轻质材料铝合金在汽车上的应用

轻质材料铝合金在汽车上的应用轻质材料铝合金在汽车上的应用 轻质材料1前言牟口 事口口金在汽车上的应用黄佩贤 上海汽车工 业技术中心 现今 全世界汽车工业界已清楚地认识到 着眼于人类 长远 可持续发展 节省资源和减少环境污染是其迫切要求解决的 两大问题 当代汽车正朝着轻量化 高速 安全舒适 低成本 低排放与节能 的方向发展 为实现这一目标 汽车材料及技术的进步与发展起着举足轻重的作 用 而使用轻质材料则是减轻车重的一个重要措施 目前 在汽车上普遍使用的轻质材料有高强度超轻钢板 铝 镁 钛 塑料和陶瓷材料等 见表1 表11992年 1996年 2000年美国汽车工业用材Mt 百万吨 材料1992年1996年2000年铝3 24 16 0镁O 35O 501 0钢302924塑料5 05 56 7玻璃1 OO1 051 082汽车轻量化的必要性及首选材料进入2000年 世界汽车 保有量达到6 73亿辆 其中轿车5 24亿辆 如此众多的车辆改变着人类的生活环境 目前为止汽车的燃料仍是石油产品 年消耗石油约占世界石油产量 的48 而石油的储存量预计只够开采到2100年 所以降低燃油消耗是当前汽车制造业的重要课题 而降低燃油消耗 最有效的措施之一就是减轻汽车质量 汽车制造大量使用的钢材 其耐腐蚀性能较差 目前 用于汽车轻质材料的有高强度钢板 铝合金 镁合金 复合 材料等 而铝具有密度小 质量轻 成形加工性好 可重复回收利用等许多 特点 这对于汽车轻量化 提高行驶性能和安全舒适性能 降低燃油消耗 减少排放和减轻环境污染具有显著的作用 铝合金的相对重度为钢的1 3 用铝合金代替钢可减轻车重35 左 右 由此可见 铝合金可望成为汽车轻量化的首选材料 实际上 铝在汽车上的用量一直在迅速增加 在欧洲 日本汽车用铝量也是逐年增加 另据哈特利的报告分析1997年世界上乘用汽车的购件 钢和铸铁占7 0 塑料占8 铝仅占5 但至2000年 铝的比例增至30 以上 3几种典型的铝合金材料汽车用的铝合金必需具有的性能强度 成形 性 耐蚀性 焊接性 表面处理性等 表2为几种典型的铝合金材料的性能及主要用途 4汽车用铝合金4 1车身覆盖件汽车车身的重量约为汽车总质量的30 汽车轻量化 车身的轻量化占有举足轻重的地位 因此 用铝板取代钢板制造车身覆盖件也当然成为汽车轻量化的必 然 德国奥迪A8型高级轿车的整个车身均采用铝材制造 框架采用立体 框架式结构 覆盖件为铝板冲压而成 这种铝车身与钢车身相比 质量减轻30 50 油耗减低5 8 日本本田公司生产的Ins培ht hybrid轿车车身用铝合金达162kg 比钢车身减重约40 奔驰公司新一代s系列轿车前桥拉杆和横向导臂 前桥整体支承结构 采用铝合金材料 这种部件的质量只有10 5kg 与钢件相比轻35 就铝板覆盖件的应用发展趋势看 强度高 成形加工性好 表面质 量优良的铝板将取代钢板成为汽车覆盖件的主要材料 4 2发动机 37 万方数据目前 轿车发动机部件中不仅活塞 散 热器 油底壳缸体采用铝合金材料 而且缸盖 曲轴箱也采用这种 材料 德国大众Lupo3L TDI型轿车采用多种轻质材料 其中1 2L发动机气缸盖均采用铝合 金 这使得其总质量仅为830kg 与其它Lupo系列汽车相比减轻230k g 英国Roves的高精度铝缸盖铸件 其质量仅是铸铁缸盖的6 切削 量减少20 可以预见 在未来几年里 随着高强度优质铝合金材料的开发成功 和制造工艺的不断改进 铝合金材料将愈来愈多的用来制造这一类 零部件 表2几种铝合金材料的性能及用途轮较铸铝车轮减轻25 较钢制车 轮轻50 而钢度与钢制车轮相当 5面临的竞争和挑战在汽车轻量化的发展过程中 铝材料也遇到其它 轻型材料的竞争和挑战 比如镁 塑料 陶瓷材料等 镁的密度比铝轻得多 用于制造某些汽车零部件较铝更为合适 而塑料则具有质量轻 易于成型加工和价格低廉的特点 其中6大类塑料PP PUR PVC ABs PA PE占汽车塑料的90 左右 前面提及的油底壳 缸盖罩和变速器壳体高硅铝合金铝镁系合金铝 铜镁系合金铝镁硅系合金材料A1 120505251822036xx60096013抗拉 强度 MPa351 92 93 42 52 63 2屈服强度 MPa1 4O 81 42 01 31 41 7性伸长率 30252824282728能硬度 HB106958 7889l102103杯突值 mm9 39 69 59 6气缸体 曲轴气缸体 曲 轴箱 车轮 覆盖件 用途保险杠 结构件箱 油泵壳车轮 覆盖 件结构件4 3保险杠随着铝板制造技术的进步 可以通过合金化方 法提高铝板的耐腐蚀性能 这进一步促进了铝板在汽车保险杠中的 应用 原来用于汽车保险杠支架的5000和6000系铝合金板已逐渐被性能更 好的7021铝合金板所取代 美国通用汽车公司用702l铝板制造saturn轿车保险杠增强支架 福 特汽车公司也用7021铝板制造Lincoln Town轿车的保险杠增强支架 4 4车轮铝制车轮目前已在轿车上普及 并越来越多地应用到大客 车的车轮上 铝在车轮中的用量约占汽车用铝量的38 近年来用铝板冲压 旋压工艺方法来提高车轮强度和减重 并可减 少50 以上的后序加工 现在5454铝板已广泛用于轮辐 轮辋组合式车轮的生产 这种铝板组合式车 38 不仅用铝制造 而且也愈来愈多地用比铝 更轻的镁来生产 在发动机进气管 缸盖罩用材方面 面临着比镁更轻 价格更低的 塑料的挑战 现在 大众公司的帕萨特轿车变速器壳体 奥迪A8仪表板盘盆 外壳 奔驰公司sLK系列轿车燃油箱盖和波尔舍公司的汽车车轮均改由 镁制造 在发动机领域 欧宝公司1 2L corsa轿车的进气管已由金属改为塑料件 另外 塑料缸盖罩也早已为发动机制造厂家所接受 又如欧宝Astra轿车采用了玻璃纤维增强的塑料稳定杆 铰接杆机构 暖风和空调的气孔 气门和离合器踏板等也采用塑料制造 欧宝Vectra轿车使用塑料安全气囊壳体 比传统材料减轻45 更 降低成本 雷诺Espace和莲花E lise轿车也采用了部分塑料车身 另外汽车尾灯和前大灯也将从天然材料转向有