鋁材在汽車制造中的應(yīng)用與發(fā)展研究

黃瑞麗

摘要：金屬鋁質(zhì)輕、具有良好的延展性、導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，是最重要的汽車制造金屬材料，被廣泛用于汽車車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)、保險(xiǎn)杠、車輪、電池系統(tǒng)、各類零部件等，助推汽車向著輕量化、低能耗、高性能發(fā)展。本文以鋁材為研究對(duì)象，系統(tǒng)論述鋁材在汽車制造中的應(yīng)用，并分析其發(fā)展趨勢(shì)。

Abstract： Metal aluminum is light， has good ductility， electrical conductivity and thermal conductivity， is the most important metal material for automobile manufacturing， is widely used in automobile body skeleton， engine， bumper， wheel， battery system， all kinds of parts， etc.， to boost the development of automotive towards lightweight， low energy consumption and high performance. This paper takes aluminum as the research object， systematically discusses the application of aluminum in automobile manufacturing， and analyzes its development trend.

關(guān)鍵詞：鋁;汽車制造;應(yīng)用;發(fā)展

Key words： aluminum;automobile manufacturing;application;development

中圖分類號(hào)：U465.2+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0167-02

0? 引言

我國(guó)是人口大國(guó)，擁有最龐大的汽車消費(fèi)市場(chǎng)。在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及科學(xué)技術(shù)發(fā)展的助推下，越來越多的國(guó)民企業(yè)加入到汽車制造行業(yè)中，共同推動(dòng)我國(guó)汽車制造行業(yè)的發(fā)展。在全球節(jié)能減排的大背景下，汽車制造朝著輕量化、低能耗、高性能、安全性的方向發(fā)展[1]。金屬鋁密度小，質(zhì)量輕，易于加工成型，導(dǎo)熱及導(dǎo)電性良好，且產(chǎn)量大（鋁元素是地殼含量最高的金屬元素），是最佳的汽車輕量化材料之一。近年來，關(guān)于鋁如何應(yīng)用到汽車制造中的研究越來越多。本文詳細(xì)介紹鋁材在汽車制造中的應(yīng)用，并分析其未來發(fā)展趨勢(shì)。

1? 鋁材在汽車制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用于汽車車身及保險(xiǎn)杠

汽車車身包括發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、行李箱蓋、車頂蓋、翼子板和前圍板，材料使用量大，占汽車總重比重大，是汽車輕量化的重要研究點(diǎn)。傳統(tǒng)的鑄鋼車身，質(zhì)量重，導(dǎo)致汽車的耗油量大。有實(shí)驗(yàn)研究表明，汽車自身質(zhì)量質(zhì)量每降低10%，其燃油消耗量能降低6%～8%，排放可降低5%～6%。金屬鋁的密度為鐵的三分之一，力學(xué)性能優(yōu)良，是汽車車身輕量化的重點(diǎn)研究材料。鋁用作汽車車身材料能大大地降低汽車整體重量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。近年來關(guān)于鋁制車身的研究與實(shí)踐案例越來越多，其中奧迪公司在1995年就打造了一臺(tái)全鋁車身橋車，現(xiàn)在大部分的電動(dòng)車采用全鋁車身或采用80%的鋁材[2-3]。另外，金屬鋁是汽車保險(xiǎn)杠的主要制造材料，當(dāng)汽車發(fā)生沖撞時(shí)，鋁制保險(xiǎn)杠能有效吸收碰撞熱量，以達(dá)到減震的效果。

1.2 應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的重要?jiǎng)恿Σ考?，也是汽車主要的振?dòng)源之一。如今，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上多數(shù)零件已由鑄鐵換為鋁制品，如活塞支座、油底殼、機(jī)體等零件采用鋁鎂合金材料，能有效地幫助發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，達(dá)到減少散熱器尺寸，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)[4-5];發(fā)動(dòng)機(jī)支座采用泡沫鋁材料填充，能有效地減小振動(dòng)，達(dá)到減震的效果。金東風(fēng)汽車公司生產(chǎn)了一批商務(wù)車，采用了鋁鎂發(fā)動(dòng)機(jī)，有效的降低了整車油耗，提高了汽車使用性能[6]。

