铝合金在现代汽车工业中的应用.doc

铝合金在现代汽车工业中的应用班级：学号：姓名： 铝合金在现代汽车工业中的应用 近20多年来，世界性能源问题变得越来越严重，在世界汽车工业日益重视节能、环保的迫切形势下，减轻汽车自重以降低能耗、减少废气排放、提高效率，改成为各大汽车企业提高竞争力的重要方向。有数据表明：，汽车质量每减轻1%，可节省燃料消耗0.6%到1%。轿车每降100kg重量，100km可减少汽油消耗0.48L。汽车白车身约占汽车总重的30%，在汽车内外板上用铝合金板代替传统使用的钢板可使白车身减重约40%-50%；如采用铝合金覆盖件可使整车减重10%-15%，可见采用铝合金车身板的减重效果十分显著。铝具有密度小、耐蚀性好等特点，且铝合金的塑性优良，铸、锻、冲压工艺均适用，最适合汽车零部件生产的压铸工艺。从生产成本、零件质量、材料利用等几个方面比较，铝合金已成为汽车生产不可缺少的重要材料。目前，美国、日本、德国是汽车采用铝合金最多的国家，如德国大众AudiA8、A2，日本的NXS等车身用铝合金量达80%。有资料表明，用铝合金结构代替传统钢结构，可使汽车质量减轻30%40%，制造发动机可减轻30%，制造车轮可减轻50%。采用铝合金是汽车轻量化及环保、节能、提速和运输高效的重要途径之一。因此，研究开发铝合金汽车目前显得十分必要。 1 铝合金在汽车工业中的应用背景最早把铝材运用到汽车上的是印度人，据记载，1896年印度人率先用铝制做了汽车曲轴箱。进入20世纪早期，铝在制造豪华汽车和赛车上有一定的应用，铝制车身的汽车开始出现，如亨利福特的Model T型汽车和二、三十年代欧洲赛车场上法拉利360赛车都是铝制车身。汽车用铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用量最多，占80%以上，其中又分为重力铸造件，低压铸造件和其它特种铸造零件。变形铝合金包括板材、箔材、挤压材、锻件等。世界各国工业用铝合金材料的品种构成虽然有一定的差异，但大体是相同的。其品种构成：铸件占80%左右，锻件占1%3%，其余为加工材。美国汽车工业中变形铝合金占较大比例，达36%。1.1 铸造铝合金的应用铸造铝合金具有优良的铸造性能。可根据使用目的、零件形状、尺寸精度、数量、质量标准、机械性能等各方面的要求和经济效益选择适宜的合金和合适的铸造方法。铸造铝合金主要用于铸造发动机气缸体、离合器壳体、后桥壳、转向器壳体、变速器、配气机构、机油泵、水泵、摇臂盖、车轮、发动机框架、制动钳、油缸及制动盘等非发动机构件。1.1.1 发动机用铝合金汽车发动机用铝合金制造轻量化最为明显，一般可减重30%以上，另外，发动机的气缸体和缸盖均要求材料的导热性能好、抗腐蚀能力强，而铝合金在这些方面具有非常突出的优势，因此各汽车制造厂纷纷进行发动机铝材化的研制和开发。目前国外很多汽车公司均已采用了全铝制的发动机气缸体和气缸盖。如美国通用汽车公司已采用了全铝气缸套；法国汽车公司铝气缸套已达100%，铝气缸体达45%；日本日产公司VQ和丰田公司的凌志IMZ-FEV6均采用了铸铝发动机油底壳；克莱斯勒公司新V6发动机气缸体和缸盖都使用了铝合金材料。1.1.2 轮毂用铝合金铝轮毂因为质轻、散热性好，并具有良好的外观，而逐渐取代了钢轮毂。在过去的10年，全球铝合金汽车轮毂以7.6%的年增长率增长，根据分析，到2010年时，汽车轮毂铝化率可达72%78%4。A365是一种铸造铝合金，它具有良好的铸造性能又具有高的综合力学性能，世界各国的铸造铝合金轮毂都是此类合金生产的。我国西南铝加工厂与日本轻金属株式会合作开发了A6061铝合金轮毂5。1.2 变形铝合金的应用 变形铝合金在汽车上主要用于制造车门、行李箱等车身面板、保险杠、发动机罩、车轮的轮辐、轮毂罩、轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身构架、座位、车箱底板等结构件以及仪表板等装饰件。