鋁鎂合金在汽車和航空航天的應(yīng)用

一汽鑄造佟國(guó)棟二0一一年八月鋁鎂資料在汽車上的運(yùn)用現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)一、概述二、鋁在汽車上的運(yùn)用三、鎂在汽車上的運(yùn)用四、我國(guó)壓鑄現(xiàn)狀五、汽車有色鑄造砂芯六、壓鑄新技術(shù)終了語汽車工業(yè)節(jié)能、平安、環(huán)保成為開展的三大主題，對(duì)汽車工業(yè)提出了減輕汽車質(zhì)量、降低燃油耗費(fèi)，提高構(gòu)造強(qiáng)度，改善NVH〔噪聲、振動(dòng)、沖擊〕的迫切要求。汽車的輕量化已成為世界范圍內(nèi)汽車工業(yè)開展趨勢(shì)，要求汽車消費(fèi)者積極開發(fā)和運(yùn)用新型汽車資料消費(fèi)分量輕、耗油少、符合環(huán)保要求的新一代汽車。采用鋁、鎂資料是降低汽車排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性的最有效的措施之一。汽車資料開展趨勢(shì)：

◆轎車車身的本身質(zhì)量及資料耗費(fèi)量逐年降低，但鋼鐵、有色金屬等資料依然是轎車的主要資料。

◆轎車用金屬資料中鋼鐵資料在減少，而有色金屬資料在添加，尤其是鋁和鎂。北美每輛轎車資料構(gòu)成比材料名稱鋼鑄鐵鋁合成材料橡膠玻璃鎂其它構(gòu)成比%549.88.37.67.40.312.6鋁替代傳統(tǒng)的鋼鐵制造汽車，可使整車分量減輕30%～40%，制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減重30%，鋁質(zhì)散熱器比一樣的銅制品輕20%～40%，轎車鋁車身比原鋼材制品輕40%以上。用鋁材替代鑄鐵和鋼材制造汽車零部件有顯著的減重效果，汽車上每運(yùn)用1kg鋁，可降低自重2.25kg，減重效果高達(dá)125%，同時(shí)，在汽車整個(gè)運(yùn)用壽命期內(nèi)，可減少廢氣排放20kg。即用鋁的減重和排放效果比1:2.25:20。鑄件變形材鍛件％79.817.03.2德國(guó)汽車用鋁比例鋁在汽車上的運(yùn)用一輛轎車鋁及其合金用量歐洲北美日本1990年5379612000年73120902004年99130107年代2002年2003年2009年平均用量124127156北美轎車與輕卡用鋁〔kg/輛〕歐洲轎車用鋁〔kg/輛〕年代2004年2008年2010年平均用量99150180鑄造鋁合金在汽車上的運(yùn)用鋁合金鑄造工藝壓鑄〔缸體及各類殼體、支架〕金屬型重力鑄造〔缸蓋、進(jìn)氣管、活塞〕低壓鑄造〔缸蓋、缸體〕砂型鑄造〔進(jìn)氣管、缸體、橫梁〕擠壓鑄造〔活塞、轉(zhuǎn)向節(jié)〕半固態(tài)壓鑄〔性能要求高的零件：轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂〕鑄鍛結(jié)合工藝〔轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿〕部件系統(tǒng)零件名稱發(fā)動(dòng)機(jī)系發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、活塞、進(jìn)氣岐管、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)支架、正時(shí)鏈條蓋、發(fā)電機(jī)支架、分電器座、氣門室罩蓋、油底殼等傳動(dòng)系變速箱殼、離合器殼、連接過度板、換擋撥叉、傳動(dòng)箱換擋端蓋等底盤行走系橫梁、上/下臂、轉(zhuǎn)向機(jī)殼、制動(dòng)總泵殼、制動(dòng)分泵殼、制動(dòng)鉗、車輪、操縱叉等其它系統(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)部件等汽車主要系統(tǒng)中的鋁鑄件半固態(tài)鑄件的運(yùn)用

控制臂CONTROLARMS車體銜接件SPACEFRAMENODES輪轂轉(zhuǎn)向架KNUCKLES支架MOUNTINGBRACKETS車閘主缸體MASTERBRAKECYLINDERS油料管架FUELRAILS防滑制動(dòng)閘閥體ABSHOUSINGS機(jī)殼類件A/CHOUSINGS擠壓鑄造件的運(yùn)用國(guó)內(nèi)開展趨勢(shì)及現(xiàn)狀

