铅在汽车产品中的应用和未来使用趋势研究

侯猛　李龙辉　庄梦梦

摘 要：随着ELV等环保法规的实施，我国汽车产品有害物质管理取得阶段性成果，有害物质削减使用和“两率”水平不断提升。本文系统分析了汽车有害物质铅的分布，并从新能源汽车铅含有情况以及有害物质替代技术路径等角度，分析未来汽车有害物质铅的使用趋势，认为随着新能源汽车占比的扩大以及替代技术规模化应用，铅将从汽车产品中逐步退出，甚至零使用，实现汽车产品的真正绿色环保。

关键词：ELV 有害物质 铅 新能源汽车 替代技术

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

汽車工业造成的污染已开始威胁自然环境和人类生存，引起了越来越多的关注[1]。一方面是因为汽车是一个复杂的系统，包含众多材料，其中不乏一些含有对环境和人类健康存在重大危害的物质，如当前ELV管控的铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚;另一方面由于我国汽车保有量巨大，有害物质总量殊为可观，一旦处理不当污染环境，将造成灾难性的后果。

铅的污染是多方位的，包括土壤、水源等。我国饮用水中铅含量限值为0.01mg/L，人体每周的铅摄入量不应超过0.025mg/kg，且重金属在土壤和生态系统中会进行残留、累积和迁移，对植物、动物和人类造成严重的危害。铅对人体的主要影响是神经系统、造血系统和肾脏的损坏，尤其对儿童危害极大，可造成儿童智力低下和多动症等多种疾病。

为保护生态环境，降低报废汽车对人体健康的危害，我国于2016年实施了《汽车有害物质和可回收利用率管理要求》，对汽车产品的有害物质使用进行限制，并取得了显著成效。

本文通过对我国汽车产品铅的使用现状、有害物质替代及减量化技术开发及推广情况的研究，结合新能源汽车发展态势，分析我国汽车产品有害物质未来使用趋势。

2 有害物质类型及分布

2.1 有害物质铅相关豁免项清单

对于当前管控的汽车6种有害物质，大部分部件和材料能够做到非有意添加，即有害物质主要以杂质形式存在，并符合标准限值要求。但是对于部分零部件和材料，由于技术和成本的原因，无法实现完全替代，因此，《汽车禁用物质要求》（GB/T 30512）给予豁免，目前仍属于豁免清单如表1所示：

2.2 有害物质铅主要分布

铅是目前汽车产品中使用的主要有害物质，除了豁免项列出的蓄电池和减震器部件外，在发动机、变速器、车轮及气门嘴、电器及控制单元、传感器、线束、端子、仪表盘、后视镜等部件也较为广泛。表2为汽车常用的含铅材料类型。

3 新能源汽车有害物质含量分析

3.1 新能源汽车发展趋势

新能源汽车作为我国战略性新兴产业，逐步取代传统燃油车已成未来发展趋势，不同的仅是各个国家发展策略有所差异，主要汽车工业国家对新能源汽车发展路线如下：

（1）美国车企的技术路线主要是发展纯电动和增程式混合动力汽车;

（2）日韩车企的技术路线主要是发展混合动力、纯电动和燃料电池汽车;

（3）德国车企技术路线主要是发展纯电动和插电式混动汽车;

（4）中国车企以纯电动和插电混合动力汽车为主、兼顾燃料电池汽车路线。

另外，已有多个国家公布了传统燃油车禁售时间表，如表3所示。

2017年9月，工信部启动了停止生产销售传统能源汽车时间表的相关研究，将会同相关部门制订我国的禁售时间表。因此，研究新能源汽车有害物质的分布特征和使用情况对掌握未来汽车有害物质的使用趋势尤为重要。

3.2 新能源汽车有害物质分析

我国新能源汽车目前销售的主要是纯电动汽车和插电式混合动力汽车，燃料电池车型极少，本文暂不纳入分析范围。新能源汽车与传统汽车在结构上存在明显差异，也导致其有害物质使用情况与传统汽车不同。特别是纯电动汽车，其动力系统由动力电池、驱动电机、减速器和控制系统组成，与传统汽车的发动机和变速器的组合方式存在较大差异。

