略论铝合金和镁合金在汽车工业中的应用

略论铝合金和镁合金在汽车工业中的应用
近年来，汽车工业大量应用铝合金和镁合金作为其产品的结构材料，以满足自身发展的需要。

20世纪80年代以来，在国际上，汽车结构变化的主要方向是提高使用经济性，而降低燃油消耗、实现轻量化是现代汽车最显著的特征。

因为汽车轻量化的结果会缓和能源需求的紧张状况，减轻环境污染，降低生产综合费用。

作为轻金属，将逐渐增大在汽车工业方面的开发应用，完全符合汽车工业自身当前的发展趋势。

1.铝合金在汽车工业生产中的应用及发展
1.1 汽车铝合金铸件的应用
国际上，用铝合金代替铸铁制造汽车零件的历史可以追溯到20世纪40年代。

欧洲的汽车生产厂家，例如意大利菲亚特汽车公司研究出用铝代替铸铁制造进气歧管和气缸盖后，因其具有很多优点而开始少量生产。

同时，金属型铸造工艺用于汽车工业产品生产的优点也逐步表现出来。

50年代，澳大利亚引进了英国Alumasc公司的低压铸造技术，用于汽车铝铸件生产。

联邦德国Kartl Schrmiolt公司对低压铸造技术作了进一步改进，用于生产结构复杂的零件，包括戴姆勒-本茨汽车公司的镶嵌铸铁衬套的铝制动鼓。

美国通用汽车公司在Massena铸造厂大量生产Corvair Certainly轿车铝铸件如气缸盖、曲轴箱、发动机后盖及滤清器接头。

60年代以后，以汽车工业为产业支柱的工业国家，将电子、机械制造技术与汽车制造溶为一体，追求高效率的生产方式，因此压铸技术获得了较大发展，压铸工艺成为汽车工业扩大轻金属应用的主要生产手段之一。

同时，也确立了现代汽车（其中主要是轿车）广泛应用铝铸件来减轻自身质量的基础。

总的说来，国际上铝合金逐步应用于汽车工业产品的发展历程主要分为两个阶段：第一阶段应用的产品是气缸盖、进气管、活塞、离合器壳、变速器壳，以及镶嵌铁缸套的铝气缸体；第二阶段开发应用的零件与车辆的安全性能有关，如盘式制动器座、悬臂架、制动鼓、万向节叉以及汽车轮毂。

在国内，汽车用铝铸件始于20世纪30~40年代，主要是制造汽车备件，供当时为数不多的汽车使用，生产量小，生产条件以及工艺技术很差。

在新中国成立以后，20世纪50年代我国建立
了民族汽车工业（第一汽车制造厂）；70~80年代汽车工业飞跃发展，生产制造汽车品种从载货车、客车，并逐步发展到轻型汽车和轿车的制造，以生产轿车配套产品为主体，汽车用铝铸件的开发应用迅速发展起来。

汽车制造业为了减轻车辆自身质量，对铝铸件的需求不断增长。

在整个铝铸件总产量中，大约有60%-70%的铝铸件用于汽车制造，其主要用于以下两个产品。

a.发动机
铝合金作为汽车零件特别是用于制造汽车发动机产品的结构材料有两个突出的优点：一是质量轻，美国克莱斯勒公司和通用汽车公司采用压铸法生产铝气缸体来代替铸铁气缸体，汽油发动机（4缸机）可以减轻质量42.7 kg，较大幅度地减轻了汽车自身质量；二是它的导热性比铸铁好。

根据发动机工作原理，使用铝制气缸盖和气缸体可以改善发动机的工作状态，提高其热效率，这就意味着能够改善和提高发动机的功率。

用于发动机的铝铸件，不仅要求合金具有良好的高温性能、耐磨性、热膨胀系数小，同时在铸造成型时合金的流动性要好。

众所周知，内燃机气缸盖是一种内腔结构复杂、形状多变，并且壁厚不均匀的铸件，而现代轿车用某些高性能发动机气缸盖水套壁厚只有3.2 -3.5 mm，在进气管道最薄处仅2.5-3 mm。

