鋁合金在汽車上的應(yīng)用

1、鋁合金在汽車上的應(yīng)用近 20 年來，世界性能源問題變得越來越嚴(yán)重，這使得減輕汽車自重、降低油耗成了各大汽車 生產(chǎn)廠提高競爭能力的關(guān)鍵。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)介紹，汽車重量每減少50kg，每升燃油行駛的距離可增加2km汽車重量每減輕1%燃油消耗下降0.6%1%鋁具有密度小、耐蝕性好等特點(diǎn)，且鋁合金的 塑性優(yōu)良，鑄、鍛、沖壓工藝均適用，最適合汽車零部件生產(chǎn)的壓鑄工藝。從生產(chǎn)成本、零件質(zhì)量、 材料利用等幾個(gè)方面比較，鋁合金已成為汽車生產(chǎn)不可缺少的重要材料。目前，美國、日本、德國 是汽車采用鋁合金最多的國家，如德國大眾 AudiA8、A2,日本的NXS等車身用鋁合金量達(dá)80%我 國汽車除上海桑塔納、一汽奧迪和捷達(dá)

2、（均為引進(jìn)生產(chǎn)線）用鋁合金外，國產(chǎn)以紅旗較多，約80100kg。有資料表明，用鋁合金結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，可使汽車質(zhì)量減輕30%40%制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減輕 30%，制造車輪可減輕 50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環(huán)保、節(jié)能、提速和運(yùn)輸高效的重要 途徑之一。因此，研究開發(fā)鋁合金汽車目前顯得十分必要。1 鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用背景最早把鋁材運(yùn)用到汽車上的是印度人，據(jù)記載， 1896年印度人率先用鋁制做了汽車曲軸箱。進(jìn) 入20世紀(jì)早期，鋁在制造豪華汽車和賽車上有一定的應(yīng)用， 鋁制車身的汽車開始出現(xiàn)，如亨利福 特的 Model T 型汽車和二、三十年代歐洲賽車場上法拉利 360賽車都是鋁制車身。鋁具有密度

3、小、耐蝕性好等特點(diǎn)，且鋁合金的塑性優(yōu)良，鑄、鍛、沖壓工藝均適用，最適合汽車 零部件生產(chǎn)的壓鑄工藝。從生產(chǎn)成本、零件質(zhì)量、材料利用等幾個(gè)方面比較，鋁合金已成為汽車生 產(chǎn)不可缺少的重要材料，鋁合金作為典型的輕質(zhì)金屬廣泛應(yīng)用于國外汽車上，國外汽車鋁合金制部 件主要有活塞、氣缸蓋、離合器殼、油底殼、保險(xiǎn)杠、熱交換器、支架、車輪、車身板及裝飾部件 等。目前，美國、日本、德國是汽車采用鋁合金最多的國家，如德國大眾AudiA8、A2,日本的NXS等車身用鋁合金量達(dá)80%我國汽車除上海桑塔納、一汽奧迪和捷達(dá)（均為引進(jìn)生產(chǎn)線）用鋁 合金外，國產(chǎn)以紅旗較多，約80100kg。有資料表明，用鋁合金結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)

4、，可使汽車 質(zhì)量減輕 30% 40%，制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減輕 30%，制造車輪可減輕 50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環(huán) 保、節(jié)能、提速和運(yùn)輸高效的重要途徑之一。因此，研究開發(fā)鋁合金汽車目前顯得十分必要。 鋁合金的主要優(yōu)點(diǎn)是重量輕，散熱性好。隨著發(fā)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，四氣閥結(jié)構(gòu)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的主 流設(shè)計(jì)趨勢。與兩氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時(shí)要產(chǎn)生更 多的熱量，采用全鋁合金缸蓋是最好的解決辦法。目前，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)部件中不僅活塞、散熱器、油底殼缸體采用鋁合金材料，而且缸蓋、曲軸 箱也采用這種材料。在目前的形式下，在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用鋁合金替代鑄鐵已經(jīng)成為主流趨勢。法國汽 車的鋁汽缸套已達(dá)

5、 100，鋁汽缸體達(dá) 45%。在未來幾年里，隨著高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋁合金材料的開發(fā)成 功和制造工藝的不斷改進(jìn)，鋁合金材料將愈來愈多的用來制造這一類零部件。汽車用鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多，占80%以上，其中又分為重力鑄造件，低壓鑄造件和其它特種鑄造零件。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓 材、鍛件等。世界各國工業(yè)用鋁合金材料的品種構(gòu)成雖然有一定的差異，但大體是相同的。其品種 構(gòu)成：鑄件占 80%左右，鍛件占 1%3%，其余為加工材。美國汽車工業(yè)中變形鋁合金占較大比例，達(dá)36%1.1 鑄造鋁合金的應(yīng)用鑄造鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性能?？筛鶕?jù)使用目的、零件形狀、尺寸精度、數(shù)

