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鋁合金零部件都用在汽車的哪些部位？對(duì)于輕量化有什么優(yōu)勢(shì)？

2021-12-06 15:55:48 來(lái)源：鋁加工
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簡(jiǎn)介：目前，美國(guó)、日本、德國(guó)是汽車采用鋁合金最多的國(guó)家，如德國(guó)大眾AudiA8、A2，日本的NXS等車身用鋁合金量達(dá)80%。我國(guó)汽車除上海桑塔納、一汽奧迪和捷達(dá)(均為引進(jìn)生產(chǎn)線)用鋁合金外，國(guó)產(chǎn)以紅旗較多，約80～100kg。有資料表明，用鋁合金結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，可使汽車質(zhì)量減輕30%～40%，制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減輕30%，制造車輪可減輕50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環(huán)保、節(jié)能、提速和運(yùn)輸高效的重要途徑之一。
鋁合金作為典型的輕質(zhì)金屬?gòu)V泛應(yīng)用于國(guó)外汽車上，國(guó)外汽車鋁合金制部件主要有活塞、氣缸蓋、離合器殼、油底殼、保險(xiǎn)杠、熱交換器、支架、車輪、車身板及裝飾部件等。
目前，美國(guó)、日本、德國(guó)是汽車采用鋁合金最多的國(guó)家，如德國(guó)大眾AudiA8、A2，日本的NXS等車身用鋁合金量達(dá)80%。我國(guó)汽車除上海桑塔納、一汽奧迪和捷達(dá)(均為引進(jìn)生產(chǎn)線)用鋁合金外，國(guó)產(chǎn)以紅旗較多，約80～100kg。有資料表明，用鋁合金結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，可使汽車質(zhì)量減輕30%～40%，制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減輕30%，制造車輪可減輕50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環(huán)保、節(jié)能、提速和運(yùn)輸高效的重要途徑之一。因此，研究開發(fā)鋁合金汽車目前顯得十分必要。鋁合金的主要優(yōu)點(diǎn)是重量輕，散熱性好。隨著發(fā)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，氣閥結(jié)構(gòu)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)。
與兩氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時(shí)要產(chǎn)生更多的熱量，采用全鋁合金缸蓋是最好的解決辦法。目前，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)部件中不僅活塞、散熱器、油底殼缸體采用鋁合金材料，而且缸蓋、曲軸箱也采用這種材料。
在目前的形式下，在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用鋁合金替代鑄鐵已經(jīng)成為主流趨勢(shì)。法國(guó)汽車的鋁汽缸套已達(dá)100%，鋁汽缸體達(dá)45%。在未來(lái)幾年里，隨著高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋁合金材料的開發(fā)成功和制造工藝的不斷改進(jìn)，鋁合金材料將愈來(lái)愈多的用來(lái)制造這一類零部件。汽車用鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多，占80%以上，其中又分為重力鑄造件，低壓鑄造件和其它特種鑄造零件。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材、鍛件等。世界各國(guó)工業(yè)用鋁合金材料的品種構(gòu)成雖然有一定的差異，但大體是相同的。其品種構(gòu)成：鑄件占80%左右，鍛件占1%～3%，其余為加工材。美國(guó)汽車工業(yè)中變形鋁合金占較大比例，達(dá)36%。
一?鑄造鋁合金的應(yīng)用
鑄造鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性能?？筛鶕?jù)使用目的、零件形狀、尺寸精度、數(shù)量、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械性能等各方面的要求和經(jīng)濟(jì)效益選擇適宜的合金和合適的鑄造方法。鑄造鋁合金主要用于鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、離合器殼體、后橋殼、轉(zhuǎn)向器殼體、變速器、配氣機(jī)構(gòu)、機(jī)油泵、水泵、搖臂蓋、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)框架、制動(dòng)鉗、油缸及制動(dòng)盤等非發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。
1.1?發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金制造輕量化最為明顯，一般可減重30%以上，另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體和缸蓋均要求材料的導(dǎo)熱性能好、抗腐蝕能力強(qiáng)，而鋁合金在這些方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)，因此各汽車制造廠紛紛進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)鋁材化的研制和開發(fā)。目前國(guó)外很多汽車公司均已采用了全鋁制的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和氣缸蓋。如美國(guó)通用汽車公司已采用了全鋁氣缸套;法國(guó)汽車公司鋁氣缸套已達(dá)100%，鋁氣缸體達(dá)45%;日本日產(chǎn)公司VQ和豐田公司的凌志IMZ-FEV6均采用了鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼;克萊斯勒公司新V6發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和缸蓋都使用了鋁合金材料。


