鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用

王正科

摘 要：鋁合金是目前汽車輕量化研發(fā)制造應(yīng)用頻率較高的材料，這是因為鋁合金的應(yīng)用能夠切實降低汽車自重。為此，本文首先分析了鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用優(yōu)勢，其次分析了鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用技術(shù)、分類、方式，旨在為鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用提供參考，以此來提高汽車輕量化效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋁合金 汽車輕量化 應(yīng)用技術(shù)

Application of Aluminum Alloy in Automobile Lightweight

Wang Zhengke

Abstract：Aluminum alloy is currently the most frequently used material in automotive lightweight research and development and manufacturing. This is because the application of aluminum alloy can effectively reduce the weight of automobiles. For this reason， this article first analyzes the application advantages of aluminum alloy in automobile lightweight， and then analyzes the application technology， classification and method of aluminum alloy in automobile lightweight， aiming to provide reference for the application of aluminum alloy in automobile lightweight，? to improve the efficiency and quality of automobile lightweight.

Key words：aluminum alloy， automobile lightweight， application technology

1 引言

汽車是主要交通運輸工具，盡管能夠給人們的工作及生活提供便利條件，但是也導(dǎo)致了資源消耗和環(huán)境污染，而汽車輕量化能夠適當(dāng)降低汽車排量，進(jìn)而節(jié)約汽車消耗資源，減少汽車尾氣導(dǎo)致的環(huán)境污染。鋁合金屬于密度較低的金屬材料，其在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用不但能確保汽車應(yīng)用性能，還能實現(xiàn)汽車輕量化。

2 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 減重效果較為良好

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，汽車油耗及尾氣排放量與汽車自重有著密切關(guān)系，汽車自重每降低1Kg，行駛10000Km的油耗會降低0.7L;汽車自重每降低10%，尾氣排放量會降低5-6%，因此，如何實現(xiàn)汽車輕量化已經(jīng)成為了各大汽車制造企業(yè)面臨的關(guān)鍵問題[1]。而鋁合金在汽車制造中的應(yīng)用，便能夠達(dá)到良好的汽車輕量化效果，具體來講，鋁的密度為2.7g/cm3，為鋼鐵密度的1/3;鋁合金導(dǎo)熱性能良好，在金屬中僅次于銅;鋁合金耐腐蝕性能良好，這是因為其表面能夠自動形成一層氧化膜，這些特征使得鋁合金成為了汽車制造的主要材料。

2.2 生產(chǎn)材料能夠回收利用

鋁合金屬于回收難度較低、回收率較高的金屬材料，這是因為鋁合金在應(yīng)用過程中出現(xiàn)腐蝕問題的概率較低。鋁合金材料在制作成產(chǎn)品、使用、回收加工成鋁錠、再次制作成產(chǎn)品的循環(huán)過程中，損耗率也僅僅為5%，其回收利用價值是所有金屬材料中最高的，目前大部分國家應(yīng)用的汽車制造鋁合金為再生鋁材料。此外，鋁的熔點較低，流動性能良好，因此能夠制作成各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀不規(guī)則的構(gòu)件，這位汽車制造提供了便利條件，同時也便于鋁合金的回收利用。

2.3 提高汽車安全性能和行駛性能

鋁合金在汽車制造中的應(yīng)用盡管能夠降低汽車自重，但是卻不會降低汽車容量，在這樣的情況下，汽車的重心會被降低，因此汽車行駛的舒適性和穩(wěn)定性能夠得到提高，汽車構(gòu)件震動及轉(zhuǎn)動噪音能夠得到降低[2]。鋁合金的性能使其能夠充分吸收汽車撞擊時產(chǎn)生的能量，汽車前部變形區(qū)域在遭受碰撞之后能夠產(chǎn)生褶皺，因此汽車的損傷能夠得到降低，車內(nèi)人員安全能夠得到更好的保障。此外，鋁合金的應(yīng)用能夠減少汽車動力傳動系統(tǒng)的負(fù)荷，汽車行駛的牽引負(fù)荷得到減低后，其行駛性能自然會得到提高。

3 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用技術(shù)

3.1 鑄造成形技術(shù)

