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20年来,世界性能源问题变得越来越严重,这使得减少汽车自重、降低油耗成了各大汽车
生产厂提高竞争能力的要点。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;汽车重量每减少1%,燃油耗资下降%~1%。铝拥有密度小、耐蚀性好等特点,且铝合金的塑
性优异,铸、锻、冲压工艺均适用,最合适汽车零部件生产的压铸工艺。从生产成本、部件质量、
资料利用等几个方面比较,铝合金已成为汽车生产不可以缺少的重要资料。当前,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,国产以红旗很多,约80~
100kg。有资料表示,用铝合金结构取代传统钢结构,可使汽车质量减少30%~40%,制造发动机可减少30%,制造车轮可减少50%。采用铝合金是汽车轻量化及环保、节能、加快和运输高效的重要路子之一。因此,研究开发铝合金汽车当前显得十分必要。
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,据记录,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必然的应用,铝制车身的汽车开始出现,如亨利·福
特的ModelT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。
铝拥有密度小、耐蚀性好等特点,且铝合金的塑性优异,铸、锻、冲压工艺均适用,最合适汽车零部件生产的压铸工艺。从生产成本、部件质量、资料利用等几个方面比较,铝合金已成为汽车生产不可以缺少的重要资料,铝合金作为典型的轻质金属广泛应用于外国汽车上,外国汽车铝合金制部件主要有活塞、气缸盖、离合器壳、油底壳、保险杠、热交换器、支架、车轮、车身板及装饰部件
等。。当前,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,国产以红旗很多,约80~100kg。有资料表示,用铝合金结构取代传统钢结构,可使汽车质量减少30%~40%,制造发动机可减少30%,制造车轮可减少50%。采用铝合金是汽车轻量化及环保、节能、加快和运输高效的重要路子之一。因此,研究开发铝合金汽车当前显得十分必要。
铝合金的主要优点是重量轻,散热性好。随着发动技术的发展,四气阀结构成为发动机的主流设计趋势。与两气阀发动机对照,每缸四气阀的气缸盖比每缸两气阀的气缸盖在工作时要产生更多的热量,采用全铝合金缸盖是最好的解决方法。
当前,轿车发动机部件中不但活塞、散热器、油底壳缸体采用铝合金资料,而且缸盖、曲轴箱也采用这种资料。在当前的形式下,在发动机上采用铝合金取代铸铁已经成为主流趋势。法国汽车的铝汽缸套已达100%,铝汽缸体达45%。在将来几年里,随着高强度优异铝合金资料的开发成功和制造工艺的千锤百炼,铝合金资料将越来越多的用来制造这一类零部件。
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,低压铸造件和其他特种铸造部件。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资料的品种构成诚然有必然的差异,但大体是相同的。其
品种构成:铸件占80%左右,锻件占1%~3%,其他为加工材。美国汽车工业中变形铝合金占较大
比率,达36%。
铸造铝合金的应用
铸造铝合金拥有优异的铸造性能。可依照使用目的、部件形状、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合适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。
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,其他,发动机的气缸
体和缸盖均要求资料的导热性能好、抗腐化能力强,而铝合金在这些方面拥有特别突出的优势,因
此各汽车制造厂纷纷进行发动机铝材化的研制和开发。当前外国很多汽车公司均已采用了全铝制的
发动机气缸体平和缸盖。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%;日今天产公司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资料。
德国大众先进的W12发动机采用的基本上都是铝镁合金,奥迪A8Lquattro轿车上因采用
