铝合金材料的应用领域

铝合金材料的应用领域

一、铝合金材料在汽车领域的应用

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。汽车自重每降低100kg，油耗就可以减少0.7L/km。因此，以铝合金代替钢铁材料，最大限度地减轻汽车的自重也就成为当前的研究热点。

从第一辆全铝车身奥迪A8问世，到捷豹的 Jaguar XJ，再到2012款新路虎极光揽胜发售，全铝车身加工工艺及技术正在不断走向成熟。不过，运用铝合金也面临不少问题，比如，铝合金加工难度比钢材高，成型性还需继续改善；由于铝导热性好，导致铝合金的焊接性能差；另外，成本控制对铝合金的应用非常重要，因此，全铝车身仅限于高端车型中。随着能源和环境危机的不断加剧，各国节能减排法规不断提高规范要求，铝合金作为汽车轻量化新材料将应用在更多的车型上，在工业化生产与设计中，钢铝混合车身的应用将成为主流。

1、汽车用铝合金材料的品种构成：

世界各国工业用铝合金材料的品种结构虽然有一定差异，但大体是相同的，所用的铝合金材料基本上属两大类，铸造铝合金和变形铝合金，前者用于生产各类铸件，后者用于生产各类加工材（如板，带，箔，型，棒，线）及锻件，各类加工材一般都需经过进一步加工才能成为汽车零部件。其品种构成：铸件占80%左右，锻件只占1％－3％其余为加工材。

铸造铝合金材料生产的各类铝合金铸件．主要用于发动机上的部分零件（如活塞、缸盖等）以及变速箱、制动器、转向器等部件上的部分铝合金铸件。近年来，由于发动机缸体、变速箱壳体、轮毂等一批大型铝合金汽车零件（见表1）的应用．使得汽车用铸造铝合金材料获得了飞速的发展。

变形铝合金材料主要用在汽车的散热系统、车身、底盘等部位上（见表2）如汽车水箱、汽车空调器的蒸发器和冷凝器等，主要是用铝合金带、箔材及管材；车身各部位（如发动机罩、行李箱盖、车身顶板、车身侧板、挡泥板、地板等从及底盘等则多用板材、挤压型材，近年来、由于汽车散热系统、车身铝合金化进程加快使汽车用变形铝合金材料也在迅速增长，最近十年汽车用铝合金材料各品种中加工材增加最为显著，达4倍（其中带材4.6倍，挤压材4倍），锻件增长更快，近5年增长了15倍。

表1 汽车主要部件系统中的铝铸件

表2 变形铝材在汽车上的应用的主要部件系统

2、汽车主要零部件铝化趋势：

为了大幅度减轻车重，人们正急于研究对占车重比例大的车身（约30％）、发动机（约18％）、传动系统（15％）、行走系统（约16％）、车轮（约5％）等钢铁零件改用铝材。最近出现了从发动机罩、翼子板等部分车身铝外板发展为全部采用铝外板的汽车。获得了减轻车重40％－50％（相对钢板而言）的效果。

2.1车身板件的铝材化及铝合金

用于车身板的铝合金主要有2XXX系、5XXX系和6XXX系。其中2XXX系列和6XXX系列是热处理可强化的。而5XXX系是热处理不可强化合金。所含合金以及工艺特性如表3所示。前者通过涂装，烘干工序后强度得到提高。所以用于外板等要求强度、刚性的部位。后者成形性优良，用于内板等形状复杂的部位。开发的低密度、高强度、高弹性模量和超塑性优良的Al-Li合金，以及基于低噪音的需要并有助于轻量化而开发的铝防震板等，也用于车身壁板。

表3 变形铝合金材料及其工艺特征

2.2铝空间框架结构车体及铝材

目前，世界各国都在积极推进车身、车体主要部位的铝材化，采用铝材制造有特性的汽车。近年来提出的铝观念车，在车体结构上大多数采取无骨架式结构和空间框架式结构，适用的材料有板材、挤压型材、钎焊蜂巢状夹层材料等。从设计的自由度（特性化）、成本、轻型化、安全性等方面考虑，制造小批量、多品种的汽车时，以铝挤压型材为主体的空间框架结构发展最大。

在空间框架中一般用现有的中国铝材便可满足要求，板材一般用5052、5251、5182和6009等耐蚀性优良、加工性能良好的合金。挤压型材主要的采用空心材，关键的问题是薄壁化、强度适当、与其它材料易组合，结合部断面形状设计合理等。蜂巢状夹层板也逐渐得到广泛应用，这种板是由涂有硬钎焊料的薄板作为蜂巢状夹层结构的芯材及面板组成，除重量轻、刚性高外，高温强度、耐热性、耐蚀性等也很好，而且可以进行焊接，表面处理和弯曲加工。

2.3热交换器的铝材化

从铝的特性看，热交换器是最适于用铝制造的部件。铝散热器的重量比铜的下降37％～45％，铜材价格远比铝材价格要高，而两者

的加工费几乎相当。因此，日本和美国的汽车空调器完全采用铝材。散热器的铝化率，欧洲达到90％－100％，美国达到70％－80％，日本达到50％－60％。我国的铝制散热器、内冷却器、油冷却器、加热器心部等也在迅速普及。

根据轻量化、小型化、提高散热性、保证防蚀等需要，热交换器在结构上积极进行改进，从带有波纹的蛇型改为薄壁并流型、德朗杯型、单箱型等。在材料方面也在积极进行改进，例如为改善因薄壁化导致的强度降低，采用Al－Mn－Cr－Zr系合金和Al－Mn－Si－Fe系合金；根据牺牲阳极保护作用改进化学成分来进一步提高耐蚀性；开发了多层复合材料（Al－Mn涂层结构）；用钎焊方法进行成分调整等达到防蚀目的。

2.4行走系统部件的铝化

（1）铝合金车轮

近年来，铝车轮的尺寸有大型化的倾向，直径从355.60毫米向381～531.80毫米发展。此外，从防滑、制动装置的安装普及率等来看，为了减少非悬挂重量，正在加速安装铝合金车轮，目前国外汽车的安装率较高，我国的比率呈上涨趋势，但是，重型汽车运用甚少。

现在车轮主要采用重力铸造、低压铸造。但是，为了实现轻量化，将来要向薄型化、刚性优良的压力铸造、挤压铸造法转移。另一方面，为了进步减轻重量，用铝板冲压加工、旋压加工做成整体车轮和两部分组合车轮，已在实际生产中采用。这种用6061合金制成比钢板冲压车轮重量减轻50％，旋压加工所需时间不到90秒/个，不需要组