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铝合金在汽车上的应用

近20年来，世界性能源问题变得越来越严重，这使得减轻汽车自重、降低油耗成了各大汽车生产厂提高竞争能力的关键。据有关数据介绍，汽车重量每减少50kg，每升燃油行驶的距离可增加2km；汽车重量每减轻1%，燃油消耗下降0.6%～1%。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%。我国汽车除上海桑塔纳、一汽奥迪和捷达（均为引进生产线）用铝合金外，国产以红旗较多，约80～100kg。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104～109℃/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。
　　目前，我国汽车生产量继美国、日本、德国之后，居世界第四位。而在汽车铝化率方面，我国的技术还相对比较落后。当前发达国家汽车上铝材的使用已达138kg，铝化率达12%，而我国汽车上铝材的使用与国外差距很大，平均用铝量仅为60kg，铝化率不到5%[9]。因此，我国汽车用铝合金市场的发展前景非常广阔。