鋁鑄件

近幾年，我國(guó)汽車鋁鑄件運(yùn)用獲得了較大進(jìn)展，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、進(jìn)氣岐管、變速箱殼、離合器殼等幾乎都采用了鋁鑄件，相當(dāng)比例的轎車裝用了鋁車輪。鋁壓鑄缸體也曾經(jīng)開場(chǎng)消費(fèi)運(yùn)用。國(guó)內(nèi)汽車的鋁鑄件的消費(fèi)運(yùn)用已到達(dá)一定程度。但是與歐美日比較還有很大差距，高性能鋁鑄件還需求進(jìn)口，有些復(fù)雜件工藝的自主開發(fā)才干較差。采用真空壓鑄工藝很少；半固態(tài)壓鑄、鑄造-鍛造工藝處于實(shí)驗(yàn)室階段，消費(fèi)上還沒有采用；短少大型擠壓鑄造設(shè)備，由于日本等國(guó)家對(duì)800噸以上擠壓鑄造設(shè)備限制向中國(guó)出口，橫梁等大型擠壓鑄造零件無法國(guó)產(chǎn)化。由于引進(jìn)車型或總成國(guó)別不同，采用的規(guī)范也不同，呵斥國(guó)內(nèi)鋁合金牌號(hào)眾多，給鋁合金廠消費(fèi)呵斥困難，不利于鋁合金廠大批量專業(yè)化消費(fèi)和降低本錢。

自19世紀(jì)末葉到20世紀(jì)，金屬資料的耗費(fèi)與日俱增，金屬礦產(chǎn)資源逐漸趨于枯竭。有資料闡明，有些金屬〔如銅、鉛、鋅〕只能繼續(xù)幾十年，有些〔如鋁、鐵〕也只是1至3百年的事。鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的元素之一，除在地殼表層金屬礦的資源含量為2.3%，位居常用金屬的第8位外，在鹽湖及海洋中的含量也非常可觀。因此，在很多金屬趨于枯竭的今天，加速開發(fā)鎂金屬資料是實(shí)現(xiàn)可繼續(xù)開展的重要措施之一。鎂合金資料在汽車上的運(yùn)用鎂合金資料的特性比重最小的金屬構(gòu)造資料高比強(qiáng)度和比剛度優(yōu)良的減振降噪效果良好的消費(fèi)工藝性能可回收反復(fù)利用潛在取代重量鎂重量（Kg）減輕%減輕重量（Kg）殼體12.85.4587.4內(nèi)飾件31.2213310.2動(dòng)力系統(tǒng)(引擎)55.2(33.5)36.2(22.2)35(34)19.1(11.3)懸掛件62.225.95836.2剎車3.91.8542.1框架14.57.2507.3轉(zhuǎn)向5.63.9421.7電氣外殼3.21.8441.4合計(jì)188.6103.24585.2鎂合金在汽車上運(yùn)用輕量化效果