W12发动机,整车重量随之被降低到1980kg,低于所有其他车型。而W12引擎450马力、560Nm
的激烈动力,使其单位马力需加快的重量仅为,堪与高性能跑车相媲美。
北极星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最顶级的发动机,它是美国首款顶置凸轮轴的V8铝合金的引擎。它的汽缸套由全铝合金压铸而成。当前广泛应用于凯迪拉克上的升发动机最大功率320马力,最大扭矩427Nm。而应用于高性能V系列的机械增压款更可高达476马力/606Nm。
轮毂用铝合金
铝轮毂因为质轻、散热性好,并拥有优异的外观,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
%的年增加率增加,依照解析,到
2010年时,汽车轮毂铝化率可达
72%~78%。
A365是一种铸造铝合金,它拥有优异的铸造性能又拥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。
汽车广泛应用的铝制轮毂是铝合金在汽车上应用的一个例子,几乎所有的新车型都采用了铝合金轮
毂。
马自达跑车轮毂福特Focus铝合金轮毂
汽车用铸造铝合金的主要部件系统
部件系统
部件名称
发动机系统
发动机缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、发
动机壳、启动机壳、摇臂、摇臂盖、滤清器底座、
发动机托架、正时链轮盖、发动机支架、分电器
座、汽化器等
传动系统变速箱壳、离合器壳、连接过滤板、换挡拨叉、
传动箱换挡端盖
底盘行走系统横梁、上下壁、转向机壳、制动分泵壳、制动钳、
车轮、控制等
其他系统部件离合器踏板、刹车踏板、方向盘、转向节、发动
机框架、ABS系统部件
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。
车身板件用铝合金
板材在轿车上的应用比重不断上升,如经热办理(如:T4、T6、T8)的6000系(AI-Mg-Si系)铝合金板材,可以很好的满足汽车对壳体的要求,可用做车身框架资料。AudiA8的车身钣金件,
即采用了本系合金铝材。其他,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资料。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,不但质量轻、强度高、抗裂性能好,而且成型性能好,
在汽车上获取了广泛的应用。
其他铝合金结构件
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LincolnTown轿车保险杠增强支架。汽车悬挂件也应
用了铝合金资料,有效减少了相应零部件的质量,提高了汽车行驶的平顺性、牢固性,如用
6061
锻件生产的盘式制动器卡爪、动力传动框架等。其他,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。
变形铝合金的主要部件系统
车身系统部件
热交换器系统部件
其他系统部件
发动机罩、车顶蓬、车门、冀子板、行李箱盖、
地板、车身骨架及覆盖件等
发动机交换器、机油散油器、中冷器、空调冷凝
和蒸发器等
冲压车轮、座椅、保险杠、车厢底板及装饰件等
新式铝合金在汽车上的应用快速凝固铝合金
快速凝固条件下(冷速达104~109℃/S),资料将引起一些组织结构上的新特点:超细化的微观组织;提高合金的固溶度极限;成分的高度平均、少偏析或无偏析;形成新的亚稳相等。基于
这些特点,快速凝固铝合金必然会在汽车行业获取应用。Sumitomo电器公司利用快速凝固PMAI-Si-X
高硅铝合金取代烧结钢,大批量制造汽车空调压缩机转子和叶片,使转子重量减少60%,整个压缩机重量减少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
通铸铁对照,重量减少了20%,寿命提高了30%,而且明显降低了噪音,减少污染;马自达汽车公
司利用发射聚积Al-Si-Fe-Cu-Mg合金制造了一种新式发动机转子,提高了发动机效率,能节油20%。铝基复合资料
以陶瓷纤维、晶须、微粒等为增强资料,生产铝基复合资料,其比强度、比弹性模量、耐
热性、耐磨性等大幅度提高,可用做发动机部件,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,可进一步改进活塞的强度、耐磨
性、耐热性和抗疲倦性能,用于汽车发动机上;其他,颗粒增强铝基复合资料还可用于制造车辆发动机的汽缸体、活塞和连杆等部件。