所以，保证产品铸造成型状态的完整性是对铸铝合金的严重考验。

由于缸体和缸盖的冷却通道与水接触，缸盖燃烧室表面受到高温燃气侵蚀，故又要求合金具有一定的耐腐蚀性。

由于气缸体和气缸盖铸件工作环境差，故又要求合金有较好的热疲劳强度，以承受抗热冲击所产生的疲劳破坏情况。

国外常用于发动机气缸盖的铝合金为ASM319（美）,AC4B（日），而中国为ZL101（或ZL101A）合金，其铸造方法为金属型重力铸造和低压铸造工艺。

国外在生产发动机气缸体方面常选用390合金（欧美），而日本则为ADC 12合金，我国使用ZL104合金，其铸造方法为压铸，亦有采用低压铸造。

b.轮毂类产品
汽车轮毂是车辆行驶系统中的主要部件之一，是一种保安产品，对于应用的铝合金材料，必须达到产品静态，特别是动态使用功能的技术要求，在减轻质量的前提下，减轻振动，改善汽车行驶性能。

以Audi轿车为例，采用铝合金轮毂，质量为4.92 kg，与钢制产品相比，其质量减轻
了39.5%，对减少油耗量及改善环境有利。

与此同时，轿车从起步一直达到100 km/h速度时的加速时间减少为0.3s，且铝合金轮毂同钢制轮毂相比，其振动程度减轻了12%左右。

纵观国内外，在汽车轮毂铝合金材料使用方面，国外如美国以及西欧，均采用356合金（或A356合金），而国内在引进国外的汽车轮毂铸造技术以后，经过国产化，形成现今使用的ZL101A 合金。

在铸造方法上，主要采用金属型铸造，以及金属型低压铸造法，并且近年以来逐步开发生产带泥芯的铸造方法，即将轮毂幅条挖空，进一步减轻轮毅的质量。

在当前国内外汽车产品应用铝合金材料方面，按使用量计算，轮毂产品用铝合金数量位居首位。

由此可见，铝合金轮毂在汽车产品应用铝合金方面的重要意义。

1.2 铝合金的发展趋向
1.2.1 铸态铝合金的研制开发是适应铝合金工业应用发展形势的需要
铝合金具有诸多优良的技术性能和工艺特点，因此其工业应用十分广泛，并且需求量日渐增加。

但是，铝合金前述的许多优良性能特别是其中有关力学-物理性能部分，是需要通过热处理工艺才获得的。

铝合金热处理工艺主要是固溶强化处理及时效处理，但其存在着以下几方面问题，给生产企业造成较大的困难。

a.铝合金产品热处理工序周期长
铸造铝合金系多相的组织特征：固溶体晶粒周围存在粗大的共晶组织；固溶体内部的不均匀性和存在第二相质点；晶粒间不仅有气孔和显微缩孔，而且还有非金属夹杂，它们都可能使晶粒彼此隔绝，从而阻碍着扩散过程的进行，因此铸造铝合金需要在淬火温度下经过较长时间的保温阶段（一般是4h以上），才能使强化相α固溶体达到最大溶解度，从而使合金固溶强化。

铝合金产品经过淬火以后，为了使合金基体的结晶点阵恢复到比较稳定状态，同时消除在淬火加热过程中形成的内应力，因此在淬火以后又要对产品进行时效处理。

淬火和时效处理工序周期为10-12 h，再加上升温时间及配套的生产准备时间，处理1炉产品需要工序周转时间共20~22 h。

b.热处理工序耗电量大
铝合金产品热处理淬火温度为535±5℃，保温4h以上；时效温度为200±5℃，保温4h,还要加上产品入炉后升温至保温阶段，其耗电量是相当大的。

C.工序控制有较大难度，对产品质量造成威胁
铝合金产品热处理的技术难度主要是两个方面：一是炉温的控制，要求十分严格。

铝合金多系薄壁铸件，而其热处理（淬火）温度为535±5℃，同合金固相线温度差仅为20~30℃，如果炉温失控，产品容易发生翘曲变形、过烧及裂纹；二是产品出炉淬火的时·间控制在15s以内，如果操作不当，则产品力学性能达不到规定标准，甚至可能造成全炉产品报废。

由于上述几个方面存在的问题，所以铝合金产品的热处理成为了其工业生产应用的“拦路虎”，严重阻碍其开发应用与发展。

铸态铝合金是近年国际铸造行业正在研制探讨的新型铝合金系列，其主要技术特点表现在合金有较好的综合技术性能，通过合金化的效果与作用，在铸造凝固过程中已经实现了固溶强化，故此产品不需要进行热处理，在铸态便能使用，故此深受机械制造业（特别是汽车工业）的重视，适应了当前铝合金工业应用发展的需要。