1.2.1 车身板件用铝合金 板材在轿车上的应用比重不断上升，如经热处理（如：T4、T6、T8）的6000系（AI-Mg-Si系）铝合金板材，能够很好的满足汽车对壳体的要求，可用做车身框架材料。Audi A8的车身钣金件，即采用了本系合金铝材。另外，2000系（AI-Cu-Mg系）、5000系（AI-Mg系）和7000系（AI-Mg-Zn-Cu系）铝合金也可应用于车身材料。近几年，采用6000系和7000系高强度铝合金开发了“口”、“日”、“目”、“田”字形状的薄板和中空型材，不仅质量轻、强度高、抗裂性能好，而且成型性能好，在汽车上得到了广泛的应用。1.2.2 其它铝合金结构件 铝合金也被广泛应用于汽车的其他部位，如：美国通用汽车公司用7021铝板制造Smure轿车保险杠增强支架，福特公司用7021铝板制造Lincoln Town轿车保险杠增强支架7。汽车悬挂件也应用了铝合金材料，有效减轻了相应零部件的质量，提高了汽车行驶的平顺性、稳定性，如用6061锻件生产的盘式制动器卡爪、动力传动框架等。此外，铝合金也广泛用于汽车空调系统，如日本用6595铝合金做汽车散热器和冰箱散热器。2 新型铝合金在汽车上的应用2.1 快速凝固铝合金快速凝固条件下（冷速达104109/S）,材料将引起一些组织结构上的新特征：超细化的微观组织；提高合金的固溶度极限；成分的高度均匀、少偏析或无偏析；形成新的亚稳相等。基于这些特征，快速凝固铝合金必然会在汽车行业得到应用。Sumitomo电器公司利用快速凝固PM AI-Si-X高硅铝合金代替烧结钢，大批量制造汽车空调压缩机转子和叶片，使转子重量减轻60%，整个压缩机重量减轻40%；雅马哈汽车制造公司生产的快速凝固高硅铝合金活塞也投入市场，这种活塞与普通铸铁相比，重量减轻了20%，寿命提高了30%，而且显著降低了噪音，减少污染；马自达汽车公司利用喷射沉积Al-Si-Fe-Cu-Mg合金制造了一种新型发动机转子，提高了发动机效率，能节油20%。2.2 铝基复合材料以陶瓷纤维、晶须、微粒等为增强材料，生产铝基复合材料，其比强度、比弹性模量、耐热性、耐磨性等大幅度提高，可用做发动机零件，如用粉末冶金法研制成功的Al2O3或SiC颗粒（晶须）增强的Al-Si系合金活塞，在保留Al-Si合金活塞优点的同时，可进一步改善活塞的强度、耐磨性、耐热性和抗疲劳性能，用于汽车发动机上；此外，颗粒增强铝基复合材料还可用于制造车辆发动机的汽缸体、活塞和连杆等部件。2.3 泡沫铝合金泡沫铝合金是一种在金属基体中分布有无数气泡的多孔材料，这种材料的质量更轻、强重比更高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。将泡沫铝填充于两个高强度外板之间制成的三明治板材，在用于车身顶盖板时，可提高刚度、轻量化并改善保温性能，用在保险杠、纵梁和一些支柱零件上时，可以增加撞击吸能的能力，在轻量化的同时，提高了撞击安全性。3 铝合金在汽车上的发展前景在轻量化金属中，镁合金密度虽比铝合金小，但镁锭成本较高，且零件制造过程中还有许多技术障碍，如缺少高温压铸合金和设计数据，表面处理技术粗劣，结合水平低等，所以目前在汽车上的使用量相当有限；而航空航天用的钛合金虽有高的机械强度，但制造工艺困难和制造成本昂贵，导致钛合金无法大批量的应用于汽车生产。铝合金在成本、制造技术、机械性能、可持续发展（地壳中铝含量最多，占8.1%）等方面综合性能好，因此铝合金是现在及将来汽车工业中的首选轻金属材料。4 再生铝板在汽车工业生产中的应用 4.1 汽车减重 显而易见，汽车轻量化是改善燃料经济性和减少二氧化碳排放的最有效途径。