铝合金在汽车车体上的应用现状及发展趋势探讨

金属材料广西轻工业2009年25卷1期摘要铝合金在汽车车体上的应用现状及发展趋势探讨作者：蔡其刚(奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖241009)减小字体增大字体【摘要】介绍了目前国内外汽车工业中铝材的应用优势及其主要障碍，通过使用铝材来代替传统的钢铁材料，可大大减轻汽车自重以降低能耗、减少环境污染、提高汽车的燃油经济性。并对铝材的发展趋势做了预测。【关键词】铝合金；现状；发展趋势1引言世界汽车工业正面临越来越严峻的三大课题：能源、环保、安全。减轻汽车自重以降低能耗，减少环境污染，提高汽车的燃料经济性，节约有限资源已成为各大汽车厂关注的焦点。轻量化是汽车发展的一个重要趋势，通过使用轻质材料来替代传统的钢铁材料，可以减轻汽车的质量，以达到节省燃料的目的。世界铝业协会的报告指出：汽车所用燃料的60%消耗于汽车自重，整车每减轻10%，可降低油耗10%~15%。而日益苛刻的安全法规要求我们用提高汽车主动安全性（使用安全气囊、安全带、安全制动系统、降低汽车整备质量以及缩短制动距离）和被动安全性（使用能有效吸收正面和侧面碰撞能量的材料）的眼光来完善汽车的安全设计。因此，越来越多的轻质或高比强度的材料受到汽车设计者的关注，如高强度钢板、铝合金、SMC等。本文就汽车用铝合金材料的现状及发展趋势做些讨论。2铝合金的特点及其应用优势2.1铝合金的特点铝的密度小，仅为2.7(属轻金属)，约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜，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，与低碳钢相比，比强度（强度与密度之比）则胜过某些合金钢。2.2铝合金在汽车上的应用优势（1）汽车轻量化，节能降耗，有利环保。（2）汽车铝合金零部件回收再利用率高。铝合金熔点低，便于重熔回收，目前回收率不低于90%。（3）安全舒适。铝合金汽车是在不降低汽车容量的情况下减轻汽车自重，车身重心减低，汽车行驶更稳定、舒适。由于铝合金汽车轻便，质量小，故碰撞时的能量相对钢体汽车小了许多。此外，由于铝合金材料性能及车身构造，能充分吸收撞击时的能量，故而更加安全。（4）减少工序，提高装配效率。铝合金汽车整体构架，焊点少，减少了加工工序，铝合金整体车身比钢铁焊接车身约轻35%，且无需防锈处理，只有25%~35%的部件需点焊，因而可大幅度提高汽车的装配效率；（5）提高燃油效率，加大载重能力。铝合金在汽车上的应用可大大降低车身重量，相同的燃油，铝合金汽车比普通钢体汽车行驶的路程要远，提高了燃油效率。此外，减重的同时等于提高了汽车的载重量，可增大汽车的运输效率，降低运输成本。3铝合金在汽车车体上的应用现状在全世界要求节能环保的呼声日益高涨的大形势下，汽车工业正向轻量化、低能耗方向发展。铝及其合金作为汽车轻量化的首选材料，具有其他材料无法比拟的优良性能。从70年代开始，汽车（尤其是轿车）上用铝量不断增加。作为一种轻质材料，铝合金正日益受到汽车制造企业的青睐。表1列出了轿车车身传统用Al-Cu-Mg（2xxx系），Al-Mg（5xxx系），Al-Mg-Si（6xxx系）铝合金板和钢板的冲压性能指标。由表可以看出，铝合金板的冲压成形性能已基本接近或在某些方面超过了钢板，可以代替钢板作为汽车车身板。