金属材料在汽车轻量化中的应用与发展研究 张田保

金属材料在汽车轻量化中的应用与发展研究张田保

摘要：在汽车保有量的不断增加的社会背景下，如何减少污染、降低能耗，为

消费者提供低成本、低排放、高速、安全、舒适的驾车环境，是汽车制造业亟待

研究的课题。汽车轻量化成为汽车产业发展的主要方向。铝合金材料以其具有的

一系列优良特性，如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐

腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成型性以及高的回收再

生性等，在汽车工业中逐渐得到广泛运用，成为实现汽车轻量化发展的主要途径。

关键词：金属材料；汽车轻量化；应用

1、金属材料在汽车轻量化中的应用

汽车轻量化虽然是设计、材料、工艺等多方面因素的优势集成，但主要是材

料的轻量化。归纳起来，用于汽车轻量化的材料主要有两类：一是低密度的轻质

材料，主要指铝、镁、钛合金材料，以及塑料和复合材料；二是高强度材料，如

高强度钢。从环保的角度看，在轻质材料中，聚合物类的塑料制品回收处理过程

中存在环境污染问题，因此，在使用上受到一定的限制。而铝、镁、钛合金材料

是目前所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料（铝合金约2.7 g/cm3，镁合金约1.74 g/cm3，钛合金约4.51 g/cm3，钢的密度约7.8 g/cm3），这些金属材料形

成的多种合金材料，可以提高汽车主动安全性和被动安全性，满足苛刻的安全法

规要求，使汽车的安全设计得到进一步的完善。同时，选用轻金属材料也是减轻

自重、节能环保，提高汽车动力性、舒适性的重要保证。铝、镁、钛等轻金属代

替钢材是汽车轻量化的首选材料，也是未来汽车发展的重要方向。

2、铝及铝合金

铝是世界上使用较早且生产和处理工艺都比较成熟的轻量化材料。铝及铝合

金材料具有的一系列优良特性，如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击

性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、易加工成型性、回收再

生率高等特点，受到越来越多的汽车制造企业的青睐。

目前，汽车上用铝量最大的是车轮、动力系和悬架系零部件。据此推测，未

来汽车的铝化界限可达30%～50%。为了能增加铝及合金材料在汽车制造业中的

使用数量，各国都在努力探索新的铝合金材料的同时，也不断改进加工技术，如“铝合金半固态成形技术”就是目前国际广泛关注和应用的领先的加工技术，该技

术生产出来的铝合金汽车零件组织致密、性能优良，且属于近终态成形。铝及铝

合金材料也有不足之处，主要表现在铝的承载力、力学性能与钢相比仍有差距。

再加上生产技术的局限，工艺流程的复杂性，导致生产成本较高。这些都是制约

汽车材料铝化的重要障碍。

汽车轻量化主要是通过提高铝化程度来实现。伴随着铝化程度的不断提高，

使用铝的比例不断增加，所产生的最大问题就是生产成本的大幅度上升。因此，

降低铝化成本，提高生产效率是汽车制造业努力的方向，未来汽车铝化程度的提

升必须依靠对铝化的需求和生产成本的平衡来支配。我国的铝矿产资源丰富，原

铝产量位居世界第一，并形成了完整的铝工业体系。目前，国内汽车工业用率呈

现快速增长态势，生产技术基本上能满足汽车工业的需要。

3、镁及镁合金

镁及镁合金是21世纪最具开发前景的轻质结构材料。镁及镁合金的主要特点是：一是密度低、质量轻，使用镁合金能够比铝合金再减轻15%～20%，是最轻

的金属材料；二是比强度（强度与质量之比）高于铝合金和钢，比刚度（刚度与

质量之比）接近于铝合金和钢；三是消震性和阻尼系数好，承受冲击载荷能力比

铝合金大，用于壳体可以降低噪音，用于轮圈可以减少震动，提高汽车的安全性

和舒适性；四是导电导热性能良好，相同温度条件，镁合金的散热时间是铝合金

的一半。五是工艺性能良好，具有良好的铸造性能和尺寸稳定性，容易加工，废

品率低，从而降低生产成本。限制镁合金应用的主要原因是镁合金的高性能―抗

蠕变能力和高温疲劳性能较差。今后新材料的研发主要解决这一问题，一是现有

镁合金的优化，特别是对AZ、ZK系合金进行改性，通过添加合金元素，改善合

金的高温性能；二是新合金系的开发，主要是指新型Mg-RE系的研发。

镁及镁合金在汽车上的应用主要是以压铸件为主，取代铸铁、铝合金、塑料

和钢制冲压焊装组合件。镁合金在汽车上的应用零部件分为两类：一类是壳体类。如离合器壳体、阀盖、仪表板、变速箱体、曲轴箱、发动机前盖、气缸盖、空调

机外壳等；另一类是支架类。如方向盘、转向支架、刹车支架、座椅框架、车镜

支架、分配支架等。

我国汽车用镁及镁合金存在的主要问题是：自主研发产品少，主要的合金牌

号基本上是仿制品；镁合金品种及牌号少，尤其是板材与型材缺乏；镁合金产品

中的杂质和有害元素含量高，缺少统一的检测标准；镁合金基础研究还比较薄弱。

4、钛及钛合金

钛及合金是21世纪最重要的、具有优异的综合性能的新型结构及功能材料。它密度小，钛的密度是4.51 g/cm3，介于铝（2.7 g/cm3）和铁（7.6 g/cm3）之间；比强度高于铝合金和钢，韧性与钢铁相当；抗蚀性能优于不锈钢，在氯离子侵蚀

的海洋大气环境和微氧化气氛中，也具有很好的抗蚀性；工作温度区间较宽，低

温钛合金在-253℃依然能保持良好的塑性，耐热钛合金的工作温度可550℃左右，耐热性高于铝合金和镁；具有良好的加工性和焊接性能。

钛在汽车上的应用主要分为两大类：一大类是用来减少内燃机往复运动件的

质量；另一大类是用来减少汽车总质量。在新一代汽车上主要应用在发动机元件

和底盘部件上，可制作发动机系统阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等，以及底盘部

件中的弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。

钛及钛合金在20世纪50年代就进入到汽车制造领域，但发展比较缓慢，主

要原因是价格因素。钛金属熔点高，化学性质十分活泼，与O，H，N和C等元

素有极强的化学亲和力，使纯钛的提取非常困难；另一个原因是合金化元素价格

较高，钛合金多以高价的V作为合金元素以提高强度，又以Al-X作为中间合金添加。以廉价的Fe，Cr等合金元素取代V元素，是未来降低钛合金成本的有效方法。

随着汽车材料向轻量化、高性能和高功能的方向发展，钛及钛合金作为结构

功能性材料将会越来越受到重视。尽管目前钛材料在汽车领域应用不大，但随着

钛工业的发展，钛加工成本的降低，钛材料必将在汽车领域占据重要地位，具有

无限广阔的发展前景。

5、高强度钢

高强度钢，英文缩写为AHSS（Advanced HighStrengthSteel）是未来汽车钢铁

材料的主要发展方向之一。高强度钢是指在强度和韧性方面结合很好的钢种。低

合金结构钢经调质处理后，具有很好的综合力学性能，其抗拉强度σb>1200 MPa 时，称作高强度钢；当抗拉强度σb>1500 MPa时，称为超高强度刚。

高强度钢具有很好的吸能性、屈强比、应变分布能力和应变硬化特性。与铝、镁合金材料相比，高强度钢原料和制造价格较低，经济性较好。主要用于汽车结

构件、安全件、加强件如A/B/C柱、车门槛、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、