1.2.2 铸态铝合金研制开发及其工艺
a.遵照国家汽车工业“八五”科研规划，重庆汽车研究所开展了铸态铝合金的研制工作，由于是新型铝合金，因此整个科研课题研究从零开始，其技术难度是相当大的。

经历了数年的科研试验研究，对铸态铝合金的技术原理、配制成分范围、综合技术性能条件、金相组织状态和结构，以及所具备的技术特点进行了较深入的探索研究。

在“八五”期间基本上下研制出以FZL-1型为代表的铸态铝合金新系列，为国家填补了工业用铝合金铸态系列的空白，并获得了国家技术发明专利。

b．实践是检验真理的标准。

科研成果必须经过产品工艺应用生产实际的考核，才能证实其技术的适用性和可靠性。

因此，在“八五”期间铸态铝合金研制试验结论的技术基础上，“九五”时期，先后与长安汽车公司、东风汽车有限公司等合作，通过重庆市“九五”科技攻关计划及国家“九五”科技攻关计划（国家"863"高新技术开发项目），将铸态铝合金先后在轻型汽车（微型
汽车）轿车产品上进行工艺应用技术开发生产试验研究，经多年的产品工艺生产应用考核，铸态铝合金表现出良好的工艺应用效果。

在1999~2000年相继经主管科技领导部门组织鉴定：我国自主研制开发的铸态铝合金新材料，其产品工艺应用成果在国内处于领先地位，并具有国际先进技术水平。

铸态铝合金又在摩托车发动机产品方面进行生产试验应用，效果良好。

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C.铸态铝合金在多年的产品工艺应用中，生产试验研究产品的对象主要是汽车发动机气缸盖。

由于发动机是汽车的“心脏”，故此发动机气缸盖形状复杂、壁厚不均、阀孔多，而所用材料需要质量轻、强度高、形变小、刚性好、铸造结晶组织致密、耐压、经受高温循环冲击，其抗腐蚀性和热稳定性良好。

其原用材料为ZL101(或ZL101 A )。

经历了数年的产品工艺应用生产试验，铸态铝合金工艺应用技术效果较为显著，表现出如下的技术特性及技术优越性。

铸态铝合金(FZL-1)和ZLIOI合金铸造工艺性能专项试验（采用螺旋形试棒）数据表明：FZL-1合金流动性的尺寸长度1 460-1 500 mm（在29.5-30.0 mm间距内），ZLIOI合金的尺寸长度为1315-1425 mm在26.3-28.5 mm 间距内）。

两种合金对比，显示出铸态铝合金的铸造流动性比ZLIOI 合金好。

铸态铝合金流动性好，充型能力强，结晶组织致密，产品气密性高。

同ZLIOI合金产品相比，铸态铝合金气缸盖加工表面粗糙度全面达到产品设计规定，并且部分已经超过标准。

特别是合金的强韧性好，加工钻小孔（φ6mm）攻丝不“拔牙”，而ZLIOI合金产品钻孔攻丝扣时因“拔牙”情况，其废品率约为8%-10%。

铸态铝合金在常温、高温（50250℃）及低温（－15~35℃）检测数据表明，均比ZL101合金经过热处理（T6)的力学性能高，特别是常温状态的力学性能数据差距更为明显（铸态铝合金为260-280 MPa;ZLIOI合金（T6）为225230 MPa）。

铸态铝合金的物理性能同ZL101合金相比，各有其特征。

在抗腐蚀能力方面，通过剥蚀试验
的结果对比，抗蚀能力大体相似。

在生产现场，两种合金产品经过装机台架试验（特别是产品装机配车道路试验）以后，腐蚀状况差别较大。

铸态铝合金气缸盖仅有轻微的腐蚀现象，而ZLIOI合金产品（包括以前使用的部分日本CKD/SKD件在内）表面腐蚀现象较为严重，个别产品出现腐蚀成小坑情况。

铸态铝合金铸造的气缸盖经过存放8个月、16个月以后，对其主要技术尺寸进行复查，检测项目包括A面（气缸盖燃烧室平面）的平面度、前后端面对A面的垂直度、凸轮轴孔尺寸及凸轮轴孔对A面的平行度等。

检测结果表明，尺寸变化很小，全部在规定的尺寸公差范围内，充分说明铸态铝合金产品的尺寸稳定性较好，变形量小。

在装机进行300 h工作可靠性台架试验及装机配车进行2.5万km道路试验以后，铸态铝合金气缸盖A面（燃烧室平面）能保证满足0.03 mm 的平面度要求，热变形量极小。