6、量、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、 機(jī)械性能等各方面的要求和經(jīng)濟(jì)效益選擇適宜的合金和合適的鑄造方法。鑄造鋁合金主要用于鑄造 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、離合器殼體、后橋殼、轉(zhuǎn)向器殼體、變速器、配氣機(jī)構(gòu)、機(jī)油泵、水泵、搖臂蓋、 車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)框架、制動(dòng)鉗、油缸及制動(dòng)盤等非發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金制造輕量化最為明顯，一般可減重30%上，另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體和缸蓋均要求材料的導(dǎo)熱性能好、抗腐蝕能力強(qiáng)，而鋁合金在這些方面具有非常突出的優(yōu)勢，因此各汽 車制造廠紛紛進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)鋁材化的研制和開發(fā)。目前國外很多汽車公司均已采用了全鋁制的發(fā)動(dòng)機(jī) 氣缸體和氣缸蓋。如美國通用汽車公司已采用了全鋁氣缸套；法國汽車公司鋁氣

7、缸套已達(dá)100%鋁氣缸體達(dá)45%日本日產(chǎn)公司VQ和豐田公司的凌志IMZ-FEV6均采用了鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼；克萊斯 勒公司新V6發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和缸蓋都使用了鋁合金材料。德國大眾先進(jìn)的6.0L W12發(fā)動(dòng)機(jī)采用的基本上都是鋁鎂合金，奧迪 A8L 6.0 quattro 轎車 上因采用W12發(fā)動(dòng)機(jī)，整車重量隨之被降低到1980kg，低于所有其他車型。而 W12引擎450馬力、 560Nnm勺強(qiáng)勁動(dòng)力，使其單位馬力需加速的重量僅為 4.7kg，堪與高性能跑車相媲美。北極星系列引擎是通用旗下除了 LS引擎系列外最頂級的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是美國首款頂置凸輪軸 的V8鋁合金的引擎。它的汽缸套由全鋁合金壓鑄而成。目前廣

8、泛應(yīng)用于凱迪拉克上的4.6升發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率320馬力，最大扭矩427Nm而應(yīng)用于高性能V系列的機(jī)械增壓款更可高達(dá) 476馬力 /606Nm1.1.2 輪轂用鋁合金鋁輪轂因?yàn)橘|(zhì)輕、散熱性好，并具有良好的外觀，而逐漸取代了鋼輪轂。在過去的10年，全球鋁合金汽車輪轂以7.6%的年增長率增長，根據(jù)分析，到 2010年時(shí)，汽車輪轂鋁化率可達(dá) 72%- 78% A365是一種鑄造鋁合金，它具有良好的鑄造性能又具有高的綜合力學(xué)性能，世界各國的鑄造 鋁合金輪轂都是此類合金生產(chǎn)的。我國西南鋁加工廠與日本輕金屬株式會(huì)合作開發(fā)了A6061鋁合金輪轂。汽車廣泛應(yīng)用的鋁制輪轂是鋁合金在汽車上應(yīng)用的一個(gè)例子，幾乎所有的新

9、車型都采用了鋁合金輪汽車用鑄造鋁合金的主要部件系統(tǒng)部件系統(tǒng)零件名稱發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、活塞、進(jìn)氣管、水泵殼、發(fā) 動(dòng)機(jī)殼、啟動(dòng)機(jī)殼、搖臂、搖臂蓋、濾清器底座、 發(fā)動(dòng)機(jī)托架、正時(shí)鏈輪蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、分電器 座、汽化器等傳動(dòng)系統(tǒng)變速箱殼、離合器殼、連接過濾板、換擋撥叉、 傳動(dòng)相換擋端蓋底盤行走系統(tǒng)橫梁、上下壁、轉(zhuǎn)向機(jī)殼、制動(dòng)分泵殼、制動(dòng)鉗、車輪、操縱等其他系統(tǒng)部件離合器踏板、剎車踏板、方向盤、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動(dòng) 機(jī)框架、ABS系統(tǒng)部件1.2 變形鋁合金的應(yīng)用變形鋁合金在汽車上主要用于制造車門、行李箱等車身面板、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車輪的輪 輻、輪轂罩、輪外飾罩、制動(dòng)器總成的保護(hù)罩、消聲罩、防抱死制動(dòng)