图1为传统汽车和新能源汽车有害物质含量数据，从图1可以看出，无论是整车含铅量还是除蓄电池以外的含铅，新能源汽车均明显低于传统汽车。

为进一步对比新能源汽车和传统汽车有害物质分布的差异，我们对豁免项（除蓄电池）有害物质含有情况进行了对比，如图2所示。

从图2可以看出，豁免项有害物质含量差别较大的有铝材、铜合金、焊料和电气元件，其中铝材含铅量传统汽车高于新能源汽车，而铜合金、焊料和电气元件中的铅含量则是新能源汽车高于传统汽车。经对比分析，其差异原因如下：1）传统燃油车中的发动机和变速器铝材用量较大，如变速器壳体、差速器壳体、缸体缸盖、活塞等，基本为铸铝部件，易含铅，而新能源汽车没有这些部件，代替的是动力电池、电机等，其铝材使用量远低于传统汽车动力系统;2）纯电动汽车电子电器部件的使用量要明显高于传统汽车，如高压电缆，电池、电机控制系统、线束线芯、端子、铜箔等。这些部件使用了大量的铜合金，并且随着电子电器部件的增加，PCB板及电气元件的用量也会随之增多。由于焊料和电气元件是主要含铅部件，因此导致纯电动汽车在上述三个豁免项中的含铅偏高。

4 有害物质替代技术应用情况

根据豁免项类别不同，本文分为两种类型分析汽车有害物质替代技术当前应用情况。

4.1 材料类替代技术

（1）机械加工用钢材和镀锌钢。钢材中含铅类型主要为易切削钢和镀锌钢。易切削钢是随着零部件冷加工自动化、高速化和精密化要求而逐渐发展来的，含铅易切削钢中铅的引入主要源于铅的熔点较低，在切削时熔融渗出起到润滑作用，从而提高切削性，且不影响常温力学性能。除了含铅易切削钢外，还有含硫易切削钢、含铋易切削钢、含钙易切削钢等，这些易切削钢将替代含铅易切削钢应用在汽车产品上。

传统热镀锌工艺会在锌锅中加入一定量的铅，以增加锌液流动性，同时起到保护锌锅的作用，这也导致镀锌层中会引入部分铅物质。目前随着镀锌工艺设备的改进，如陶瓷感应锌锅使用等，铅已逐步退出热镀锌工艺。

（2）铝材。铅在铝合金中的引入主要是为了改善切削性能，如2系和6系的铝合金。铅一般和铋同时加入，二者在铝合金中形成低熔点的组织组成物，在切削过程中由于摩擦生热达到组织组成物熔点，使切屑易断，进而改善表面质量[2]。除了含铅易切削铝合金外，目前已开发环保型含锡铝合金及锡铋铝合金也逐渐在推广应用，成为含铅铝合金的替代材料。铝合金在汽车上主要应用在支架、壳体、管道、隔热板等部件。

（3）铜合金。铜合金中添加铅元素，主要是出于改善合金的加工性、耐磨性和获得较高的表面质量的要求。汽车中常见的含铅铜合金包括黄铜、铍青铜和锡青铜，其中含铅黄铜应用最为广泛。更加环保的铋黄铜目前已在气门嘴等部件开始替代含铅黄铜，是非常有前景的替代材料。铜合金在汽车上主要用于电气部件、导热部件以及一些精密部件，如线束、气门嘴、端子、后视镜和仪表板中的精密蜗杆、齿轮等部件。

（4）电路板及其他电气部件用焊料。铅在传统的电气焊料中是主要构成元素，如用于电路板焊接的铅锡共晶焊料，含铅达37%左右，而电气部件使用的封装焊料有些含铅可能高达90%以上。无铅焊料经过多年的推广应用，目前已較为成熟，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，性能和价格已较为接近传统铅锡焊料，是目前无铅焊料的主力，被认为是传统铅锡焊料的最佳替代材料;高温焊料也有相应的无铅替代焊料，如Au-20Sn焊料，其部分性能甚至优于高铅焊料[3]，但是由于Au含量过高，降低无铅高温焊料的成本是未来需要解决的主要问题。