而ZL101合金气缸盖在同样的台架试验和道路试验以后，难以保证A面0.03 mm平面度要求，甚至有时A面的平面度变化达0.2-0.3 mm。

所以，铸造产品良好的热稳定性是铸态铝合金的主要技术特征。

d.铸态铝合金产品应用的技术经济效益可从以下两个方面进行评估和探讨。

铸态铝合金产品工艺应用（有形的）技术经济效益，包括节省建造热处理广房及厂房征地费用；不用投资热处理设备的费用；节省产品热处理电力消耗及人工费用；节省产品热处理废品损失费用，改善和提高了产品质量，从而提高了经济效益。

铸态铝合金产品工艺应用（无形的）技术经济效益，主要表现在简化生产工序，缩短生产周期，加快产品工序周转，从而增强了生产管理工作的主动性和灵活性；大幅度减少生产用电，减轻社会用电负荷，降低能耗；取消热工操作工序，改善生产环境，对生产的环保条件有积极的影响，更重要的是改造生产传统工艺，简化生产工序，方便生产，是工业生产技术的重大进步。

综上所述，铸态铝合金的研制及其产品工艺开发应用，改造了生产传统工艺，给工业生产带来了直接的生产经济效益，并具有较重大的社会经济意义。

2.镁合金铸件的应用与发展
镁合金在汽车工业中的开发应用大约从20世纪20年代开始，当时镁制零件在赛车上应用。

1936年德国大众汽车公司开始用压铸镁合金制作“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等汽车发
动机传动系统零件。

1946年，大众公司每辆汽车用镁合金为18kg左右，至1980年，共生产制造“甲壳虫”汽车1900万辆，用镁合金铸件为38万t，达到了批量生产使用镁合金的最高记录。

北美汽车用镁合金铸件在20世纪80年代中期之前数量很小，当开发出高纯度镁合金后，才有实质性的增长。

1992年，美国三大汽车公司采用镁合金件的情况是：福特30个，通用45个，克莱斯勒20个。

到1993年，三大汽车公司生产总量增加了1倍，镁合金用量占北美总消耗量的70%。

这些镁铸件主要用来制造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架、阀盖、变速器箱体、发动机前盖及照明灯夹持器等汽车零部件。

在国内，镁合金材料工艺应用于机械制造业开始主要是在航空工业，20世纪50年代中期由苏联引进镁合金铸造技术。

而在汽车行业应用镁合金产品，是近年以来才逐渐发展起来的。

“九五”时期，在国家“九五”轿车新材料技术开发项目中，以东风汽车有限公司富康轿车用国产化新材料为科研对象，组织研制开发了新型铝合金（铸态铝合金）及镁合金产品（汽车发动机产品，铝件为重力铸造，镁件为冷室压铸），这是我国将镁合金工艺应用于汽车产品的开端。

该项目系国家“九五”科技攻关计划重点科研课题和国家“863”高新技术项目，由东风汽车有限公司、重庆汽车研究所及北京有色冶金设计总院合作完成。

2.1 镁合金汽车产品近期开发应用状况
近年以来，在国际方面汽车用镁铸件又有了新进展。

除了整体式镁合金铸造汽车座椅外，在1997年展出的梅塞德斯一奔驰的新车型SLK上，燃料箱和行李箱之间的隔板也采用质量为3.19 kg 的压铸镁合金件代替质量为6 kg的钢件。

通用的EVI车型采用的整体铸镁转向盘等亦是镁合金铸件在汽车上的新应用。

福特公司着眼于2000年后中型车100 km油耗少于3L的目标，而于1998年推出的轻质概念车P2000，所采用的铸镁轮毂（每个质量3.1 kg,比钢板冲压件减少5 kg），则是镁铸件在未来汽车上的应用发展。