1.3 應(yīng)用于車輪生產(chǎn)

汽車車輪是汽車的重要組成部分，它直接與地面接觸，承載著汽車的重量，是汽車安全性與舒適性的關(guān)鍵影響因素。傳統(tǒng)的鑄鋼車輪由于剛性強(qiáng)、質(zhì)量重，存在振動(dòng)緩沖能力弱及易導(dǎo)致輪胎過熱的缺點(diǎn)。鋁制車輪加工性能好，尺寸精度高，能有效的降低汽車的縱向及橫向振動(dòng)。另外，由于鋁制車輪質(zhì)量輕，散熱性好的，能有效地避免車輪過熱問題的發(fā)生，進(jìn)而提高了車輪的抗老化性能，延長(zhǎng)了車輪的使用壽命。目前，高端跑車、橋車、大型公交車以及一些軍用特種車均采用鋁制車輪。據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，未來，將有98%的汽車將采用鋁制車輪[7]。

1.4 應(yīng)用于汽車底盤

汽車底盤包括行駛系、傳動(dòng)系、制動(dòng)系四部分，包含的零配件較多。目前，許多汽車底盤的零部件均采用鋁合金制造而成，具體包括制動(dòng)鉗、方向盤骨架、離合器踏板、剎車踏板、變速器殼體、離合器殼體、制動(dòng)器殼體、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向器殼體等[8]。鋁合金零部件的使用，有效地減輕了汽車底盤的重量。

1.5 應(yīng)用于汽車鋁棒導(dǎo)線

線束是汽車的神經(jīng)系統(tǒng)，是傳遞電信號(hào)的重要媒介。鋁棒導(dǎo)線為單芯導(dǎo)線，具有密度小、工差小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價(jià)格實(shí)惠及易于安全等優(yōu)點(diǎn)，且其導(dǎo)線性能優(yōu)于銅線，正在逐漸被汽車生產(chǎn)制造商認(rèn)可及應(yīng)用。目前鋁棒導(dǎo)線正逐漸應(yīng)用到純電動(dòng)和混動(dòng)汽車中，一些知名品牌的汽車代工生產(chǎn)商也開始使用鋁棒導(dǎo)線的設(shè)計(jì)，例如路虎、通用、保時(shí)捷、奔馳及寶馬[9]。

1.6 應(yīng)用于熱交換器加工

汽車熱交換器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)降溫的重要配件，與家用空調(diào)的降溫功能一樣。由于鋁材在導(dǎo)熱性、質(zhì)量以及加工性三方面的優(yōu)勢(shì)，鋁制熱交換器得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，汽車熱交換器主要由高頻釬焊扁鋁管和擠壓性質(zhì)多孔鋁材料制備。

2? 鋁材在汽車制造中的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 世界汽車平均用鋁量逐年上升

隨著環(huán)境污染問題的日益凸顯以及汽車節(jié)能減排的緊迫要求，汽車輕量化、低能耗是未來汽車制造的一大趨勢(shì)。金屬鋁以其質(zhì)輕、力學(xué)性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，成為了汽車輕量化首選的金屬材料，也大力助推了電動(dòng)新能源汽車的發(fā)展。未來新能源電動(dòng)汽車的占比將不斷提升，鋁作為新能源電動(dòng)汽車的主要制造金屬材料，其用量也將不斷提高，倫敦商品研究所預(yù)測(cè)，全球混動(dòng)汽車及電動(dòng)汽車的用鋁量將于2030年達(dá)到10Mt，是2018年的10倍;另外由于汽車輕量化趨勢(shì)，傳統(tǒng)汽油類汽車各部件的用鋁量也將不斷提高。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，世界汽車平均用鋁量在每年遞增，預(yù)計(jì)到2025年世界汽車平均用鋁量將由當(dāng)前的15%提升到20%，即用鋁量達(dá)到240kg。我國(guó)汽車制造行業(yè)由于制造成本以及工藝技術(shù)等方面的原因，至2018年汽車平均用鋁量?jī)H為153kg，用鋁量低于世界平均用鋁量，遠(yuǎn)低于歐美及韓日發(fā)達(dá)國(guó)家水平[10]。因此，我國(guó)汽車鋁材的應(yīng)用前景十分廣闊。