10、系統(tǒng)、熱交換器、車身構(gòu)架、 座位、車箱底板等結(jié)構(gòu)件以及儀表板等裝飾件。車身板件用鋁合金板材在轎車上的應(yīng)用比重不斷上升，如經(jīng)熱處理（如：T4、T6、T8）的6000系（Al-Mg-Si系）鋁合金板材，能夠很好的滿足汽車對殼體的要求，可用做車身框架材料。Audi A8的車身鈑金件，即采用了本系合金鋁材。另外，2000系（Al-Cu-Mg系）、5000系（Al-Mg系）和7000系（Al-Mg-Zn-Cu 系）鋁合金也可應(yīng)用于車身材料。近幾年，采用6000系和7000系高強(qiáng)度鋁合金開發(fā)了 “口”、“日”、 “目”、“田”字形狀的薄板和中空型材，不僅質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗裂性能好，而且成型性能好， 在汽車

11、上得到了廣泛的應(yīng)用。其它鋁合金結(jié)構(gòu)件鋁合金也被廣泛應(yīng)用于汽車的其他部位，如：美國通用汽車公司用 7021鋁板制造Smure 轎車保險(xiǎn)杠增強(qiáng)支架，福特公司用 7021鋁板制造Lincoln Town轎車保險(xiǎn)杠增強(qiáng)支架。汽車懸掛件 也應(yīng)用了鋁合金材料，有效減輕了相應(yīng)零部件的質(zhì)量，提高了汽車行駛的平順性、穩(wěn)定性，如用6061 鍛件生產(chǎn)的盤式制動(dòng)器卡爪、動(dòng)力傳動(dòng)框架等。此外，鋁合金也廣泛用于汽車空調(diào)系統(tǒng)，如日本用 6595鋁合金做汽車散熱器和冰箱散熱器。變形鋁合金的主要部件系統(tǒng)車身系統(tǒng)部件發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車頂蓬、車門、冀子板、行李箱蓋、地板、車身骨架及覆蓋件等熱交換器系統(tǒng)部件發(fā)動(dòng)機(jī)交換器、機(jī)油散油器、中冷器

12、、空調(diào)冷凝 和蒸發(fā)器等其他系統(tǒng)部件沖壓車輪、座椅、保險(xiǎn)杠、車廂底板及裝飾件等2 新型鋁合金在汽車上的應(yīng)用2.1快速凝固鋁合金快速凝固條件下（冷速達(dá)104109C /S）,材料將引起一些組織結(jié)構(gòu)上的新特征：超細(xì)化的微 觀組織；提高合金的固溶度極限；成分的高度均勻、少偏析或無偏析；形成新的亞穩(wěn)相等?；谶@ 些特征，快速凝固鋁合金必然會(huì)在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。Sumitomo電器公司利用快速凝固PMAI-Si-X高硅鋁合金代替燒結(jié)鋼，大批量制造汽車空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片，使轉(zhuǎn)子重量減輕60%整個(gè)壓縮機(jī)重量減輕40%雅馬哈汽車制造公司生產(chǎn)的快速凝固高硅鋁合金活塞也投入市場，這種活塞與普 通鑄鐵相比，重量減輕

13、了 20%壽命提高了 30%而且顯著降低了噪音，減少污染；馬自達(dá)汽車公 司利用噴射沉積Al-Si-Fe-Cu-Mg合金制造了一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率，能節(jié)油20%2.2鋁基復(fù)合材料以陶瓷纖維、晶須、微粒等為增強(qiáng)材料，生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比彈性模量、耐熱性、 耐磨性等大幅度提高，可用做發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如用粉末冶金法研制成功的AI2O3或SiC顆粒（晶須）增強(qiáng)的Al-Si系合金活塞，在保留Al-Si合金活塞優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可進(jìn)一步改善活塞的強(qiáng)度、耐磨性、 耐熱性和抗疲勞性能，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上；此外，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料還可用于制造車輛發(fā)動(dòng)機(jī) 的汽缸體、活塞和連桿等部件。2.3 泡沫鋁合

14、金泡沫鋁合金是一種在金屬基體中分布有無數(shù)氣泡的多孔材料，這種材料的質(zhì)量更輕、強(qiáng)重比更 高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。將泡沫鋁填充于兩個(gè)高強(qiáng)度外板之間制成的 三明治板材，在用于車身頂蓋板時(shí)，可提高剛度、輕量化并改善保溫性能，用在保險(xiǎn)杠、縱梁和一 些支柱零件上時(shí)，可以增加撞擊吸能的能力，在輕量化的同時(shí)，提高了撞擊安全性。3 鋁合金在汽車上的發(fā)展前景在輕量化金屬中，鎂合金密度雖比鋁合金小，但鎂錠成本較高，且零件制造過程中還有許多技 術(shù)障礙，如缺少高溫壓鑄合金和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，表面處理技術(shù)粗劣，結(jié)合水平低等，所以目前在汽車上 的使用量相當(dāng)有限；而航空航天用的鈦合金雖有高的機(jī)械強(qiáng)度，但制造工