表1轿车车身板用铝合金的成形性能材料总伸长率%均匀伸长率%n值r值杯突值m2002-T426.020.00.250.639.62117-T425.020.00.250.599.62036-T424.020.00.230.759.12037-T425.020.00.240.709.45182-O26.019.00.330.809.95182-SSF24.019.00.310.679.76009-T425.020.00.230.709.76010-T424.019.00.220.709.1深冲钢42.220.20.231.3911.93.1国外的应用情况下表（表2）列出了铝合金在汽车上的应用历程。表2铝合金在汽车上的应用历程年代国家或地区车型用途1896（最早）印度汽车曲轴箱20世纪初欧美亨利.福特Model型汽车铝质车身20世纪20～30年代欧美法拉利360等赛车铝质车身20世纪30年代起欧美汽车车轮、悬架和其他部件1941～1945年欧美汽车每辆平均用铝5.40kg1971年欧美汽车每辆平均用铝34.65kg2001年欧美汽车每辆平均用铝112.50kg2002年欧美汽车每辆平均用铝120.60kg2005年欧美汽车每辆平均用铝150kg现在几乎所有的世界各大汽车公司都争相开发铝合金车身零部件或全铝车身，表3为世界各大汽车公司开发的铝合金车身零部件。表3世界各大汽车公司开发的铝合金车身零部件国家汽车厂家汽车型号零件名称合金牌号英国罗孚RandeROVER前翼子板-美洲豹Leopard覆盖板内外板5000系列德国保时捷928覆盖件，翼子板AC120梅赛德斯-奔驰120SEC覆盖件，行李舱盖AC120,5000系列意大利法拉利Testarossa覆盖件，后翼子板5000、6000系列兰博基尼Countach所有外部装饰件5000、6000系列美国通用卡迪拉克覆盖件，顶盖AC120,5000系列瑞典沃尔沃760GLE覆盖件，活动顶5000、6000系列日本马自达SavannaRX-7覆盖件内板G4B覆盖件外板GZ45Roadster覆盖件内外板GC45Cosmo覆盖件内板KS5030日产300ZX覆盖件外板KS5030覆盖件内板TG-0.6Infiniti覆盖件内外板KS5030车身外板6000系列本田NSX车身内板5050车身框架5182丰田Celsior加强元件，折叠活顶5052隔热板1100美国铝公司研究表明，目前汽车上用铝大致为：铸铝77%，板材11%，挤压材12%。并且主要应用在发动机（缸体/缸盖/活塞）、热交换器（散热器/加热器/制冷机蒸发器/油冷却器/中间冷却器）、涡轮增压器、变速箱壳体、减震器、转向管柱、车架横梁、副车架、车轮及车身等部件上。3.2、国内的应用情况目前，国内汽车上用铝主要分布在发动机（如奇瑞自主知识产权的ACTECO系列发动机缸体/缸盖）、热交换器、轮毂、自动变速器壳体、转向管柱等部件上。而在车身上的应用尚处于起步阶段，但随着我国国民经济的迅猛发展，交通运输量发生了很大的变化。根据报导，2007年国内的轿车产量已经占到汽车总产量的53%，基本上实现了以轿车占主导地位的汽车工业产业结构调整。目前，世界上各大汽车公司都已经和中国建立了合作伙伴关系，其中包括世界上最大的美国通用汽车公司。我国研究6000系列的铝合金汽车板也才刚刚起步，其性能还不能够满足汽车板的要求。一汽集团曾经与美国福特公司联合设计的高级红旗轿车采用铝合金前仓盖，但是由于国内尚无铝合金汽车板的生产能力，最终还是用钢板替代。因此，开发高质量的铝合金汽车板已经迫在眉睫。如果汽车四门两盖的内外板都采用铝合金板材，整车铝合金板材就将达到40kg以上。目前，中国的轿车产量每年至少都有500万辆以上，这样每年就要消耗铝合金板材20万吨，市场前景非常广阔。虽然我国6000系列的铝合金汽车板材研究还有待提高，但是目前的发展时机已经很成熟，应该加快研究步伐，开发出具有自主知识产权的6000系列的铝合金汽车板材。