铝合金材料的应用领域

1铝合金材料的应用领域一、铝合金材料在汽车领域的应用从高速、舒适、美观、耐用、轻量化、节能、保护环境、降低综合成本等综合性能方面来看，铝合金无疑是汽车工业现代化和轻量化的首选材料，世界许多国家都在致力于汽车用铝合金的研究。汽车自重每降低100kg，油耗就可以减少0.7L/km。因此，以铝合金代替钢铁材料，最大限度地减轻汽车的自重也就成为当前的研究热点。从第一辆全铝车身奥迪A8问世，到捷豹的JaguarXJ，再到2012款新路虎极光揽胜发售，全铝车身加工工艺及技术正在不断走向成熟。不过，运用铝合金也面临不少问题，比如，铝合金加工难度比钢材高，成型性还需继续改善；由于铝导热性好，导致铝合金的焊接性能差；另外，成本控制对铝合金的应用非常重要，因此，全铝车身仅限于高端车型中。随着能源和环境危机的不断加剧，各国节能减排法规不断提高规范要求，铝合金作为汽车轻量化新材料将应用在更多的车型上，在工业化生产与设计中，钢铝混合车身的应用将成为主流。1、汽车用铝合金材料的品种构成：世界各国工业用铝合金材料的品种结构虽然有一定差异，但大体是相同的，所用的铝合金材料基本上属两大类，铸造铝合金和变形铝合金，前者用于生产各类铸件，后者用于生产各类加工材（如板，带，箔，型，棒，线）及锻件，各类加工材一般都需经过进一步加工才能成为汽车零部件。其品种构成：铸件占80%左右，锻件只占1％－3％其余为加工材。2铸造铝合金材料生产的各类铝合金铸件．主要用于发动机上的部分零件（如活塞、缸盖等）以及变速箱、制动器、转向器等部件上的部分铝合金铸件。近年来，由于发动机缸体、变速箱壳体、轮毂等一批大型铝合金汽车零件（见表1）的应用．使得汽车用铸造铝合金材料获得了飞速的发展。变形铝合金材料主要用在汽车的散热系统、车身、底盘等部位上（见表2）如汽车水箱、汽车空调器的蒸发器和冷凝器等，主要是用铝合金带、箔材及管材；车身各部位（如发动机罩、行李箱盖、车身顶板、车身侧板、挡泥板、地板等从及底盘等则多用板材、挤压型材，近年来、由于汽车散热系统、车身铝合金化进程加快使汽车用变形铝合金材料也在迅速增长，最近十年汽车用铝合金材料各品种中加工材增加最为显著，达4倍（其中带材4.6倍，挤压材4倍），锻件增长更快，近5年增长了15倍。表1汽车主要部件系统中的铝铸件部件系统零件名称发动机系统发动机缸体、缸盖、活塞、进气歧管、水泵壳、油泵壳、发动机売、起动机壳、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、连接过度板、传动箱换档端盖等底盘系统横梁、上下臂、转向机壳、抽动总泵壳、抽动分泵売、制动钳、车轮等其它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系统部件等3表2变形铝材在汽车上的应用的主要部件系统部件系统零件名称轿车车身系统部件发动机罩、车顶棚、车门、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件等热交换器系统部件发动机散热器、机油散热器、中冷器、空调冷凝器和蒸发器等其它系统部件（箱式货车）冲压车轮、座椅、保险杠、车箱底板及装饰件等箱顶板、箱侧板、箱底板、侧面支杆、包角条等2、汽车主要零部件铝化趋势：为了大幅度减轻车重，人们正急于研究对占车重比例大的车身（约30％）、发动机（约18％）、传动系统（15％）、行走系统（约16％）、车轮（约5％）等钢铁零件改用铝材。最近出现了从发动机罩、翼子板等部分车身铝外板发展为全部采用铝外板的汽车。获得了减轻车重40％－50％（相对钢板而言）的效果。2.1车身板件的铝材化及铝合金用于车身板的铝合金主要有2XXX系、5XXX系和6XXX系。其中2XXX系列和6XXX系列是热处理可强化的。而5XXX系是热处理不可强化合金。所含合金以及工艺特性如表3所示。前者通过涂装，烘干工序后强度得到提高。所以用于外板等要求强度、刚性的部位。后者成形性优良，用于内板等形状复杂的部位。