汽车每行驶1千米的二氧化碳排放量和汽车控制重量呈线性关系，研究表明，汽车重量每减轻10%，可以提高燃料利用率的6%8%。汽车轻量化为减轻全球为使气体排放量贡献显著。 在2000年至2005年之间，汽车用铝增长37%，聚合物基复合材料增长38%，汽车用镁增长150%，在汽车减重方面全球已经有接近30个主要研究开发计划。和钢结构相比，由汽车钢合作伙伴关系组织提供的高强度钢强化车体结构实现重量减轻20%30%。在JAQUAR XJ车型，奥迪A8和A2车型上采用铝强化车体结构实现汽车重量减轻30%40%，采用多种材料车体结构汽车减轻重量为42%，超过铝37%，镁30%和聚合物基材复合材料车体结构21%。然而与钢铁相比，采用先进轻质结构材料使汽车制造成本不断增加，这就使汽车制造商对新材料望而却步。这类材料局限用于高性能和高价汽车使用，而投入较少，进入到大批量生产的汽车却很难普及。几乎全球所有低碳汽车（LCV）计划中都没有考虑到材料的回收，没有在从原材料制造的汽车使用阶段集中关注二氧化碳排放。 原始结构材料的生产所需能源总要比二次再加工（回收）材料生产所需的能源多得多。例如，采用原铝加工路线的每千克铝平均释放9.7Kg二氧化碳，而1Kg再生铝仅排放0.6Kg二氧化碳，详细的生命周期分析已表明：原铝强化汽车和钢结构汽车相比仅仅能超过2万千米之后才能节省能源，而再生铝强化汽车从汽车投入使用时就能节省能源。还有非常重要的是原铝的碳排放负担取决于冶炼所用的电力资源，可以通过水电或者核电作为电力资源。 4.2 开环or闭环 废铝回收可以是开环（ Open Loop）也可以是闭环（Closed Loop）。开环是指一个废料回收进入一个新产品或材料内在性能发生改变的系统，闭环回收适合于回收的产品用来生产一样的产品或者材料性能没有发生改变。目前，报废车辆的回收是开环，因为报废车辆包括一些有限的拆卸，危险材料的去除，通过机械破碎来生产混合废料，然后采用空气分级来去除汽车破碎残渣，磁法分离钢，涡流分离去除有色金属，也可采用浮选法分离有色金属。 汽车的机械破除仅仅用时15秒，但是材料损耗高，通常降低了回收材料的质量。破碎从本质上限制了报废车辆材料的闭环回收，对于铝主要问题是最终回收废料是同时混杂有可锻铝合金和铸造铝合金的混合物，这只适合加工二次铸造铝合金，而不适合用来加工汽车结构件。 目前，汽车所用全部铸造结构件都采用原铝为材料，是汽车铝结构件中价格最贵的部件。尽管对于材料回收的社会态度正在发生改变，从一个国家和全球来看，报废车辆的潜在积聚正在持续增大，已有预测，到2030年全球汽车数量将达到150亿辆，在2007年到2030年之间汽车报废产生的废料将达36.5亿吨。重要的是采用了控制拆卸而不是破碎从报废车辆来回收材料。尽量要求为便于拆卸来设计汽车，要求按公共政策来做出重大改变，如何用符合法规的方法来处置报废汽车。简单的说，汽车制造商或者汽车破碎厂应当逐步进入拆解厂行列，以此来解决这一重要的低碳材料在将来汽车制造中的使用问题。 4.3 饮料罐 世界上每年都有大量的废铝罐，Jaguar land Rover (JLR)车型是英国一家铝强化汽车制造商生产的车型，汽车结构件有60%采用AA5754铝合金板，这一合金可以采用回收废料生产。Jaguar land Rover (JLR)车型是引领一个TSB支持项目， Realcar (再生铝汽车）目标是采用75%的再生铝来生产AA5754铝合金板（再生铝的构成是50%的工艺废料和25%后消费废料）。Jaguar land Rover 车型正考虑用以合金制造商的铝废料用以制造汽车的可能性，采用连续铸造来提高杂质公差。目前损失在回填土地的废铝罐4.5万吨，用于二次铸造合金所用或成为混合废料1.5万吨。出口的废铝罐则是AA5754铝合金板材生产的高质量合金化废料的重要原料。从较长的时期来看，汽