铝合金材料在汽车轻量化中的应用分析

铝合金材料在汽车轻量化中的应用分析2008-04-10 中国汽车工业信息网1铝合金的特点(1)铝作为轻量化金属的优势铝的力学性能好，其密度只有钢铁的1/3；具有良好的导热性，仅次于铜；机械加工性能比铁高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝的铸造工艺性能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。

随着铝合金技术的发展，铝中添加镁、铬、硅等合金元素可获得高强度铝合金材料。

车用普通钢材的强度约为240MPa左右.高强度钢为500-700MPa，而车用铝合金的强度现在可以达到500MPa以上，因此铝合金的比强度(强度/密度)更高，在等强度设计条件下，铝合金轻得多，可使发动机气缸体和气缸盖减重30%-40%，全铝车身比钢车身轻40%以上，铝合金车轮减重达50%左右。

而且，铝合金带来的轻量化又允许制动器、悬架等零部件减重，即二次轻量化，后者轻量化效果大概是前者的50%。

美国的一项研究报告表明，整备质量为1483.6kg的轿车采用铝材料，在保持全部性能的前提下，车身质量减重125kg，其次是发动机零部件质量减重54kg，其他总成和零部件减重效果也很明显，如悬架系统减重29kg，传动系减重14.5kg.车轮减重11.8kg.制动系减重10.9kg，燃料系统减重9kg，转向机构减重5kg.排气机构减重4kg等，总计减重超过260kg，达到17.5%。

(2)铝吸收冲击的能力是钢的2倍。

有人称使用强度比钢铁差的轻质材料一定会损害车辆安全性.这是不真实的。

铝材受碰撞后变形模式为前部大收缩而后部几乎不变形，见图1。

由于铝材的吸能性好，在碰撞安全性方面有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生皱褶，可吸收大量的冲击力，从而保护了后面的驾驶员和乘客。

而且，由于车身质量减轻，可以更快捷地转向或制动，能更好地避免发生事故。

即使发生碰撞，碰撞时的动能也会减小，可相应地降低冲击力。

(3)铝易于回收再生。

据分析，每年有近6000万辆汽车投放全球市场.如果全球汽车保有量要保持平稳增长，每年起码将有4000万辆汽车报废.因此回收报废汽车则变得尤为重要。

汽车工业要成为绿色产业，就要求汽车在制造、使用、回收全部过程中尽量少污染。

近年来，为了保护环境，节约资源，各国对报废汽车材料的回收与再生都非常重视。

日本在1989年通过了“再生资源利用促进法”，各汽车公司分别成立了“废车再生研讨委员会”，认真贯彻实施该法案。

法国的标致雪铁龙和雷诺公司于1993年与政府签订了协议，保证到2002年.他们生产的汽车报废时材料的再生利用率由75%提高到85%，同时协议还规定，今后在设计和制造汽车时，汽车的装配应考虑报废时便于拆卸。

欧盟也立法规定，在2002年6月之后生产的新车将来的报废费用完全由生产厂家承担，从2006年起必须保证占车重85%的材料可以回收，到2015年要达到95%。

在这种重视回收再生的大背景下，铝材的优势非常明显。

铝制品在使用过程中几乎不发生腐蚀或仅发生轻微的腐蚀，工业上使用的常规材料中，铝的回收价值率是最高的。

而再生铝的能耗仅相当于从铝土矿开采到电解浇铸咸原铝锭所需能源的5%，在铝材—铝制品一使用一回收再生铝锭—再加工成铝材的循环过程中，铝的损耗也仅5%左右，其再生性能比任何一种常用金属都高。

2001年美国市场供应铝材的1/3来自回收再利用；2000年，西方国家铝总产量2500t，回收再生的700万t.占28%。

目前，汽车用铝的80%可以回收，估计到2010年，可达90%。

2铝材在汽车上的应用(1)车身车身质量约占汽车总质量的30%以上，减轻车身的质量对汽车轻量化具有很大的意义。

众所周知，车身通常由主体结构加上车身板件组成。

对于主体结构，近年来各大厂商推出的概念车，在车身结构上大多采用以铝型材为主的无骨架式结构或空间框架式结构。

这种结构的特点是：a.适用多品种小批量生产，改型容易，避免了铝合金不易冲压的缺点，不需要大型冲压设备，可节省投资；b.减少部件数量，可选任意断面铝材；c.减少工时，缩短生产时间；d.大幅度减轻质量，节约燃料。

空间框架式结构，即ASF(Audi Space Frame)技术，产生于奥迪公司，是指由铝挤压成形的多种盒形断面的梁构成空间框架。

这种梁有直的也有弯曲的，梁的壁厚比相同尺寸的钢要增加0.7-0.8倍。

空间框架的构造是由真空压铸铝件完成的。

这种铝铸件强度高，多用在应力集中的节点处，主要的承载部位通过MIG焊接方法连接。

这种压铸铝接头件的高强度是通过优化结构和增加壁厚来达到的。

铸件能够做成很复杂的形状来满足结构需要，并保证车身节点有最佳的刚度。

车身外覆盖件是由铝合金板冲压加工制造，铝板的厚度比钢板要增加0.2-0.25倍，有的覆盖件的加强板也采用了挤压铝型材。

覆盖件与框架的连接是通过；中压铆钉铆接完成的，铆接的强度比点焊高30%，在所有的连接中铆接占68%，其他的连接方法有弯铆、粘接等。

在车门防撞结构中，采用了具有网状断面的挤压型材做防撞梁，并且把车门与支柱、门槛等骨架设计成有重叠部分的结构，能很好地满足防撞要求。

奥迪公司采用ASF技术，于1994年和1999年分别推出A8和A2全铝轿车。

铝挤压型材、铝真空压铸件及铝合金板是构成其车身的三种基本元素，使这两款车的车身质量比传统钢制车身减轻40%，A2的总车质量只有895 kg，而车身的静态扭转刚度反而大大提高，而A8更是被评为1994年全世界100项重要科技成果之一。

