汽车轻量化技术-铝合金

汽车轻量化技术铝合金主要内容汽车轻量化背景1铝合金基础知识2汽车用铝合金现状3铝合金汽车板工艺4轻量化发展方向5一、汽车轻量化背景1.1轻量化的必然性•汽车质量每减轻１%，可节省燃料消耗0.6％~1.0%；•车辆每减重100kg，CO2排放量可减少约5g/km，在轿车中每使用1kg铝，可在其使用寿命期内减少20kg尾气排放；•汽车尾气排放与油耗成正相关；•现有汽车越来越高级化，附加装置也越来越多。同样使得轻量化成了必然。1.2汽车轻量化的主要对象由表2可以知：发动机、底盘、车身及内外装占轿车总质量的比例较大,减重潜力也较大。轿车车身是轿车中重量较大的部件，约占汽车总重量的30％，所以车身的铝化举足轻重。表2轿车各部分的质量比例名称发动机底盘（除传动系）车身传动系内装外装其他质量比例（%）10~1519~2420~285~1020~258~13铝合金车身板的应用及减重效果1.3轻量化的手段(1)优化汽车车身框架结构；(2)用高强度轻质材料代替传统的钢铁材料。主要有：1.高强度钢板2.铝合金3.镁合金4.钛合金5.高分子材料6.新型复合材料二、铝合金基础知识2.1铝合金的特点：铝的密度小（2.7g/cm³），约为钢（7.8g/cm³）的1/3。用铝合金代钢铁可减重50%左右,由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜（钝化），所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形状的零件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa。导热率和导电率是钢的3倍。2.2铝合金分类根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。2.3纯铝与铝合金牌号表2纯铝与铝合金牌号2.4铝及铝合金的分类2.5铝及铝合金材料分类2.6铝合金基础代号变形铝及铝合金状态代号命名的基本原则基础状态代号用一个英文大写字母表示；细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯数字表示2.7铝及铝合金热处理分类铝及铝合金热处理回归均匀化退火退火成品退火中间退火过时效欠时效自然时效人工时效多级时效时效固溶淬火离线淬火在线淬火一次淬火阶段淬火立式淬火卧式淬火退火产品加热到一定温度并保温到一定时间后以一定的冷却速度冷却到室温。通过原子扩散、迁移，使之组织更加均匀、稳定、，内应力消除，可大大提高材料的塑性，但强度会降低。固溶淬火处理将可热处理强化的铝合金材料加热到较高的温度并保持一定的时间，使材料中的第二相或其它可溶成分充分溶解到铝基体中，形成过饱和固溶体，然后以快冷的方法将这种过饱和固溶体保持到室温，它是一种不稳定的状态，因处于高能位状态，溶质原子随时有析出的可能。但此时材料塑性较高，可进行冷加工或矫直工序。时效经固溶淬火后的材料，在室温或较高温度下保持一段时间，不稳定的过饱和固溶体会进行分解，第二相粒子会从过饱和固溶体中析出（或沉淀），分布在α（Al）铝晶粒周边，从而产生强化作用称之为析出（沉淀）强化。回归时效型合金在时效强化后，于平衡相或过渡相的固溶度曲线以下某一温度加热，时效硬化现象会立即消除，硬度基本上恢复到固溶处理状态，这种现象称为回归。合金回归后，再次进行时效时，仍可重新产生硬化，但时效速度减慢，其余变化不大。三、汽车用铝合金现状3.1在汽车上的应用范围铸造铝合金与变形铝合金都在汽车中获得了应用，但是以前者为主。当前铝合金的铸件主要用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。变形铝合金适合压力加工，通过冷变形和热处理可使其强度进一步提高。可制成板材、管材、棒材以及各种形状的型材。变形铝合金主要用于汽车车身。