铝合金在汽车工业中的应用与发展前景
时间：2020-12-13 08:09:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(中国兵器工业第五二研究所，内蒙古 包头 014034)
摘 要：介绍了铝合金材料及其特点，概述了铝合金材料在汽车零部件中的应用状况，综述了汽车用铝合金的应用现状及其发展前景，并针对我国汽车用铝合金的应用现状，提出了一些研发对策。
关键词：铝合金；
汽车工业；
零部件；
轻量化
中图分类号：TG164.2+1∶U46 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)09—0059—02
随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，有色金属的应用范围在不断扩大，汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。现代汽车越来越多地使用铝合金材料。铝合金在现代汽车的轻量化中扮演着极为重要的角色，被认为是21世纪最富于开发和应用潜力的“绿色材料”。采用铝合金材料，可提高汽车的安全性，因此，日益受到汽车部门的青睐，许多汽车厂家都将其作为研究的重点和减轻质量问题的理想材料。本文主要介绍铝合金材料在汽车零部件中的应用状况，并针对汽车用铝合金的应用现状及其发展前景，提出了我国汽车用
铝合金的一些研发对策。
1 铝及铝合金材料的特点
铝是最常用的轻金属之一，也是地壳中分布最广、储量最多的元素之一，占地壳重量的8.13%。纯铝的比重小(越为2.7)，为铁的35%，铜的30%。铝合金的比强度与合金结构钢相当，某些铝合金的强度高于普通结构钢，已有抗拉强度超过600MPa的高强度高韧性的铝合金材料。铝及铝合金材料具有一系列的优良性能；
密度小，使车体轻量化；
耐蚀性好，可实现无涂装；
还具有美观耐用、易成形、可表面处理、可回收再生、可节能储能等，广泛地应用于工业生产的各个部门，尤其是汽车行业。
2 汽车用铝合金的现状
目前，全世界耗铝量的12%～15%以上用于汽车工业，有些发达国家已超过25%。2002年，整个欧洲汽车工业一年消耗了150万t以上的铝合金，其中大约25万t用于汽车制造，80万t用于制造汽车传动系统，另有2.8万t用于制造汽车行驶机构和悬挂机构。1994年美国生产的每辆轿车中，平均用铝量为86.7,g，比10年前增加47kg。2000年，每辆车的平均用铝量为116kg；
到2005年，每辆汽车的平均用铝量上升至172kg。
用于汽车上的铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用量最多，可分为重力铸造件、低压铸件和其他特种铸造零件。变形铝合金包括板材、箔材、挤压材、锻件等。世界各国汽车工业用铝合金材料的品种构成大体是相同的。其品种构成：铸件占80%左右，锻件占1%～3%，其余为加工材。美国汽车工业中变形铝材占较大比例，达36.3%。表1为汽车用铸造铝合金的主要部件系统，表2是汽车用变形铝合金的主要部件系统。
3 铝合金在汽车主要零件上的应用
3.1 铝汽缸体、汽缸盖
发动机的汽缸体、汽缸盖要求材料导热性好，耐蚀性高，铝合金正好能满足这些性能要求，故很多汽车公司发动机的汽缸体、汽缸盖多采用全铝型。如美国通用汽车公司采用全铝钢套，法国汽车的铝汽缸套已达100%，铝汽缸体达45%。在发动机中采用铝铸件的还有发动机活塞、活塞环、连杆等。由于活塞、连杆采用了铸铝件，减轻了重量，从而减轻发动机的振动，降低了噪音，使发动机的燃油耗率下降，很符合汽车的发展趋势。
3.2 铝散热器
汽车的冷气设备(冷凝器、蒸发器)、机油冷却器、散热器、暖风设备等热交换器中的冷凝器、蒸发器、空冷式机油冷却器几乎100%的用铝制造。铝散热器的难点是耐久性和散热能力。耐久性主要是因腐蚀而漏水的问题，其原因是冷却液引起的内部腐蚀和盐类引起的外部腐蚀。向冷却水中添加防锈剂可防止内部腐蚀，对于盐类引起的外部腐蚀可采用表面处理和耐蚀合金来防止。
3.3 铝合金车轮
车轮是重要的保安件，对其安全性要求很高，轿车采用各种式样的铝合金车轮已相当普遍。车轮轮辋用铝合金，要求较高的强度(疲劳强度、闪光焊焊接性、滚轧成形性)；
铸造用铝合金则要求有良好的铸造性和足够的强度。我国从20世纪80年代开始生产推广使用并出口铝车轮。车轮既可以用变形铝合金，也可用铸造铝合金。变形铝合金中防锈铝、硬铝、锻铝都有所应用，整体结构的多用锻件(有的用液态模锻)，两片或三片型的其轮辋由板材成型，轮辐由板材成型或锻造成型。据统计，铝合金车轮的使用率现已达到50%左右，有的国家已经超过了60%。为了适应汽车轻量化的要求，铝轮毂正在向厚度更薄、形态更复杂、重量更轻及安全性更高的方向发展。铝轮毂散热性好，可防止轮胎过热，延长车轮及轮胎的使用寿命。另外，从加工的角度看，铝制车轮尺寸精度高，减轻了汽车行驶过程中的振动，提高了汽车的舒适性。
3.4 铝保险杠
