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鋁鎂合金必將成為汽車輕量化過程的主力軍

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2010-09-28  作者:中華壓鑄網(wǎng)

 

汽車的輕量化,就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量,從而提高汽車的動(dòng)力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%―8%;汽車整備質(zhì)量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3―0.6升;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%。當(dāng)前,由于環(huán)保和節(jié)能的需要,汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。 

 

汽車輕量化的主要途徑是: 

 

①縮小汽車的尺寸。在內(nèi)部空間尺寸基本不變的前提下縮小外形尺寸,可減少材料消耗,減小質(zhì)量,同時(shí)還可減少占路面積和停車面積; 

 

②采用輕質(zhì)材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等; 

 

③采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如采用有限元分析、局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)等; 

 

④采用承載式車身,減薄車身板料厚度等。 

 

其中,當(dāng)前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。 

 

可用于汽車輕量化設(shè)計(jì)的金屬材料

 

車用材料主要通過汽車的輕量化來對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性改善作出貢獻(xiàn)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明,輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。為了適應(yīng)汽車輕量化的要求,一些新材料應(yīng)運(yùn)而生并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。 

 

有色合金 

 

以乘用車來說,1973年每輛車所使用的有色合金占全部用材的重量比為5.0%,1980年增至5.6%,而1997年則達(dá)到了9.6%。有色合金在汽車上應(yīng)用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢(shì)。 

 

鋁合金 

 

鋁的密度約為鋼的1/3,是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。以美國生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例,1976年每車用鋁合金僅39kg,1982年達(dá)到62kg,而1998年則達(dá)到了100kg。 

 

(1)鑄造鋁合金 

 

許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素,但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產(chǎn)中具有重要意義。當(dāng)然,在汽車上廣泛應(yīng)用的并不是上述簡單的二元合金,而是多種元素同時(shí)添加以獲得好的綜合性能。 

 

汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場,例如日本,鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動(dòng)器殼體、離合器殼體、車輪、制動(dòng)器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。 

 

鋁鑄件中不可避免地存在缺陷,壓鑄件還不能熱處理,因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強(qiáng)度鑄件時(shí)受到限制。為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進(jìn),鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。 

 

(2)變形鋁合金 

 

變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材,在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。

 

由于輕量化效果明顯,鋁合金在車身上的應(yīng)用正在擴(kuò)大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身,比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg,引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達(dá)到31.3%,如在全鋁車身上,外板使用6000系列合金,內(nèi)板使用5052-0合金,骨架大部使用5182-0合金;由于側(cè)門框?qū)?qiáng)度和剛度要求很高,使用以6N01合金為基礎(chǔ)、適當(dāng)調(diào)整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內(nèi)外板的。 

 

鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲,到20世紀(jì)80年代后期鋁散熱器已占領(lǐng)市場的90%。隨?車用空調(diào)、油冷卻器等的大量使用,鋁熱交換器的市場迅速擴(kuò)大。從材料的角度看,鋁在熱交換器上的廣泛應(yīng)用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發(fā)。 

 

(3) 鋁基復(fù)合材料 

 

鋁基復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度和比模量高、抗熱疲勞性能好,但在汽車上的應(yīng)用受到價(jià)格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約,還沒有形成很大的規(guī)模。目前,鋁基復(fù)合材料在連桿、活塞、氣缸體內(nèi)孔、制動(dòng)盤、制動(dòng)鉗和傳動(dòng)軸管等零件上的試驗(yàn)或使用顯示出了卓越的性能,如本田公司開發(fā)成功的由不?鋼絲增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿比鋼制連桿降重30%,對(duì)1.2L的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可提高燃料經(jīng)濟(jì)性5%;采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末(重量百分?jǐn)?shù)2%)混合并擠壓成棒材,用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強(qiáng)度高可降重20%,發(fā)動(dòng)機(jī)功率大幅度提高;用鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%;鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤比鑄鐵制動(dòng)盤降重50%。 

 

鎂合金 

 

鎂的密度約為鋁的2/3,在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄造性能好,很適合制造汽車零件。 

 

鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用,鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%~50%。新開發(fā)的無孔壓鑄法(Pore Free Diecast)可生產(chǎn)出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。 

 

鎂鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。在汽車上試用或應(yīng)用鎂合金的實(shí)例還有離合器殼體、離合器踏板、制動(dòng)踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比,鎂制件降重65%;與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比,鎂制件降重45%;與全鋁氣缸蓋相比,鎂制件降重30%;與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結(jié)構(gòu)制動(dòng)踏板支架相比,整體的鎂鑄件降重40%,同時(shí)其剛性也得以改善。 

 

鎂基復(fù)合材料的研究也有進(jìn)展,以SiC顆粒為增強(qiáng)體,采用液態(tài)攪拌技術(shù)得到的鎂基復(fù)合材料具有很好的性能且生產(chǎn)成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料比基體合金拉伸強(qiáng)度提高23%,屈服強(qiáng)度提高47%,彈性模量提高72%。

 

 

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