了含鉛易切削鋁合金外，目前已開發(fā)環(huán)保型含錫鋁合金及錫鉍鋁合金也逐漸在推廣應(yīng)用，成為含鉛鋁合金的替代材料。鋁合金在汽車上主要應(yīng)用在支架、殼體、管道、隔熱板等部件。

（3）銅合金。銅合金中添加鉛元素，主要是出于改善合金的加工性、耐磨性和獲得較高的表面質(zhì)量的要求。汽車中常見的含鉛銅合金包括黃銅、鈹青銅和錫青銅，其中含鉛黃銅應(yīng)用最為廣泛。更加環(huán)保的鉍黃銅目前已在氣門嘴等部件開始替代含鉛黃銅，是非常有前景的替代材料。銅合金在汽車上主要用于電氣部件、導(dǎo)熱部件以及一些精密部件，如線束、氣門嘴、端子、后視鏡和儀表板中的精密蝸桿、齒輪等部件。

（4）電路板及其他電氣部件用焊料。鉛在傳統(tǒng)的電氣焊料中是主要構(gòu)成元素，如用于電路板焊接的鉛錫共晶焊料，含鉛達(dá)37%左右，而電氣部件使用的封裝焊料有些含鉛可能高達(dá)90%以上。無鉛焊料經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，目前已較為成熟，尤其是其中的Sn-Ag系，Sn-Ag-Cu系和Sn-Cu系等二元和三元焊料，性能和價(jià)格已較為接近傳統(tǒng)鉛錫焊料，是目前無鉛焊料的主力，被認(rèn)為是傳統(tǒng)鉛錫焊料的最佳替代材料;高溫焊料也有相應(yīng)的無鉛替代焊料，如Au-20Sn焊料，其部分性能甚至優(yōu)于高鉛焊料[3]，但是由于Au含量過高，降低無鉛高溫焊料的成本是未來需要解決的主要問題。

4.2 部件類替代技術(shù)

（1）蓄電池。蓄電池是汽車的一個(gè)重要部件，主要負(fù)責(zé)汽車起動(dòng)、照明以及各種電器用電等。當(dāng)前汽車主流的起動(dòng)電池仍為鉛蓄電池，盡管該電池從開發(fā)到現(xiàn)在已有150多年的歷史，但鉛酸蓄電池憑借其一系列優(yōu)勢(shì)，如電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣、安全性高和原材料豐富且可再生利用、價(jià)格低廉、技術(shù)成熟等，目前仍是全球應(yīng)用范圍最廣的化學(xué)電源。鉛蓄電池中的含鉛部件主要是電池的正負(fù)極和板柵，荷電狀態(tài)下正極為二氧化鉛，負(fù)極為鉛，板柵材料有鉛鈣基合金、鉛銻基合金等，其鉛含量均較高，是整車最主要的含鉛源頭，大約占整車含鉛總量的95%以上[4]。

鋰離子電池替代鉛蓄電池作為汽車起動(dòng)電池一直是行業(yè)研究的熱點(diǎn)，也被認(rèn)為是必然的一個(gè)方向。目前行業(yè)已有部分純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的起動(dòng)電池采用磷酸鐵林電磁，實(shí)現(xiàn)了鉛蓄電池的替代，是汽車有害物質(zhì)替代技術(shù)發(fā)展的重要階段，極大地降低了汽車產(chǎn)品中有害物質(zhì)鉛的使用，降幅超過98%。據(jù)了解，傳統(tǒng)燃油汽車目前還未見這一技術(shù)的應(yīng)用，主要源自成本問題，而非技術(shù)問題。

（2）減震器。減震器作為一個(gè)總成部件，含有鋼材、銅合金、橡膠、塑料以及液體等多種材料。根據(jù)目前行業(yè)用材分析，汽車減震器基本不含有害物質(zhì)，少量的引入主要源于易切削鋼、銅合金、鋁合金以及鍍層等材料中的鉛。

（3）燈泡玻璃和火花塞釉層除外的具有含鉛玻璃或陶瓷基復(fù)合材料的電氣元件。汽車電氣元件種類繁多，其中很多涉及鉛元素，除了焊料，鉛主要存在于無機(jī)陶瓷電氣部件中，典型部件如壓電陶瓷。傳統(tǒng)壓電陶瓷采用的是鋯鈦酸鉛型（PZT），其氧化鉛含量在60%左右[5]。無鉛壓電陶瓷的發(fā)展方向主要有如下三大類：鈮酸鉀鈉系、鈦酸鉍鈉系和鋯鈦酸鋇系[6]，并已開始商業(yè)化應(yīng)用，如鋯鈦酸鋇壓電陶瓷。壓電陶瓷主要應(yīng)用部件為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、超聲波傳感器以及蜂鳴器等部件[7]。

5 結(jié)論

本文對(duì)包括新能源汽車在內(nèi)的汽車產(chǎn)品有害物質(zhì)鉛的使用和分布情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，并闡述了汽車行業(yè)有害物質(zhì)鉛的替代技術(shù)情況，認(rèn)為當(dāng)前鉛在汽車上使用主要集中在起動(dòng)用鉛酸蓄電池，少部分存在于鋁材、焊料等豁免零部件，隨著新能源汽車的發(fā)展及有害物質(zhì)替代技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用等，鉛在汽車上的使用將逐步削減，最終實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)品環(huán)保水平的大幅提升。

參考文獻(xiàn)：

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