汽车用镁合金铸件对于减轻汽车自身质量，提高燃油经济性、保护环境、提高安全驾驶性、改善汽车性能、增强竞争能力的效果显著。

例如，丰田汽车的转向盘加装安全气囊后质量增加，采用AM60B镁合金压铸件后，质量比过去钢制品、铝制品分别减轻了45%和15%，并减少了转向系统的振动。

奔驰公司采用AM20和AM50压铸座椅架，其质量比过去冲压-焊接钢结构件大为减轻。

通用EV1型汽车用镁制仪表板将20个冲压及塑料零件组合成一个压铸件，不但质量减轻了3.6 kg,而且增加了刚性，同时还减少了装配工作量。

福特公司的载货车离合器壳改用AZ91 D镁合金压铸
件，不但无大气腐蚀问题，而且耐海水腐蚀性比铝合金壳体好，延长了产品使用寿命。

在国内，国家科技部将镁合金成型技术和应用研究列为我国“十五”科技规划中有色金属发展的六大方向之一。

随着“大力推动镁合金工艺应用，变资源优势为产品优势”方针的贯彻实施，镁合金产品在机械制造业（特别是汽车工业）发展十分迅速。

例如，在重庆地区已经建立起来镁合金生产企业一重庆镁业有限公司，专业生产制造以汽车（摩托车）为主体的镁合金铸件。

据有关资料介绍，东风汽车有限公司630 t镁合金压铸生产线已经投产使用，主要用于生产东风系列载货汽车用脚踏板、变速器顶盖、制动阀壳体；富康轿车用的转向盘芯、缸体罩盖、门锁芯壳及转向支架等系列镁合金压铸产品。

与此同时，不少汽车生产厂家也在生产开发镁合金汽车产品，例如汽车（摩托车）用轮毂等。

2.2 镁合金铸件的成型方法及特点
汽车、镁合金铸件成型方法主要是压铸法。

镁合金材料适合于进行压铸，其优点在于以下几个方面。

a.镁合金的热值和粘度有利于满足压铸工艺要求，因为镁合金成型温度与凝固温度之间的热量差值较小。

b.镁合金的凝固收缩较小，因为镁凝固时的体积收缩率为3.92%-4.2％，比金属铝6.60/-6.7%要小。

c.镁合金具有优良的脱模条件。

d.镁合金具有较小的凝固收缩力和产生气蚀的可能性。

由于镁合金的上述特性，所以汽车上的镁铸件可以用冷室或热室压铸成型。

但是，用传统的压铸方法生产的镁铸件不能进行热处理强化和在较高的工作温度下使用，为此近20年以来新开发应用3种压铸方法：真空铸造、充氧压铸及半固态金属流变或触变压铸，这对消除镁铸件缺陷、提高其内部质量、扩大压铸方法的应用有重要的促进作用。

真空压铸能明显地提高压铸件的力学性能和表面质量，目前在冷室压铸机上能用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车轮毂及在热室压铸机上生产出AM60B镁合金汽车转向盘零件，合金伸长
率由8%提高到16%。

充氧压铸又称无气孔压铸，是将氧气或其他活性气体置换型腔内的空气，与充型金属液反应生成金属氧化微粒，弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内部的气体，同时这种压铸件可以热处理强化。

日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产AM60镁合金汽车、摩托车轮毂与铝轮比较，质量减轻了15%。

半固态流变压铸具有充型平稳、无金属喷溅、金属液氧化损失少、节能、操作安全，并且铸件结晶组织致密等优点。

固相率为40%-50%的AZ91 D镁合金在冷室压铸机上生产的半固态流变压铸件，消除了铸件内部气孔等缺陷。

美国Dow Chemical公司1991年推出第二代半固态压铸机，并已生产出汽车传动器壳体盖、点火器壳体等镁铸件。

半固态铸造技术被公认为是21世纪最具有发展潜力的近净成形技术和新材料制备技术之一。

3.结束语
现代汽车为了降低油耗、节约能源、提高使用的经济性、保护环境，必须减轻车辆自身质量，故此汽车产品轻量化是国际汽车行业面临的重大课题。

随着汽车轻量化的发展历程，轻金属（铝合金和镁合金）大量应用于汽车工业产品。

全世界大约70%的铝铸件用于汽车工业，足以说明铝
合金和汽车之间的关系。

而镁合金在密度及综合性能条件方面存在很大技术优越性，适合汽车产品应用需要，故此国际汽车行业应用镁合金铸件日渐增多。

从国内来讲，按照我国汽车工业产业政策规定目标，至2010年，我国将生产轿车400万辆，需用有色金属为133.6万t，其中3/4是铝合金和镁合金，这是铝、镁合金在汽车工业应用发展
方面强大的推动力。

我国铝、镁资源丰富，合理地利用资源优势，对于社会经济的发展意义十分重大。

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信息来源：汽车工艺与材料。