今天，铝制品应用在汽车车体上时，为增加强度和降低无弹性变形危险系数，需要经过一个额外的热处理过程。但随着炼铝工艺技术的发展，铝合金的弯曲强度及回弹等性能参数均会进一步优化。4铝合金应用的主要障碍铝材应用在汽车上会遇到许多技术上的难题，加工难度比钢材大很多。例如轿车车身大部分的工件是靠冲压成形，如果用冲压钢板的方法上去冲压铝板，会出现裂缝和褶皱；典型的浅冲铝合金车身板的冲压性能与钢板基本相同。但是，由于铝合金深冲压性能较差，为防止断裂，应尽量减少集中拉伸，深拉时要进行良好的润滑并采用异形坯料，以促使金属顺利流进模具。铝合金的冲压成形模具与钢的几乎可以通用，但在必要时可将工具外形稍加修改以提供不同的反弹特性。对于某些特殊的铝合金可实施局部或分步作业，例如弯曲、下翻边、折边和空翻边等。轿车车身大部分的工件都是用焊接组装，而铝的焊接要比钢材难度大得多；铝合金和钢的连接特性主要有两点区别：一是铝合金的热导率和电导率是钢的3倍；二是铝点焊焊缝的强度是钢焊缝的1/2。由于焊接铝合金所需电流密度是钢的3倍左右，所以二者的焊接设备也不完全相同。铝合金的连续焊接（同时焊多个点）必须按顺序进行，但由于其焊接周期时间短（仅为钢的2/9），所以总的焊接时间与钢的相当。对于大型的强度和质量要求较高的铝合金部件之间的连接，应用的铝合金汽车板对质量要求比较高，外观要求表面光滑，表面粗糙度0.9~1.6微米，不允许板材表面有任何的明显痕迹。为了使零件在服役过程中不受恶劣环境的破坏，还要对零件进行电泳和喷涂，这就要求铝合金汽车板有较好的涂装附着力。涂装前对铝合金前舱盖的表面进行更细致的手工打磨。涂装工艺基本不需要变化。铝合金前舱盖完全可以和碳钢白车身整体进行电泳涂装，但是这样时间长了以后就会在电泳液里积存下大量的Al离子。只需要在电泳液里定期的添加氟化钠和氟化钾的混合物，形成富氯酸钠钾的沉淀物后移出磷化槽之外就可以吧Al离子除掉。此外，铝合金汽车板的价格是钢铁的5倍。一定程度上影响到铝合金的广泛使用。5结论汽车工业中，零部件的轻量化与高强度对于汽车节能降耗、提高安全系数具有显著作用，铝合金因为具有良好的成型性能和较好的强度、耐腐蚀性且成本低等优点，被越来越多地应用到汽车底盘、发动机及车身中。因此，提高汽车的用铝量，实现轻量化，已经成为当今汽车制造业技术进步的一个重要环节。预计在未来，国内外汽车工业对汽车用铝材的需求量会大大增加。参考文献[1]王洪俊.现代汽车制造业中的新材料开发及应用［J］.锻造与冲压，2007，225(9)：46-52.[2]敖炳秋.轻量化汽车材料技术的最新动态[R].世界汽车技术发展研究报告.中国汽车工程学会.[3]康明,褚东宁,敖炳秋.北美汽车材料的研究及应用动态[J].汽车工程，2003，25（4）：315-321.[4]黄天泽,黄金陵.汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，2003.[5]YuxuanLi。Automobilebodylightweightingresearchbasedoncrashworthinessnumercalsimulation[D].phDthesis，shanghaiJiaoTongUniversity，China：2003.[6]ZhuShi-feng，SongQi-feng.ResearchofCA1092autootivebodylightening［J］.AutomobTechnolMater，2002；9（8）：58-62.[7]陆刚,李兴普.现代车用材料应用手册[M].北京：中国电力出版社，2007.