包括：发动机罩、车顶棚、车门、翼子板、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件。过去用于轿车车身的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)anAl-Mg-Si(6000系)三大系列除标准铝合金外，一些铝合金公司与汽车制造者还研发了一批具有某些特殊性能的非标准铝合金。常用标准汽车铝合金如下表所示。1×××系~8×××系在汽车制造中都或多或少的获得了应用。C:\Users\Administrator\Desktop\汽车制造中常用铝合金.docx在美国，95%以上的油罐车用铝材料制造美国生产的全铝自卸车美铝与宇通合作研发的新一代节能环保大巴的铝合金挤压框架结构。全铝公用全铝公共汽车铝件的减重效果标示图。与钢结构相比，框架、轮毂。车身钣金件、内饰件分别减重800kg、170kg、550kg、400kg，合计减重量近2吨。减重近46%。美铝公司和宇通公司合作研发的全铝公共汽车用铝部位图沃尔沃S70的车门外板宝马M3的发动机盖板使用NovelisFusionAF350生产的汽车车门内板全铝轿车车身空间框架示意图奥迪的空间框架铝合金车身结构技术铝合金车身结构沃尔沃越野车纵梁宝马汽车后车架奥迪公司的油底壳奥迪公司的侧面车架国外品牌汽车铝合金防撞梁、吸能盒3.2应用现状国外的应用现状美国：1994年用铝量为87kg/辆，2000年达到116kg/辆，2006年达到了145kg/辆。2000年到2006年6年中的年平均增长率为3.7％。同期（2006年），欧洲、日本轻型汽车中的用铝量分别为259.28磅/辆（117.6kg/辆）和251.33磅/辆（114.0kg/辆），6年中的CAGR分别为5％和3％，可见，在过去的几年当中，欧洲是汽车用铝发展最为迅速的地区。在近年来出现的全铝车身以及铝密集型汽车中，铝的比例越来越高。以福特P2000为例：其在白车身和外板上均使用铝合金。用铝量达到了332kg。奥迪A8则达到了创纪录的546kg。车身板用铝合金：用铝合金材料来制造汽车车身板,要求既具有一定的强度性能,又具有良好的冲压成形性能,还要具有良好的焊接性能、抗腐蚀性能,可以在涂漆后的烘烤期间发生完全的沉淀硬化作用。车身框架用铝合金：近年来提出的全铝车身结构中，车体结构上大多数采取无骨架式结构和空间框架式结构,以铝挤压型材为主体的空间框架结构大有发展前途。挤压型材主要是采用空心材。2×××系铝合金2000系铝合金属于Al-Cu-Mg系，具有优良的锻造性、高的强度、良好的焊接性能，可热处理强化等特点。但其抗蚀性比其他铝合金的差。2000系合金中，2036合金已广泛用于生产车身板。目前2036和2022合金已部分用于汽车车身板材,如法国贝西内公司2000系的AU2G-T4,美国雷伊路菲公司的2036-T4等。5×××系铝合金5000系合金中Al-Mg合金具有良好的抗腐蚀性和焊接性能,但退火状态的Al-Mg合金在加工变形时可能产生吕德斯线和延迟屈服,因此主要用于车身内板等形状复杂的部位。目前,HANV金属公司开发的HANV5182-O材料、美国ALCOA公司开发的X5085-O及5182-O等材料已用于汽车车身内板。6×××系铝合金6000系铝合金强度高，塑性好，具有优良的耐蚀性，综合性能好。美国70年代就研制了6009和6010汽车车身板铝合金,塑性好,成形后经喷漆烘烤可实现人工时效强化获得更高的强度,用于汽车的内外层壁板,目前已在轿车上广泛使用。AudiA8的车身板,即采用了本系铝合金。另外为增强汽车的缓冲能力和增强抗疲劳强度,德国VAW、日本KOK、中国西南铝加工集团均以此系合金为基础,研制和开发了高性能的汽车用铝板和铝型材。这种复杂断面形状的铝合金型材,不仅具有质量轻、强度高和抗冲击性好等特点,而且具有很好的挤压成形性能,容易制作,所以在汽车上将得到广泛应用。目前,国外铝制车体大型材用铝合金主要采用6000系列合金,如：6009、6010、6111、6181A等,美国汽车制造商多选用具有较高强度的6111,欧洲更多采用具有较好成形性能的6016。