2.2 主要以鋁合金及鋁基復(fù)合材料的形式應(yīng)用到汽車制造中

金屬鋁強(qiáng)度低，不適于單獨(dú)制作結(jié)構(gòu)部件，常需加入其他金屬元素以改善力學(xué)性能，制備成鋁合金，再應(yīng)用到汽車制造中。鋁合金主要添加的金屬元素有銅、鋅、錳、硅、鎂等，其中以鋁鎂合金的應(yīng)用研究最多。將鋁錠和鎂錠放入保護(hù)氣體中，然后經(jīng)高溫熔融，則可制備得到鎂鋁合金。鎂鋁合金具有質(zhì)輕、切削性能好、阻尼強(qiáng)、可焊、易于回收、比剛度及比強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于儀表盤、方向盤、變箱、油底殻、氣缸罩蓋、座椅架及輪轂等多個(gè)關(guān)鍵零部件。鋁鍶合金是新興的一種合金，具有再現(xiàn)性好、回收率高、變質(zhì)有效時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備腐蝕小、揮發(fā)性小等優(yōu)點(diǎn)，能應(yīng)用在汽車活塞、泵體、輪轂的生產(chǎn)[11-12]。未來關(guān)于汽車鋁合金的研究及應(yīng)用將越來越多。

鋁基復(fù)合材料也是未來汽車鋁材的一大研究發(fā)展方向。鋁基復(fù)合材料是將金屬鋁作為基體，然后通過特殊的材料制備工藝，加入一種或者多種其他材料制備而來。由于與其他金屬材料相結(jié)合，使鋁基復(fù)合材料在原有金屬鋁特性的基礎(chǔ)上，具備更好的抗疲勞性、可塑性、耐磨性以及韌性。王波[13]利用擠壓鑄造和重力鑄造的方法制備了Al2O3/ZAlSi12Cu1Mg1Ni1復(fù)合材料活塞，其力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)ZAlSi12Cu1Mg1Ni1合金。美國(guó)福特公司研發(fā)了一款SiCp/Al鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤，不再使用鑄鐵制動(dòng)盤，并將其批量生產(chǎn)，應(yīng)用于Lincoln Town Car;Lotus公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)轎車（Elise）的前后輪制動(dòng)盤也是采用鋁基復(fù)合材料[14]。目前，鋁基復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于汽車剎車裝置、制造齒輪箱、驅(qū)動(dòng)軸以及搖臂等汽車構(gòu)件。未來，鋁基復(fù)合材料在汽車零部件的應(yīng)用將越來越多。

2.3 鋁材的成型加工及運(yùn)輸方式有待改進(jìn)

第一是鋁合金的延伸率相較鋼制品低，僅為其30%，在加工過程中易出現(xiàn)產(chǎn)品拉裂問題，因此需進(jìn)一步改善鋁材的加工成型工藝;第二是鋁制品不能采用鐵制品磁力運(yùn)輸?shù)姆绞?，需重新設(shè)計(jì)新的運(yùn)輸方式。

3? 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，汽車行業(yè)得到空前發(fā)展，推動(dòng)汽車材料的更新迭代。鋁材作為汽車輕量化的首選材料，能有效地減輕汽車整車重量，已被廣泛應(yīng)用于汽車車身、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)零配件、車輪、底盤零部件、汽車導(dǎo)線、熱交換器等處。未來，世界新能源汽車的生產(chǎn)量將逐年增加，世界汽車平均用鋁量將不斷提高，關(guān)于如何將鋁合金及鋁基復(fù)合材料應(yīng)用到汽車制造中的研究也將隨之增多。

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