4.2 部件类替代技术

（1）蓄电池。蓄电池是汽车的一个重要部件，主要负责汽车起动、照明以及各种电器用电等。当前汽车主流的起动电池仍为铅蓄电池，尽管该电池从开发到现在已有150多年的历史，但铅酸蓄电池凭借其一系列优势，如电压特性平稳、温度适用范围广、安全性高和原材料丰富且可再生利用、价格低廉、技术成熟等，目前仍是全球应用范围最广的化学电源。铅蓄电池中的含铅部件主要是电池的正负极和板栅，荷电状态下正极为二氧化铅，负极为铅，板栅材料有铅钙基合金、铅锑基合金等，其铅含量均较高，是整车最主要的含铅源头，大约占整车含铅总量的95%以上[4]。

锂离子电池替代铅蓄电池作为汽车起动电池一直是行业研究的热点，也被认为是必然的一个方向。目前行业已有部分纯电动汽车和混合动力汽车的起动电池采用磷酸铁林电磁，实现了铅蓄电池的替代，是汽车有害物质替代技术发展的重要阶段，极大地降低了汽车产品中有害物质铅的使用，降幅超过98%。据了解，传统燃油汽车目前还未见这一技术的应用，主要源自成本问题，而非技术问题。

（2）减震器。减震器作为一个总成部件，含有钢材、铜合金、橡胶、塑料以及液体等多种材料。根据目前行业用材分析，汽车减震器基本不含有害物质，少量的引入主要源于易切削钢、铜合金、铝合金以及镀层等材料中的铅。

（3）灯泡玻璃和火花塞釉层除外的具有含铅玻璃或陶瓷基复合材料的电气元件。汽车电气元件种类繁多，其中很多涉及铅元素，除了焊料，铅主要存在于无机陶瓷电气部件中，典型部件如压电陶瓷。传统压电陶瓷采用的是锆钛酸铅型（PZT），其氧化铅含量在60%左右[5]。无铅压电陶瓷的发展方向主要有如下三大类：铌酸钾钠系、钛酸铋钠系和锆钛酸钡系[6]，并已开始商业化应用，如锆钛酸钡压电陶瓷。压电陶瓷主要应用部件为胎压监测系统、超声波传感器以及蜂鸣器等部件[7]。

5 结论

本文对包括新能源汽车在内的汽车产品有害物质铅的使用和分布情况进行了详细分析，并阐述了汽车行业有害物质铅的替代技术情况，认为当前铅在汽车上使用主要集中在起动用铅酸蓄电池，少部分存在于铝材、焊料等豁免零部件，随着新能源汽车的发展及有害物质替代技术规模化应用等，铅在汽车上的使用将逐步削减，最终实现汽车产品环保水平的大幅提升。

参考文献：

[1]Zhang Hongshen Chen Ming. Inventory Analysis on the Effect of End-of-Life Passenger Vehicle Plastic Bumper Recycling in China [J]. Progress in Rubber，Plastics and Recycling Technology，2013，29：21-38.

[2]黄志其，尹志民.无铅易切削铝合金[J].材料导报，2006，20（12）：62-65.

[3]曾秋莲，顾小龙，赵新兵等.高温高铅焊料无铅化的研究进展[J].电子元件与材料，2008，08（27）：16-19.

[4]张淳，姚姝，吴刚等.铅合金板栅的电化学腐蚀现象研究[J].电源技术，2015，39（8）：1694-1696.

[5]王珂，沈宗洋，张波萍.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的现状、机遇与挑战[J].无机材料学报，2014，1（29）：13-19.

[6]沈宗洋，李月明，王竹梅等.三大无铅压电陶瓷体系的最新研究进展[J].人工晶体学报，2012，41：309-313.

[7]侯猛，李龙辉，徐树杰等.汽车产品禁用物质及替代技术使用现状[J].时代汽车，2016，10：17-18.