目前，A8与A2每年分别制造13000辆和50000辆，因此A2已经成为世界第一款真正意义上大批量生产的全铝轿车，而它的钢铁材料的比例已降至惊人的34%，铝合金比例则达到28.8%，这两个数字对世界汽车工业具有重大变革性的意义，其影响必定深远。

图2是A8的金铝车身示意。

对于车身板件，铝合金板也能在保持钢板件性能的同时实现减重的目的。

比如3L Lupo 车的前盖板及侧围板就是全铝制造，分别减重4.2kg和3.4kg，整个车门也是铝制造的，减重达16kg。

(2)底盘和车轮目前，汽车底盘也广泛使用铝合金材料，如离合器壳、离合器分离圆盘、变速器壳、变速器换挡拨叉、车桥、转向器壳、制动鼓、制动器活塞和控制缸等。

奔驰公司新一代S系列轿车有好几种底盘部件都是使用铝合金材料，例如其前桥整体支承结构就是铝合金材料，为真空压力铸造，质量只有10.5kg，与钢件相比轻35%。

车轮方面，因为质轻、散热性好并具有良好的外观，铝轮毂逐渐代替了钢轮毂。

铝的热容量大，导热能力是钢的5倍，在今天车速不断提高的情况下意义非常重大。

轮胎与地面摩擦越强烈，所产生的热量越高，而轮胎的寿命也就越短，铝合金车轮更好的散热性可延长轮胎寿命12%，避免高速时爆胎的发生，增加了行车的安全性。

因此，在车轮制造业中，已有越来越多的厂家采用铝制轮毂，目前铝合金车轮的安装达到45%左右。

(3)发动机很多汽车公司都在发动机的活塞、散热器、油底壳、气缸体和气缸盖、曲轴箱、连杆、滤清器等部件上采用铝合金材料。

据统计，到2000年，世界汽车有25%发动机的气缸体和气缸盖是使用铸铝合金生产，进气歧管也逐渐改为铝合金材料。

发动机使用铝材不仅仅是带来了减重省油的效果。

现在的轿车发动机多为前置，造成前重后轻，为了保证良好的操纵稳定性和乘坐舒适性，必须平衡前后质量。

宝马新7系发动机中的很多部件就由铝合金加工而成，另外还采用了铝合金气缸盖、铝合金保险杠。

除了以上这些以外，铝合金材料还被广泛用于车门、发动机罩、行李箱罩、地板和翼子板、座椅等，铝合金在汽车上已经无处不在，图3是奔驰S级轿车上用的铝件。

3面临的问题在制造技术方面，铝材料还面临一些问题。

首先，铝合金的加工难度目前比钢材要大得多，咸形性还需继续改善。

铝合金板材的局部拉延性不好，容易产生裂纹，所以在结构设计时要尽可能地保证形状不突变，让材料容易流动以避免拉裂。

车身大部分的工件是靠冲压成形，铝合金的冲压性能不好，不能沿用。

车身大部分的部件是焊接组装，但由于铝导热性好，在焊接时要用相当于钢板焊接时5倍的电流消耗量来熔化它。

在防腐处理和喷漆工艺上铝合金材料也有自己的特殊要求。

铝合金加工的尺寸精度不容易掌握.回弹难以控制，在形状设计时要尽可能采用回弹少的形状。

其次，运输方面。

因为铝比钢软，在生产和运输中的碰撞和各种粉尘附着等原因都可能使铝制零件表面产生碰伤、划伤等缺陷，所以要针对模具清洁、设备清洁、环境粉尘等采取措施：确保零件完好。

还有，各制造厂在生产钢制零件时广泛采用磁力运输系统，而铝制零件不能采用磁力搬运.需要设计新的方案和设备。

最后是成本问题。

铝材价格大致是钢材的3.5倍左右，而且因为生产技术的局限，目前工艺流程复杂，不易控制，对每一个工序，都必须按流程操作，严格监控。

因此，铝合金虽然提高了汽车综合性能，但同时也提高了整车成本。

宝马作为豪华车品牌，表示愿意为每减少1 kg质量多付8.8美元，而雷诺公司则表示只能承受4美元/kg的减重成本。

据计算，如果铝车身汽车的年产量为30万辆，每辆成本将高出800-1000美元左右，基本等于减重所能节省的汽油费用。

4结束语目前，车用铝材以铸造铝合金为主，占总用铝量的80%。

另外，变形铝合金的用量也不少，变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密度.因而具有很高的强度和韧性以及良好的使用性能。

但是对设备和模具要求高，工序多，生产周期长，成本很高。

锻造件则因为价格特别昂贵，用量很少。

鉴于车用铝材的重要地位，各国各公司都在努力加强铝合金的研究。

可以预见，车用铝材今后的发展将集中在两方面。

一是新工艺，改善现有加工技术.不断改进熔铸工艺及热处理工艺，进一步完善铝型材、铝板材的加工、成形、连接工艺，提高车用铝材的安全可靠性和实用性。

二是新品种，目前已开发出了快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、纤维增强型铝合金、泡沫铝材等.另外高强度高韧性铸造铝合金、铝基复合材料等也在研究之中。