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资料,这种资料的质量更轻、强重比更高,并拥有高的吸能特点、高的阻尼特点和吸振特点。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、轻量化并改进保温性能,用在保险杠、纵梁和一些支柱部件上时,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。
铝合金在汽车上的发展远景
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,且部件制造过程中还有许
多技术阻挡,如缺少高温压铸合金和设计数据,表面办理技术粗劣,结合水平低等,因此当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,以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、可连续发展(地壳中铝含量最多,占%)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资料。
铝材取代铸铁和钢材部件的质量比较
部件名称
铸铁件质
铸铝件质
质量比
部件名称
钢件质量
铝件质量
质量比
量
量
(铁:铝)
(钢:铝)
进气歧管
~
~
(~2):1
前后上操
:1
纵杆
汽缸体
80~120
~
(~):1
悬挂支架
:1
发动机罩
18~27
~
(~):1
转向控制
:1
杆
转向机壳
~
~
(~):1
万向接头
:1
变速器壳
~
~
(~):1
托架
:1
制动鼓
~
~
(~):1
吸振轴承
:1
水泵壳
~
~
(~):1
悬挂支架
:1
轴承
油泵壳
~
~
(~):1
转向杆
:1
轴承
从上表可知,汽车每使用1kg铝,可减少自重kg,减重效应高达125%,在汽车整个使用寿
命周期内可减少废气排放20kg。其他,铝回收简略,是除钢铁以外能最大限度从上表可知,汽车每
使用1kg铝,可减少自重kg,减重效应高达125%,在汽车整个使用寿命周期内可减少废气排放20
kg。其他,铝回收简略,是除钢铁以外能最大限度回收利用的资料,几乎90%的汽车用铝可以回收
并循环利用。铝拥有优异的物理和化学性能,工业生产中的铸、锻、冲工艺均能适用,是可采用多种铸造工艺制造部件的少许几种金属资料之一,最适于应用广泛的压力铸造工艺。但铝合金的成本仍高于钢铁资料。回收利用的资料,几乎90%的汽车用铝可以回收并循环利用。铝拥有优异的物理和化学性能,工业生产中的铸、锻、冲工艺均能适用,是可采用多种铸造工艺制造部件的少许几种金属资料之一,最适于应用广泛的压力铸造工艺。但铝合金的成本仍高于钢铁资料。
车身的重量约为汽车总重量的30%,故车身的轻量化据有举足轻重的地位。在汽车内外板上用铝合金板取代钢板可使车身减重约40%-50%;如采用铝合金覆盖件整车减重10%-15%,可见采用铝合金车身板的减重收效十分明显。铝合金在汽车轻量化应用方面供应了很好的应用基础和市场前
景,必然为铝合金汽车覆盖件的应用带来更大时机。因此,用铝合金板取代钢板制造车身覆盖件也是汽车轻量化的必然之路。
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对照,质量减少30-50%,油耗减低5-8%。
日本本田公司生产的Insighthybrid轿车车身用铝合金达162kg,比钢车身减重约40%。
捷豹XJ的基础车身就是铝合金资料,在保证了强度的同时,提高了空间体积,还使整车的灵便性获取了最大限度的保留。就铝板覆盖件的应用发展趋势看,强度高、成形加工性好、表面质量优异的铝板将取代钢板成为汽车覆盖件的主要资料。
当前,我国汽车生产量继美国、日本、德国此后,居世界第四位。而在汽车铝化率方面,我
国的技术还相比较较落后。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
车上铝材的使用与外国差距很大,平均用铝量仅为60kg,铝化率不到5%。因此,我国汽车用铝合金市场的发展远景特别广阔。
铝合金应用的主要阻挡
在汽车中扩大铝合金的应用将会产生巨大的经济效益和社会效益,但当前还有以下亟待解决:
(1)铝合金板材的性能尚需提高
(2)建立汽车用铝合金的数据库
(3)研发铝合金部件的设计方法、结构计算方法、成形工艺的
(4)计算机模拟以及焊接工艺方法
(5)研究铝合金资料的表面形态、油漆前的前办理、油漆后的防
(6)腐收效等问题,积累数据为铝合金应用时工艺的拟定供应基础数据
7)维修市场对经碰撞后的铝合金结构件和覆盖件的复原、恢复原则以及开裂后的补焊等均缺少经验和方法。