日本为了达到缓冲目的、增加抗冲击强度,十分注重使用6000系的高强度合金“口”、“日”、“目”、“田”字形状的薄壁和中空型材,研制开发高性能的汽车用铝板和增强缓冲性能的铝挤压型材。美国通用公司的IMPACT牌轿车车身是铝材制造的。整个车身零件仅168种（原型为225种，最少的也有200种以上）冲压件占40%,车身有2000个焊点,120个铆接点,质量仅134kg。IMPACT的基本结构是一个被挤压的铝制模型，其大部分由高强度胶粘剂和常规焊接来粘合。德国：奥迪车系早在1994年奥迪汽车公司开发了第一代AudiA8全铝空间框架结构（ASF），ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平，但汽车自身的重量减轻了大约40%。随后于1999年在这里诞生的奥迪A2，成为首批采用该技术的量产车。该车车身采用全铝空间框架，前柱采用高压铸铝新技术制成。它的车身重895kg，比这种型式同样大小的车的通常重量轻150kg。燃油消耗也低于那些相似性能的车。奥迪A2第二代铝合金ASF车身奥迪A8第一代铝合金ASF车身新奥迪A8第二代铝合金ASF车身2011年奥迪A8整个白车车身300.7kg，相当于普通B级车身质量的80%。车身铝合金板钣金件47.6%；车身挤压型材结构件18.5%；车身铸造铝合金连接件27%；其他6.9%；铝合金板钣金件155件；挤压铝型材件30件；铸铝件25件。在全新一代A8上，ASF车身也经过了改良，部分铝合金的厚度比老款的更薄，车身重量也因此降低了6.5kg。此外，新奥迪A8的车身在更轻的同时，整体刚性也比老款提升了25%左右。ASF车身在构造上遵循了仿生学原理，从自然界中吸取灵感。车身骨架由铝质的挤压型材和压铸零件构成。由铝挤压成型的多种盒形断面的梁构成空间框架,称为ASF。这种梁有直的也有弯曲的,梁的壁厚比相同尺寸的钢要增加一倍。ASF全铝车身的各部件通过冲压铆接、自攻螺钉和粘结等方式连接，组装自动化水平已达80%日本：日本的NSX超级跑车NSX于1991款车型正式发售，首批量产车型配置全铝底盘和车身，在保持和钢制车身同等强度下，自重却减轻了200kg。国内的应用现状：我国已经成为世界汽车工业大国，2012年我国汽车总产量将超过1800万辆。因此汽车车身用铝的研究和开发必将带来巨大的经济效益和社会效益。国内单车的铝合金用量在6％左右，与国外还有一定的差距，基本以铸造铝合金为主。由于成本、零部件资源等因素的限制，变形铝合金（锻造铝合金和铝合金板材）的应用受到一定的制约。国内汽车用铝材发展的也不平衡，铝轮毂发展过热，汽车车身板材基本属于空白。我国汽车车身用铝还处于研制、引进、吸收、消化的阶段。因此我国的汽车工业必须瞄准国际先进水平,对汽车用铝合金的性能和生产工艺进行更深入的研究开发。随着合金加工技术和新型合金的不断开发,变形铝合金应用一定会越来越多，技术也更加成熟。车身重量仅有450kg，最高车速可达85公里/小时；一次充电4小时可行驶150公里，而耗电却只有6度。这辆由苏州市奥杰汽车技术有限公司自主研发的全新电动汽车亮相2010年第六届北京国际电动汽车展览会。由于是国内首款采用铝制骨架车身的电动汽车，该车一经发布立即受到业内关注。四、铝合金汽车板工艺4.1铝合金汽车板的性能要求良好的力学性能与成形性一定的抗时效稳定性良好的烘烤硬化性高的抗凹痕性良好的翻边延性较好的表面光鲜性良好的表面处理及涂装性能常用铝合金汽车车身板的种类２系合金是可热处理强化合金，具有良好的成形性和较高的强度，但抗蚀性差，烘烤硬化能力低，主要用于汽车内板；5系合金是非热处理强化合金，铝板冲压成形后表面容易起皱，且延展性和弯曲能力也有所欠缺，多用于内板；6系合金是可热处理强化合金，具有良好的成形性、烘烤硬化性，是目前汽车板材的主要研究方向。表4-1汽车车体用铝合金国际牌号和化学成分（质量%）应用于汽车车身的6系和5系铝合金对比如前所述，铝合金汽车