开发的低密度、高强度、高弹性模量和超塑性优良的Al-Li合金，以及基于低噪音的需要并有助于轻量化而开发的铝防震板等，也用于车身壁板。4表3变形铝合金材料及其工艺特征材料系列合金系工艺特性2XXX系AI－Cu－Mg可热处理强化，具有良好的锻造性较高的强度，良好的焊接性以及一定的烘烤硬化性5XXX系AI－Mg不可热处理强化，强度较低，有良好的塑性变形能力6XXX系Al－Mg－Si可热处理强化，强度适中，冲压成形性能好，耐腐蚀性好，容易涂装着色综合性能良好2.2铝空间框架结构车体及铝材目前，世界各国都在积极推进车身、车体主要部位的铝材化，采用铝材制造有特性的汽车。近年来提出的铝观念车，在车体结构上大多数采取无骨架式结构和空间框架式结构，适用的材料有板材、挤压型材、钎焊蜂巢状夹层材料等。从设计的自由度（特性化）、成本、轻型化、安全性等方面考虑，制造小批量、多品种的汽车时，以铝挤压型材为主体的空间框架结构发展最大。在空间框架中一般用现有的中国铝材便可满足要求，板材一般用5052、5251、5182和6009等耐蚀性优良、加工性能良好的合金。挤压型材主要的采用空心材，关键的问题是薄壁化、强度适当、与其它材料易组合，结合部断面形状设计合理等。蜂巢状夹层板也逐渐得到广泛应用，这种板是由涂有硬钎焊料的薄板作为蜂巢状夹层结构的芯材及面板组成，除重量轻、刚性高外，高温强度、耐热性、耐蚀性等也很好，而且可以进行焊接，表面处理和弯曲加工。2.3热交换器的铝材化从铝的特性看，热交换器是最适于用铝制造的部件。铝散热器的重量比铜的下降37％～45％，铜材价格远比铝材价格要高，而两者5的加工费几乎相当。因此，日本和美国的汽车空调器完全采用铝材。散热器的铝化率，欧洲达到90％－100％，美国达到70％－80％，日本达到50％－60％。我国的铝制散热器、内冷却器、油冷却器、加热器心部等也在迅速普及。根据轻量化、小型化、提高散热性、保证防蚀等需要，热交换器在结构上积极进行改进，从带有波纹的蛇型改为薄壁并流型、德朗杯型、单箱型等。在材料方面也在积极进行改进，例如为改善因薄壁化导致的强度降低，采用Al－Mn－Cr－Zr系合金和Al－Mn－Si－Fe系合金；根据牺牲阳极保护作用改进化学成分来进一步提高耐蚀性；开发了多层复合材料（Al－Mn涂层结构）；用钎焊方法进行成分调整等达到防蚀目的。2.4行走系统部件的铝化（1）铝合金车轮近年来，铝车轮的尺寸有大型化的倾向，直径从355.60毫米向381～531.80毫米发展。此外，从防滑、制动装置的安装普及率等来看，为了减少非悬挂重量，正在加速安装铝合金车轮，目前国外汽车的安装率较高，我国的比率呈上涨趋势，但是，重型汽车运用甚少。现在车轮主要采用重力铸造、低压铸造。但是，为了实现轻量化，将来要向薄型化、刚性优良的压力铸造、挤压铸造法转移。另一方面，为了进步减轻重量，用铝板冲压加工、旋压加工做成整体车轮和两部分组合车轮，已在实际生产中采用。这种用6061合金制成比钢板冲压车轮重量减轻50％，旋压加工所需时间不到90秒/个，不需要组装6作业，适用大批量生产。对这种车轮进行评价的结果表明，它具有和轧材同样的强度，和铸件同样的经济性。重型车的铝车轮一般用模锻法制造。（2）悬挂系零件的铝材化减轻悬挂系重量时，要兼顾行驶性、乘座舒适性等，其相应部件的轻量化、铝材化应和其机构的改进同时进行。例如，下臂、上臂、横梁、转向节类零件，还有盘式抽动器卡爪等已用铝锻件、铝挤压铸造件等，重量比钢件轻40％－50％；动力传动框架，发动机安装托架等己用板材（6061使其轻量化）；对保险杠、套管等，已用薄壁、刚性高的双、三层空心挤压型材（7021、7003、7029和7129）；传动系统中传动轴、半轴、差速器箱在采用铝材轻量化和减少振动上，取得了很大进展。二、铝合金材料在建筑领域的应用中国铝材消费的第一大领域仍是建筑领域。铝在建筑领域的应用拥有坚实的基础和广阔的发展空间：大力推广以铝代钢、以铝节木和绿色建筑等，促进铝合金在建筑领域的应用升级转型。