15、藝?yán)щy和制造成本昂貴， 導(dǎo)致鈦合金無法大批量的應(yīng)用于汽車生產(chǎn)。鋁合金在成本、制造技術(shù)、機(jī)械性能、可持續(xù)發(fā)展（地 殼中鋁含量最多，占8.1%）等方面綜合性能好，因此鋁合金是現(xiàn)在及將來汽車工業(yè)中的首選輕金屬 材料。鋁材代替鑄鐵和鋼材零件的質(zhì)量對比零件名稱鑄鐵件質(zhì)量鑄鋁件質(zhì)量質(zhì)量比（鐵：鋁）零件名稱鋼件質(zhì)量鋁件質(zhì)量質(zhì)量比（鋼：鋁）進(jìn)氣歧管3.518.01.89.0(1.92):1前后上操 縱桿1.550.552.8:1汽缸體8012013.532.0(3.85.9)：1懸掛支架1.850.702.6:1發(fā)動(dòng)機(jī)卓18276.811.4(2.42.6)：1轉(zhuǎn)向操縱 桿2.101.101.9:1轉(zhuǎn)向機(jī)殼3

16、.64.51.41.8(2.52.6)：1萬向接頭6.953.901.8 : 1變速器殼13.523.05.08.2(2.72.8)：1托架0.190.121.6 : 1制動(dòng)鼓5.59.01.83.6(2.53.1)：1吸振軸承0.1850.131.4 : 1水泵殼1.85.80.72.3(2.52.6懸掛支架0.300.142.1 : 1)：1軸承油泵殼1.42.30.50.9(2.82.6)：1轉(zhuǎn)向桿軸承0.370.281.3 : 1從上表可知，汽車每使用1 kg鋁，可減輕自重2.25 kg，減重效應(yīng)高達(dá)125%在汽車整個(gè) 使用壽命周期內(nèi)可減少廢氣排放 20 kg。此外，鋁回收簡便，是除鋼

17、鐵以外能最大限度從上表可知， 汽車每使用1 kg鋁，可減輕自重2.25 kg，減重效應(yīng)高達(dá)125%在汽車整個(gè)使用壽命周期內(nèi)可減 少廢氣排放20 kg。此外，鋁回收簡便，是除鋼鐵以外能最大限度回收利用的材料，幾乎90%勺汽車用鋁可以回收并循環(huán)利用。鋁具有良好的物理和化學(xué)性能，工業(yè)生產(chǎn)中的鑄、鍛、沖工藝均能適 用，是可采用多種鑄造工藝制造零件的少數(shù)幾種金屬材料之一，最適于應(yīng)用廣泛的壓力鑄造工藝。但鋁合金的成本仍高于鋼鐵材料?；厥绽玫牟牧?，幾乎90%勺汽車用鋁可以回收并循環(huán)利用。鋁具有良好的物理和化學(xué)性能，工業(yè)生產(chǎn)中的鑄、鍛、沖工藝均能適用，是可采用多種鑄造工藝制造 零件的少數(shù)幾種金屬材料之一，最

18、適于應(yīng)用廣泛的壓力鑄造工藝。但鋁合金的成本仍高于鋼鐵材料。車身的重量約為汽車總重量的 30%故車身的輕量化占有舉足輕重的地位。在汽車內(nèi)外板上 用鋁合金板代替鋼板可使車身減重約 40%-50%如采用鋁合金覆蓋件整車減重10%-15%可見采用 鋁合金車身板的減重效果十分顯著。鋁合金在汽車輕量化應(yīng)用方面提供了很好的應(yīng)用基礎(chǔ)和市場前 景，必然為鋁合金汽車覆蓋件的應(yīng)用帶來更大機(jī)遇。因此，用鋁合金板取代鋼板制造車身覆蓋件也 是汽車輕量化的必然之路。德國奧迪A8型高級轎車的整個(gè)車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結(jié)構(gòu)，覆蓋件為 鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質(zhì)量減輕30-50%,油耗減低5-8%。Der n«ue Audi A8AudiFiarna日本本田公司生產(chǎn)的in sight hybrid轎車車身用鋁合金達(dá)162kg，比鋼車身減重約40%捷豹XJ的基礎(chǔ)車身就是鋁合金材料，在保證了強(qiáng)度的同時(shí)，提高了空間體積，還使整車的靈活 性得到了最大限度的保留。就鋁板覆蓋件的應(yīng)用發(fā)展趨勢看，強(qiáng)度高、成形加工性好、表面質(zhì)量優(yōu) 良的鋁板將取代鋼板成為汽車覆蓋件的主要材料。目前，我國汽車生產(chǎn)量繼美國、日本、德國之后，居世界第四位。而在汽車鋁化率方面，我國的技術(shù)還相對比較落后。當(dāng)前發(fā)達(dá)國家汽車上鋁材的使用已達(dá)138kg,鋁化率達(dá)12%而我