德國(guó)大眾先進(jìn)的6.0L?W12發(fā)動(dòng)機(jī)采用的基本上都是鋁鎂合金，奧迪A8L?6.0?quattro轎車上因采用W12發(fā)動(dòng)機(jī)，整車重量隨之被降低到1980kg，低于所有其他車型。而W12引擎450馬力、560Nm的強(qiáng)勁動(dòng)力，使其單位馬力需加速的重量?jī)H為4.7kg，堪與高性能跑車相媲美。
北極星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最頂級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是美國(guó)首款頂置凸輪軸的V8鋁合金的引擎。它的汽缸套由全鋁合金壓鑄而成。目前廣泛應(yīng)用于凱迪拉克上的4.6升發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率320馬力，最大扭矩427Nm。而應(yīng)用于高性能V系列的機(jī)械增壓款更可高達(dá)476馬力/606Nm。
1.2?輪轂用鋁合金
鋁輪轂因?yàn)橘|(zhì)輕、散熱性好，并具有良好的外觀，而逐漸取代了鋼輪轂。在過(guò)去的10年，全球鋁合金汽車輪轂以7.6%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，根據(jù)分析，到2010年時(shí)，汽車輪轂鋁化率可達(dá)72%～78%。A365是一種鑄造鋁合金，它具有良好的鑄造性能又具有高的綜合力學(xué)性能，世界各國(guó)的鑄造鋁合金輪轂都是此類合金生產(chǎn)的。我國(guó)西南鋁加工廠與日本輕金屬株式會(huì)合作開發(fā)了A6061鋁合金輪轂。?汽車廣泛應(yīng)用的鋁制輪轂是鋁合金在汽車上應(yīng)用的一個(gè)例子，幾乎所有的新車型都采用了鋁合金輪轂。


1.3??變形鋁合金的應(yīng)用
變形鋁合金在汽車上主要用于制造車門、行李箱等車身面板、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車輪的輪輻、輪轂罩、輪外飾罩、制動(dòng)器總成的保護(hù)罩、消聲罩、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、熱交換器、車身構(gòu)架、座位、車箱底板等結(jié)構(gòu)件以及儀表板等裝飾件。
1.3.1?車身板件用鋁合金
板材在轎車上的應(yīng)用比重不斷上升，如經(jīng)熱處理(如：T4、T6、T8)的6000系(AI-Mg-Si系)鋁合金板材，能夠很好的滿足汽車對(duì)殼體的要求，可用做車身框架材料。Audi?A8的車身鈑金件，即采用了本系合金鋁材。另外，2000系(AI-Cu-Mg系)、5000系(AI-Mg系)和7000系(AI-Mg-Zn-Cu系)鋁合金也可應(yīng)用于車身材料。近幾年，采用6000系和7000系高強(qiáng)度鋁合金開發(fā)了“口”、“日”、“目”、“田”字形狀的薄板和中空型材，不僅質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗裂性能好，而且成型性能好，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。
1.3.2?其它鋁合金結(jié)構(gòu)件
鋁合金也被廣泛應(yīng)用于汽車的其他部位，如：美國(guó)通用汽車公司用7021鋁板制造Smure轎車保險(xiǎn)杠增強(qiáng)支架，福特公司用7021鋁板制造Lincoln?Town轎車保險(xiǎn)杠增強(qiáng)支架。汽車懸掛件也應(yīng)用了鋁合金材料，有效減輕了相應(yīng)零部件的質(zhì)量，提高了汽車行駛的平順性、穩(wěn)定性，如用6061鍛件生產(chǎn)的盤式制動(dòng)器卡爪、動(dòng)力傳動(dòng)框架等。此外，鋁合金也廣泛用于汽車空調(diào)系統(tǒng)，如日本用6595鋁合金做汽車散熱器和冰箱散熱器。

二?新型鋁合金在汽車上的應(yīng)用
2.1?快速凝固鋁合金
快速凝固條件下(冷速達(dá)104～109℃/S),材料將引起一些組織結(jié)構(gòu)上的新特征：超細(xì)化的微觀組織;提高合金的固溶度極限;成分的高度均勻、少偏析或無(wú)偏析;形成新的亞穩(wěn)相等?；谶@些特征，快速凝固鋁合金必然會(huì)在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。Sumitomo電器公司利用快速凝固PM?AI-Si-X高硅鋁合金代替燒結(jié)鋼，大批量制造汽車空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片，使轉(zhuǎn)子重量減輕60%，整個(gè)壓縮機(jī)重量減輕40%;雅馬哈汽車制造公司生產(chǎn)的快速凝固高硅鋁合金活塞也投入市場(chǎng)，這種活塞與普通鑄鐵相比，重量減輕了20%，壽命提高了30%，而且顯著降低了噪音，減少污染;馬自達(dá)汽車公司利用噴射沉積Al-Si-Fe-Cu-Mg合金制造了一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率，能節(jié)油20%。
2.2?鋁基復(fù)合材料
以陶瓷纖維、晶須、微粒等為增強(qiáng)材料，生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比彈性模量、耐熱性、耐磨性等大幅度提高，可用做發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如用粉末冶金法研制成功的Al2O3或SiC顆粒(晶須)增強(qiáng)的Al-Si系合金活塞，在保留Al-Si合金活塞優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可進(jìn)一步改善活塞的強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性和抗疲勞性能，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上;此外，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料還可用于制造車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體、活塞和連桿等部件。
2.3??泡沫鋁合金
泡沫鋁合金是一種在金屬基體中分布有無(wú)數(shù)氣泡的多孔材料，這種材料的質(zhì)量更輕、強(qiáng)重比更高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。將泡沫鋁填充于兩個(gè)高強(qiáng)度外板之間制成的三明治板材，在用于車身頂蓋板時(shí)，可提高剛度、輕量化并改善保溫性能，用在保險(xiǎn)杠、縱梁和一些支柱零件上時(shí)，可以增加撞擊吸能的能力，在輕量化的同時(shí)，提高了撞擊安全性。
三?鋁合金在汽車上的發(fā)展前景
在輕量化金屬中，鎂合金密度雖比鋁合金小，但鎂錠成本較高，且零件制造過(guò)程中還有許多技術(shù)障礙，如缺少高溫壓鑄合金和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，表面處理技術(shù)粗劣，結(jié)合水平低等，所以目前在汽車上的使用量相當(dāng)有限;而航空航天用的鈦合金雖有高的機(jī)械強(qiáng)度，但制造工藝?yán)щy和制造成本昂貴，導(dǎo)致鈦合金無(wú)法大批量的應(yīng)用于汽車生產(chǎn)。鋁合金在成本、制造技術(shù)、機(jī)械性能、可持續(xù)發(fā)展(地殼中鋁含量最多，占8.1%)等方面綜合性能好，因此鋁合金是現(xiàn)在及將來(lái)汽車工業(yè)中的首選輕金屬材料。