目前，我国仅有60－80家注册的铝模板企业，2013年铝模板产量仅占建筑用模板总量的1％。随着铝模板的应用越来越多，如果10％的建筑模板改为铝模板的应用，那么铝合金的用量能达到约2000kt。工信部正在制定相关标准和规范，极大推动铝模板在建筑领域的应用。据中国有色金属工业协会统计，我国建筑彩钢板消耗量为20000～30000kt/a。若全部用铝代替，可消耗10000kt铝材。《有色金属行业7“十三五”发展规划》和《铝工业“十三五”发展规划》指出，我国将继续鼓励扩大建筑铝模板、铝结构活动板房、泡沫铝抗震房屋的应用，并大力鼓励支持铝模板企业向西部地区转移，扩展西部市场并降低生产成本。预计在未来的25～30年内，在我国有很大发展空间的仍是民用建筑铝型材，估计年增长率8%—10%；而国外已基本饱和，年增长率仅为2%—3%。铝合金建筑材料主要用作建筑门窗、幕墙、室内外装饰用、隔热铝型材、结构用等。1、玻璃幕墙用铝合金型材随着我国建筑领域对幕墙使用的普及程度逐渐加强。各种材质的幕墙形式的应用也受到了社会各界的关注，其中玻璃幕墙是我国目前市面上具有整体性、弹性连接、质量轻盈以及便于施工等特点，因此使用的建筑也非常多，而铝合金型材是玻璃幕墙施工的主要材料之一。玻璃幕墙铝合金型材的作用是为了保障幕墙本身力学性能的达成，也就是幕墙的稳定性、承载力和刚度等性能的实现，而且金属外观的铝合金型材，不论是在外观和实用上都是玻璃幕墙的最佳选择。我国目前可供玻璃幕墙实用的铝合金型材有多个系列选择，在使用功能上分为横料、竖料、启闭件、固定件以及辅助件等不同种类。1.1玻璃幕墙用铝合金型材的强度选用要求根据我国建筑行业对玻璃幕墙工程技术的相关规范，铝合金型材的强度设计值应当在根据实际的工程情况而定，具体数值参考如下。8铝合金牌号状态强度设计值受拉、受压受剪LD30CZ84.248.9CS191.1110.8LD30RCS84.248.9CS138.380.21.2玻璃幕墙用铝合金型材的稳定性选用要求铝合金型材的稳定性和刚度是指在可以为玻璃幕墙降低恶劣环境下出现损伤的几率，玻璃幕墙会在遇到不同形式的荷载情况下出现板块、启闭件等构件脱落或者撕裂的现象，甚至可能出现整个建筑构件的拔脱和破坏，因此在选择玻璃墙使用的铝合金型材时需要考虑到连接件的承载力和刚度，避免出现主体结构位移的现象，也能降低玻璃幕墙在地震、温差以及其他极端气候下的破坏和变形，影响到建筑整体的质量和安全。2、铝合金装饰板作为国内异军突起的新型内外墙装饰材料，铝合金装饰板综合了铝合金板材、高质量保温材料和热喷塑技术的多方优点。由于装饰板是铝合金薄板经热喷塑压花、成型、剪裁等工序加工而成，故具有极大的适用性，根据现场要求而“量体裁衣”，大大节省了型材，降低了边角料的损耗。3、隔热铝型材隔热穿条铝型材是由铝合金型材和热塑性混合材料隔热条组合而成；滚压式隔热铝合金型材是以隔热性能好的高密度聚酰胺6788胶条或聚氯乙烯硬质塑料胶条经穿条滚压加工；发泡式隔热铝型材是利用隔热条把内、外层铝型材连接嵌装成一体，在形成的隔热腔内填9充聚氨酯泡沫，成为隔热铝合金型材的“冷桥”、达到保温、节能的功效。隔热铝合金型材将是种发展潜力很大的新型隔热材料。4、结构用铝型材钢材作为土木工程应用较为广泛的结构材料之但钢桥长期为因其耐腐蚀性差而引起的耐久性问题所困扰。相对而言，由于铝合金具有密度小、强重比高、耐腐蚀、焊接性能好、维护费用低及可循环利用等诸多优点，在结构工程中越来越引起人们的兴趣与重视。三、铝合金材料在轨道交通领域的应用随着我国高铁系统的建设和城市轨道交通系统的发展提速，铝合金车体在轨道车辆领域应用越发广泛，铝型材和铝板材成为轨道车辆车体的主要主体材料。2015—2020年，国内客运专线约需高速列车2.8万辆，每辆车约需铝型材11t，净需铝型材约31万t。近年来，虽然我国轨道交通车辆用铝材需求量呈上升趋势，但随着轨道交通用铝型材项目的不断推进，目前我国轨道交通车辆用铝型材产能己趋于饱和。轨道车辆用铝合金主要为大型扁宽、