通用公司福特公司戴-克公司歐洲單車用鎂量（kg）6.725.864.03.02004年每輛轎車鎂合金用量北美及歐洲的每輛汽車平均用鎂合金3.5㎏，目前年增長(zhǎng)率24%，10年后鎂在汽車上的運(yùn)用可達(dá)每車10㎏，F(xiàn)ord公司單車最大用鎂量方案可到達(dá)118kg。群眾公司年方案到達(dá)178kg。汽車鎂合金運(yùn)用增長(zhǎng)預(yù)測(cè)汽車鎂合金運(yùn)用趨勢(shì)鎂合金鑄呵斥型壓鑄〔冷室壓鑄、熱室壓鑄〕半故態(tài)注射成型低壓鑄造〔金屬型、砂型、陶瓷型等〕金屬型重力鑄造砂型鑄造V法鑄造零件名稱應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)效果應(yīng)用廠家變速箱殼體減重、降噪、剛度高大眾、福特、通用氣門室罩蓋減重、降噪、成型性好、扭轉(zhuǎn)剛度好通用、福特、克萊斯勒、寶馬、豐田、本田車身前蓋減重、降噪MossnerAG整體儀表板骨架減重、韌性好、集成化、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化通用、奔馳、克萊斯勒、福特、大眾、菲亞特座椅骨架減重、吸震、安全通用、福特、菲亞特車門框支架減重、吸震豐田、英國(guó)Wagon公司方向盤骨架減重、吸震、安全通用、奔馳、克萊斯勒、福特、大眾、菲亞特、豐田輪轂減重、吸震克萊斯勒、法拉利汽車運(yùn)用的典型鎂合金件典型汽車鎂合金零件儀表盤骨架轎車橫梁MagnesiumGearboxHousings群眾公司鎂合金變速箱(Weight:appr.10,6kg;HPDC)群眾公司鎂合金缸體Mg-SpaceframeofVolkswagen1-LITRECar群眾1L汽車鎂合金運(yùn)用國(guó)外最新研討情況在美國(guó)，于2001年開場(chǎng)至2006年6月終了的美國(guó)與加拿大結(jié)合攻關(guān)工程“StructuralCastMgDevelopment〞，采用4000t的臥室壓鑄機(jī)和AE44合金，為新款CorvetteZ06研制出了重10.8Kg的鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)托架〔frontEngineCradle〕，與原來16.4Kg鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)框架相比，分量減輕了5.6kg(34%)。DemonstrationofEngineCradle〕〞的研討經(jīng)費(fèi)：1.26千萬美圓。國(guó)外在閱歷了鎂合金大型、超大型鑄件等開發(fā)的階段后，進(jìn)入了一個(gè)新的開展階段。針對(duì)北美地域大多數(shù)車輛前端分量較大，前端/后端質(zhì)量比超越55/45的現(xiàn)狀，由美國(guó)提出，并建議“中－美－加〞參與的“鎂質(zhì)車體前端構(gòu)造件開發(fā)〞工程，擬將采用全鎂的前端，使車輛的前/后質(zhì)量比接近50/50。這一研討計(jì)劃跨過由鋼到鋁的開展階段。這標(biāo)志著，鎂在汽車上的運(yùn)用正在從單體提高到子系統(tǒng)水準(zhǔn)。國(guó)外最新研討情況我國(guó)的鎂資源菱鎂礦儲(chǔ)量居世界首位，約27億噸，占全球儲(chǔ)量的22.5%青海柴達(dá)木盆地的33個(gè)鹽湖中，共含鎂鹽31.5億噸白云石礦儲(chǔ)量更為豐富，現(xiàn)探明的儲(chǔ)量以目前的開采速度，可以開采1000年以上中國(guó)的鎂產(chǎn)量占世界的70%我國(guó)鎂合金壓鑄現(xiàn)狀在國(guó)家“十五〞科技攻關(guān)等工程的支持和引導(dǎo)下，我國(guó)的鎂深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)生了根本性的變化，以運(yùn)用為龍頭的鎂合金產(chǎn)業(yè)鏈正在構(gòu)成。一汽鑄造公司、重慶隆鑫鎂業(yè)、東風(fēng)、長(zhǎng)安建成了汽車鎂壓鑄件消費(fèi)基地，目前以消費(fèi)中小殼體件為主，短少大件復(fù)雜件消費(fèi)才干。由于資源優(yōu)勢(shì)，中國(guó)必將成為世界鎂零部件消費(fèi)基地。產(chǎn)量分布：華北地域53000噸占5.2%東北地域104000噸占10.2%華東地域374000噸占36.6%中南地域342000噸占33.2%西南地域127000噸占12.4%西北地域24000噸占2.4%全國(guó)約有壓鑄廠、車間7000多家，各類壓鑄機(jī)約為30000臺(tái)，其中從國(guó)外進(jìn)口的壓鑄機(jī)約占總數(shù)的10％，國(guó)內(nèi)最大壓鑄機(jī)的合模力是40000kN壓鑄件產(chǎn)品主要以汽車和摩托車零件為主，次之為家用電器、電訊、鎖具、建筑裝飾、玩具、車模、五金等壓鑄件。