鑄造成形技術(shù)是汽車用鋁合金成形的主要技術(shù)，80%左右的汽車用鋁合金應(yīng)用的都是這種成形技術(shù)，具體可以分為精密鑄造、重力鑄造、消失模鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、壓力鑄造等。其中，應(yīng)用頻率最高、制作效果最好的為壓鑄成形技術(shù)，這是因為該技術(shù)制造成的鋁合金構(gòu)件具有廢品率較低、成品質(zhì)量較高、尺寸精準(zhǔn)程度較高等特點，適合應(yīng)用在大批量鋁合金構(gòu)件生產(chǎn)中，如發(fā)動機(jī)缸蓋、輪轂等。擠壓鑄造屬于一種新型的鑄造成形技術(shù)，不需要進(jìn)行切削加工或者是切削加工過少，該技術(shù)制造成的鋁合金構(gòu)件具有輪廓清晰、內(nèi)部致密等特點，門框飾條、保險杠支架應(yīng)用的便是這種成形技術(shù)。

3.2 半固態(tài)成形技術(shù)

半固態(tài)成形技術(shù)屬于一種新型的汽車用鋁合金成形技術(shù)，能夠制作出與理想鋁合金構(gòu)件較為相似的構(gòu)件[3]。一般情況下，鋁合金在成形之前需要經(jīng)歷固態(tài)、液態(tài)兩種形態(tài)，當(dāng)鋁合金狀態(tài)介于兩種形態(tài)之間時（即半熔形態(tài)），鋁合金填充能夠更加平穩(wěn)和充實，進(jìn)而獲得更好的成形效果，具體表現(xiàn)是提高構(gòu)件精確程度、降低構(gòu)件凝固收縮程度、增加構(gòu)件模具應(yīng)用壽命、提高構(gòu)件力學(xué)性能等。目前，半固態(tài)成形技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了汽車輕量化中，具有十分廣闊發(fā)展前景;但是由于該技術(shù)的應(yīng)用尚未成熟，還無法應(yīng)用在大批量鋁合金構(gòu)件生產(chǎn)中。

4 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用分類

4.1 鑄造鋁合金

77%左右的汽車用鋁合金為鑄造鋁合金，由此可見，鑄造鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用量較大，這是因為鑄造鋁合金具有成品質(zhì)量穩(wěn)定、適合大批量生產(chǎn)等特點。目前，鑄造鋁合金主要應(yīng)用在變速器、發(fā)動機(jī)氣缸蓋、發(fā)動機(jī)氣缸體、輪轂、搖臂、制動盤等汽車構(gòu)件制造中。其中，發(fā)動機(jī)氣缸蓋、發(fā)動機(jī)氣缸體對制造材料的抗腐蝕性能和導(dǎo)熱性能要求較高，鑄造鋁合金能夠達(dá)到這一要求。輪轂在汽車自重中占比較高，急需要進(jìn)行輕量化處理，而應(yīng)用鑄造鋁合金便能夠有效達(dá)到這一目標(biāo)，在輕型汽車和中型汽車中，鑄造鋁合金材質(zhì)輪轂較鋼質(zhì)輪轂自重能夠下降30-40%左右;并且鑄造鋁合金材質(zhì)輪轂還具有散熱性能較高、強(qiáng)度較高、尺寸精確程度較高、能夠降低橫向和縱向震動頻率等優(yōu)勢。

4.2 變形鋁合金

變形鋁合金具有成品質(zhì)量穩(wěn)定、強(qiáng)度較高、塑性較高、成分性能比較均勻、內(nèi)部組織緊密等特點。變形鋁合金可以劃分為不可熱處理變形鋁合金和可熱處理變形鋁合金，前者主要包括AL-Si系合金、純鋁系合金等，后者主要包括AL-Mg-Si系合金、AL-Cu系合金等[4]。目前，變形鋁合金主要應(yīng)用在車門、輪轂罩、熱交換器、保險杠、座位、行李箱、保護(hù)罩、消聲罩等汽車結(jié)構(gòu)件、懸掛件、裝飾件制造中。其中，變形鋁合金材質(zhì)熱交換器較銅質(zhì)熱交換器自重能夠下降35-45%左右，目前，美國有60-70%左右的熱交換器應(yīng)用了變形鋁合金，歐洲國家有90-100%左右的熱交換器應(yīng)用了變形鋁合金。

4.3 泡沫鋁材

泡沫鋁材屬于一種多孔材料，其在金屬基體中存在大量氣泡，具有質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較高、吸附性能良好、吸振性能良好、阻尼性能良好等特點。目前，泡沫鋁材主要應(yīng)用在縱梁、保險杠等汽車支撐構(gòu)件制造中，具體需要將泡沫鋁材填充到兩個外板之間形成新的板材，這樣能夠在實現(xiàn)構(gòu)件輕量化的同時，提高構(gòu)件撞擊的安全性。

