铝合金零部件都用在汽车的哪些部位？对于轻量化有什么优势？

2021-12-06 15:55:48 来源：铝加工

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简介：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。

铝合金作为典型的轻质金属广泛应用于国外汽车上，国外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。
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。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，气阀结构成为发动机的主流设计趋势。
与两气阀发动机相比，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办法。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。
在目前的形式下，在发动机上采用铝合金替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。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%。
一铸造铝合金的应用
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 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。

德国大众先进的6.0L W12发动机采用的基本上都是铝镁合金，奥迪A8L 6.0 quattro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的强劲动力，使其单位马力需加速的重量仅为4.7kg，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。目前广泛应用于凯迪拉克上的4.6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。
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%。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。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。

1.3 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。
1.3.1 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。
1.3.2 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。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。

二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。
三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。

从上表可知，汽车每使用1 kg铝，可减轻自重2.25 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。此外，铝回收简便，是除钢铁以外能最大限度从上表可知，汽车每使用1 kg铝，可减轻自重2.25 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。此外，铝回收简便，是除钢铁以外能最大限度回收利用的材料，几乎90%的汽车用铝可以回收并循环利用。铝具有良好的物理和化学性能，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零件的少数几种金属材料之一，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材料。回收利用的材料，几乎90%的汽车用铝可以回收并循环利用。铝具有良好的物理和化学性能，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零件的少数几种金属材料之一，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材料。车身的重量约为汽车总重量的30%，故车身的轻量化占有举足轻重的地位。在汽车内外板上用铝合金板代替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效果十分显著。铝合金在汽车轻量化应用方面提供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机遇。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相比，质量减轻30-50%，油耗减低5-8%。

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%。因此，我国汽车用铝合金市场的发展前景非常广阔。
四铝合金应用的主要障碍
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，但目前尚有以下亟待解决:
(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)研发铝合金零件的设计方法、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)研究铝合金材料的表面形态、油漆前的前处理、油漆后的防 ;(6)腐效果等问题，积累数据为铝合金应用时工艺的制定提供基础数据 ;(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乏经验和方法。