保险杠作为吸收冲撞能量的缓冲体已普遍安装在轿车上。但由此却增加了车的重量。为此，铝保险杠、塑料保险杠同时出现以达轻量化的目的。目前，塑料保险杠是主流，铝只作为增强材料而使用。
3.5 铝车身
汽车工业的精髓是汽车车身的制作，车身制作几乎占用汽车制造公司投资总额的60%。据统计，汽车车身质量约占汽车总质量的30%左右，降低车身的重量对整车轻量化非常关键；
2006年全球整个汽车工业用于车身制造的铝合金总需求量达到了205万t。用于车身的铝合金主要有2000系、5000系、6000系和7000系。现在几乎所有的世界各大汽车公司都争相开发铝合金车身零部件或全铝车身，而且近期取得了显著成效。
3.6 底盘零件
就减轻汽车质量而言，没有比底盘系统更具潜力、更容易做到的了。在悬挂系统中，目前取代钢铁材料的首选材料是铝。通用公司在卡迪拉克和克尔维特车的悬挂系统使用了铝合金部件，还加大了悬挂系统转向节的制造中以铝替代铸铁的规模。福特公司使用了铝合金的制动盘。该制动盘质量仅为2.27kg，为原铸铁盘的1/3，尽管费用较高，寿命却是铸铁盘的3倍。克莱斯特公司的NeodLite车底盘由于使用了大量的铝合金部件，质量减轻了许多，如转向机万向节质量降低3kg，下控制臂降低了2.6kg，转向壳降低1.36kg，转向轴降低1.9kg，后制动鼓降低3.6kg，前制动踏板架降低0.8kg。
4 铝合金在汽车工业中的发展前景
近年来，轿车用铝合金材料已具有多种规格，有些新型的铝合金材料具有良好的冲压性、可焊性和抗蚀性，具有一定的强度和刚度，适用于制造刚度大的承载构件，例如车身部分。近年日本汽车制造业开发的一种新型铝合金板材，内含1%的镁和硅，可以越烘越硬，其性能参数已与钢板相似。日本本田公司生产的顶级跑车NSX车身和部分底盘零件全部用铝合金制作，车体重量比用钢材制造时减轻了140kg，正辆轿车轻了200kg，燃料消耗率降低了13%。目前全铝车身还仅限于高档轿车和跑车，随着时间的推移，制造成本的不断下降，将会有更多型号的轿车车身和零部件应用铝合金材料。
铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、适合多种成形方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料。特别是能源、环境、安全等方面的原因使对汽车轻量化的要求越来越迫切。使用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径，而铝是应用得比较成熟的轻量化材料。近20年来，铝在汽车上的用量和在车用发动机材料构成比中所占份额都有明显的增加。由铝合金制造的零件已经遍及汽车发动机的各个部分。汽车所用的材料，由于节省能源、节省资源、轻量化的需要而有所变化，新材料相继被推出、应用。随着汽车技术的进步与发展，炼制及加工工艺更加先进，铝合金零部件的普及应用不会太远。据预测，未来汽车的主要材料将由钢材转为铝材，轿车的平均重量将会减轻35%。在比较成熟的金属材料中，铝合金轻金属材料也出现了新的发展趋势，在汽车上有着十分广阔的开发应用前景。
5 我国汽车用铝合金研发对策
目前，发达国家铝消费量的18%应用于汽车工业，平均每辆汽车用铝180kg，铝化率达15%，并正以每年20%～30%的速度递增，到2010年估计用铝量可达270kg/辆以上，铝化率32%以上。而我国目前汽车的平均用铝量仅为75kg/辆左右，铝化率不到8%，差距比较大。随着中国汽车工业与世界的接轨，中国已成为世界第五大汽车工业国。因此，我国的汽车工业必须瞄准国际先进水平，对汽车用铝合金的性能和生产工艺进行更深入的研究开发。
①政府应加大对汽车材料国产化研究的投入，并整合目前比较分散的科研力量。②汽车制造业与铝加工业应通力合作，相互支持，共同研发。③系统研究铝合金材料的成分、显微组织、力学性能与冲压性能之间的关系；
尤其是加大对汽车车身板材用铝合金的研究力量，通过优化合金成分、热处理工艺和加工工艺来开发与钢板的成形性及烤漆硬化性能相同的板材。④充分研究铝合金的焊接性能，并开发能提高铝与钢铁的焊接性能的合金材料。⑤应用人工神经网络和数值模拟技术来实现材料制备工艺与性能间复杂非线性关系的拟合和预测，进一步优化汽车用铝板、铝带和铝型材的加工工艺。⑥充分研究铝合金的安全环保和回收等问题，开发再生利用技术。⑦开发新型的汽车用铝合金，如Al-Li合金、超塑性铝合金、颗粒增强铝基复合材料等。
6 结论
从高速、舒适、美观、耐用、轻量化、节能、保护环境、降低综合成本等综合性能方面来看，铝合金无疑是汽车工业现代化和轻量化的首选材料，世界许多国家都在致力于汽车用铝合金的研究。未来汽车是一种以电池代替发动机的无污染交通工具，轻量化成为最关键的问题，全铝化框架式整体车身的汽车将成为未来汽车的发展方向。汽车工业作为我国的支柱产业之一，今后几十年都将得到持续高速发展，研制高性能汽车用铝合金对提高我国汽车工业的国际竞争力具有举足轻重的作用，同时也将产生重大的经济和社会效益。
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