從上表可知，汽車每使用1?kg鋁，可減輕自重2.25?kg，減重效應(yīng)高達(dá)125%，在汽車整個(gè)使用壽命周期內(nèi)可減少?gòu)U氣排放20?kg。此外，鋁回收簡(jiǎn)便，是除鋼鐵以外能最大限度從上表可知，汽車每使用1?kg鋁，可減輕自重2.25?kg，減重效應(yīng)高達(dá)125%，在汽車整個(gè)使用壽命周期內(nèi)可減少?gòu)U氣排放20?kg。此外，鋁回收簡(jiǎn)便，是除鋼鐵以外能最大限度回收利用的材料，幾乎90%的汽車用鋁可以回收并循環(huán)利用。鋁具有良好的物理和化學(xué)性能，工業(yè)生產(chǎn)中的鑄、鍛、沖工藝均能適用，是可采用多種鑄造工藝制造零件的少數(shù)幾種金屬材料之一，最適于應(yīng)用廣泛的壓力鑄造工藝。但鋁合金的成本仍高于鋼鐵材料。回收利用的材料，幾乎90%的汽車用鋁可以回收并循環(huán)利用。鋁具有良好的物理和化學(xué)性能，工業(yè)生產(chǎn)中的鑄、鍛、沖工藝均能適用，是可采用多種鑄造工藝制造零件的少數(shù)幾種金屬材料之一，最適于應(yīng)用廣泛的壓力鑄造工藝。但鋁合金的成本仍高于鋼鐵材料。?車身的重量約為汽車總重量的30%，故車身的輕量化占有舉足輕重的地位。在汽車內(nèi)外板上用鋁合金板代替鋼板可使車身減重約40%-50%;如采用鋁合金覆蓋件整車減重10%-15%，可見(jiàn)采用鋁合金車身板的減重效果十分顯著。鋁合金在汽車輕量化應(yīng)用方面提供了很好的應(yīng)用基礎(chǔ)和市場(chǎng)前景，必然為鋁合金汽車覆蓋件的應(yīng)用帶來(lái)更大機(jī)遇。因此，用鋁合金板取代鋼板制造車身覆蓋件也是汽車輕量化的必然之路。?德國(guó)奧迪A8型高級(jí)轎車的整個(gè)車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質(zhì)量減輕30-50%，油耗減低5-8%。

目前，我國(guó)汽車生產(chǎn)量繼美國(guó)、日本、德國(guó)之后，居世界第四位。而在汽車鋁化率方面，我國(guó)的技術(shù)還相對(duì)比較落后。當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家汽車上鋁材的使用已達(dá)138kg，鋁化率達(dá)12%，而我國(guó)汽車上鋁材的使用與國(guó)外差距很大，平均用鋁量?jī)H為60kg，鋁化率不到5%。因此，我國(guó)汽車用鋁合金市場(chǎng)的發(fā)展前景非常廣闊。
四?鋁合金應(yīng)用的主要障礙
在汽車中擴(kuò)大鋁合金的應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但目前尚有以下亟待解決:
(1)鋁合金板材的性能尚需提高;?(2)建立汽車用鋁合金的數(shù)據(jù)庫(kù);?(3)研發(fā)鋁合金零件的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、成形工藝的?;  (4)計(jì)算機(jī)模擬以及焊接工藝方法;?(5)研究鋁合金材料的表面形態(tài)、油漆前的前處理、油漆后的防?;(6)腐效果等問(wèn)題，積累數(shù)據(jù)為鋁合金應(yīng)用時(shí)工藝的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?;(7)維修市場(chǎng)對(duì)經(jīng)碰撞后的鋁合金結(jié)構(gòu)件和覆蓋件的復(fù)原、恢復(fù)原則以及開裂后的補(bǔ)焊等均缺乏經(jīng)驗(yàn)和方法。
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