壓鑄業(yè)現(xiàn)狀從消費(fèi)工藝程度、自動(dòng)化程度、國(guó)產(chǎn)壓鑄機(jī)性能和模具制造等還與世界先進(jìn)程度有一定的差距。日前國(guó)內(nèi)有國(guó)產(chǎn)壓鑄機(jī)企業(yè)約80家，其中有一定規(guī)模的己有20多家。所消費(fèi)的壓鑄機(jī)總體而言，還不同程度的存在可靠性較差，構(gòu)造設(shè)計(jì)不太先進(jìn)，自動(dòng)化程度不高，有的浸透漏油景象較嚴(yán)重等，但也有一些企業(yè)因選用了高質(zhì)量的進(jìn)口液壓件，選用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，所消費(fèi)的壓鑄機(jī)與國(guó)際先進(jìn)程度相比，質(zhì)量到達(dá)廿世紀(jì)九十年代初期的程度。近年國(guó)內(nèi)也有壓鑄機(jī)消費(fèi)企業(yè)消費(fèi)出了當(dāng)代先進(jìn)程度的實(shí)時(shí)控制壓鑄機(jī)，但穩(wěn)定性還需進(jìn)一步的考驗(yàn)。模具制造跟不上壓鑄消費(fèi)的要求。我國(guó)日前約有幾百家壓鑄模具廠，壓鑄模的設(shè)計(jì)、制造可以滿足摩托車、家電、輕工等行業(yè)，絕大部分汽車行業(yè)的需求。但是國(guó)內(nèi)不少模具廠家消費(fèi)的模具在運(yùn)用上還存在著缺點(diǎn)率高、返修較多、穩(wěn)定性差，制約了消費(fèi)率的提高，模具行業(yè)存在模具規(guī)范化程度較低，熱模鋼質(zhì)量不高，多數(shù)模具加工手段相對(duì)落后。國(guó)內(nèi)壓鑄模的平均價(jià)錢是國(guó)外平均價(jià)錢的1/4左右，壽命只需國(guó)外的1/2左右。汽車有色鑄件的砂芯國(guó)內(nèi)目前大多采用以三乙胺硬化法的冷芯盒制芯工藝來消費(fèi)。如鋁合金缸體是采用砂芯最多的鑄件，除了水套砂芯薄而復(fù)雜，依各廠條件不同，分別采用冷芯盒制芯，熱芯盒制芯或殼芯制芯外，其它的砂芯，包括曲軸箱砂芯、缸筒與頂端砂芯、前、后端面砂芯等大多采用冷芯盒制芯，以保證尺寸精度和節(jié)能。冷芯盒制芯工藝與覆膜砂、熱芯盒相比具有制芯周期短、芯盒無受熱變形，損耗小，制得的砂芯尺寸精度高和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，因此冷芯盒運(yùn)用越來越廣泛。無機(jī)粘結(jié)劑的運(yùn)用無機(jī)粘結(jié)劑采用熱空氣硬化，澆注過程不產(chǎn)生有害氣體，是一種環(huán)保型粘結(jié)劑。目前無機(jī)粘結(jié)劑在寶馬、群眾等汽車鋁合金鑄件上得到運(yùn)用，占制芯總量10%左右，未來幾年每年以5%速度遞增，伴隨環(huán)保日益嚴(yán)厲的要求，無機(jī)樹脂將逐漸取代有機(jī)樹脂。一汽鑄造在新基地中也將采用無機(jī)粘結(jié)劑。優(yōu)點(diǎn)：有利于人類安康和環(huán)境維護(hù)，無異味；符合未來的環(huán)境維護(hù)法規(guī)；可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何外形砂芯的鑄造；在鑄造時(shí)具有高度的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性；減少砂芯發(fā)氣引起的鑄造缺陷；由于清理費(fèi)用很低，降低消費(fèi)本錢；在鑄模上堆積的冷凝物清理容易，極大地減少模具維護(hù)費(fèi)用；新技術(shù)近年來，人們?yōu)槔硖幚韷鸿T件內(nèi)部存在的氣孔和縮孔問題，使之能消費(fèi)出高強(qiáng)度、高致密性、可焊接、能進(jìn)展熱處置、可扭曲等各種性能的壓鑄件，在繼續(xù)完善善真空壓鑄以外又開展了擠壓鑄造和半固態(tài)壓鑄等新技術(shù)，并概括地稱之為“高密度壓鑄法〞。高真空壓鑄技術(shù)充氧壓鑄技術(shù)半固態(tài)壓鑄技術(shù)擠壓壓鑄技術(shù)擠壓鑄造采用擠壓鑄造工藝消費(fèi)鋁合金零件替代鋼鐵零件。減重60%、質(zhì)量穩(wěn)定、消費(fèi)效率高、本錢低。轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、各類底盤支架等。高真空壓鑄可消費(fèi)大面積薄壁鋁合金壓鑄價(jià)，高真空鋁合金壓鑄件可進(jìn)展熱處置進(jìn)一步提高強(qiáng)度車門等薄壁件和受力件半固態(tài)加工半固態(tài)加工可以進(jìn)一步提高鑄件的性能，可以替代鋼鐵零件，對(duì)汽車輕量化發(fā)揚(yáng)重要作用。觸變成形根本具備了批量消費(fèi)條件，流變成形還需求進(jìn)一步完善。轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂等承力件

推行運(yùn)用新型高強(qiáng)度、高耐磨性的壓鑄合金，研討可著色的壓鑄合金以及用于消費(fèi)有特殊平安性要求鑄件的新型壓鑄合金

開發(fā)性能穩(wěn)定、成分易于控制的壓鑄合金

簡(jiǎn)化鋁合金成分，減少合金牌號(hào)，為實(shí)現(xiàn)綠色消費(fèi)提供根底;

加速開發(fā)壓鑄新工藝(真空壓鑄、充氧壓鑄、半固態(tài)壓鑄、擠壓鑄造等)

提高對(duì)市場(chǎng)的快速反響才干，推行并行工程(CE)和快速原型制造技術(shù)

開展CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的研討與開發(fā)

開發(fā)和運(yùn)用更多的鋁、鎂合金汽車零部件

推行運(yùn)用環(huán)保型無機(jī)粘結(jié)劑幾點(diǎn)開展建議鋁鋰合金的運(yùn)用

近年來，國(guó)內(nèi)外鋁鋰合金的研制和成形技術(shù)日漸成熟，因此在航天器的設(shè)計(jì)與制造中大量運(yùn)用了鋁鋰合金，如“奮進(jìn)號(hào)〞航天飛機(jī)的外貯箱[9]〔圖

1〕、“