3.4鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料屬于一種復(fù)合型汽車用鋁合金，具有導(dǎo)熱性能良好、強(qiáng)度較高、熱膨脹系數(shù)較低、耐疲勞性能良好、耐磨性能良好、尺寸精準(zhǔn)程度較高等特點，因此得到了汽車制造企業(yè)的廣泛應(yīng)用。目前，日本已經(jīng)應(yīng)用鋁基復(fù)合材料制造成了發(fā)動機(jī)活塞等汽車構(gòu)件。我國東南大學(xué)應(yīng)用陶瓷纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造成了發(fā)動機(jī)活塞，成功的將活塞的應(yīng)用壽命延長了3-5倍，同時提高了發(fā)動機(jī)功率。

5 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用方式

5.1 制作車身

車身在汽車自重中的占比達(dá)到了30%左右，油耗量達(dá)到了70%左右，實現(xiàn)車身的輕量化有利于實現(xiàn)汽車整體輕量化，同時降低汽車油耗量，因此，可以在車身制造中應(yīng)用鋁合金材料。例如，奧迪公司早在1980年便開始應(yīng)用鋁合金制造汽車車門，并且在1994年成功制造了鋁合金車身，這使得汽車的自重下降了40%左右[5]。隨后，越來越多的汽車制造企業(yè)開始在車身制造中應(yīng)用鋁合金，并且進(jìn)一步開展了對車身輕量化材料的研究，實現(xiàn)了同時應(yīng)用多種輕量化材料制造車身的目標(biāo)。由此可見，鋁合金在汽車車身制造中的應(yīng)用能夠切實降低車身自重。

5.2 制作底盤

在汽車結(jié)構(gòu)中，底盤是輕量化難度最低的構(gòu)件之一，比較容易達(dá)到輕量化目標(biāo)。目前，鋁合金已經(jīng)在底盤制造中得到了良好應(yīng)用，例如，福特公司應(yīng)用鋁合金制造的動盤較鐵質(zhì)動盤自重下降了63%左右;凱迪拉克公司應(yīng)用鋁合金制造了懸掛系統(tǒng)部分構(gòu)件;克萊斯勒公司應(yīng)用鋁合金制造的底盤將轉(zhuǎn)向機(jī)萬向節(jié)自重降低了3kg、將下控制臂自重降低了2.6kg、將轉(zhuǎn)向機(jī)殼自重降低了1.36kg，盡管這提高了底盤制造成本，但是卻將底盤應(yīng)用壽命延長了2倍。由此可見，鋁合金在汽車車身制造中的應(yīng)用能夠不但能夠?qū)崿F(xiàn)底盤輕量化目標(biāo)，還能夠優(yōu)化底盤應(yīng)用性能、增加底盤應(yīng)用時間。

5.3 制作發(fā)動機(jī)

目前，已經(jīng)有大部分汽車制造企業(yè)開始在發(fā)動機(jī)制造中應(yīng)用鋁合金，具體的制造構(gòu)件有油底殼、連桿、散熱器、活塞等。其中，鋁合金應(yīng)用頻率最高的發(fā)動機(jī)構(gòu)件為活塞，大部分汽車應(yīng)用的活塞都是由鋁合金制作的，不但活塞的自重能夠得到有效降低，活塞的曲軸配重也會降低，活塞的慣性也會減少，因此提高了活塞的應(yīng)用效率;鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性能且膨脹系數(shù)較小，這使得鋁合金活塞在350℃條件下也能夠保持良好的力學(xué)性能。此外，鋁合金制造的其他發(fā)動機(jī)構(gòu)件能夠在降低自重的基礎(chǔ)上，降低震動頻率、減少運行噪音、降低運行油耗。

5.4 輪轂制造

進(jìn)行輪轂輕量化處理能夠有效降低汽車自重，鋁合金在輪轂制造中的應(yīng)用，不但能夠降低輪轂自重，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，因為輪轂自重每降低1kg，1L汽油便能夠?qū)⑵嚨男旭偩嚯x延長800m，這樣能夠降低汽車對汽油的消耗量，進(jìn)而減低了汽車的碳排放量，做到了低碳環(huán)保[6]。此外，鋁合金材質(zhì)輪轂具有抗腐蝕性良好、耐久性能良好等特點。

6 結(jié)語

汽車輕量化為未來汽車研發(fā)生產(chǎn)的主要趨勢，目前，已經(jīng)有很多發(fā)達(dá)國家在汽車輕量化方面取得了顯著成果，實現(xiàn)了鋁合金材料的有效應(yīng)用。我國對鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用還處于探索階段，與發(fā)達(dá)國家研發(fā)生產(chǎn)水平還存在一定差距，這需要汽車制造企業(yè)加大對鋁合金汽車輕量化技術(shù)及方式的研究力度。

參考文獻(xiàn)：

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