鋁合金在汽車中的應(yīng)用與發(fā)展

黃言濤 鄧圓宏

摘要：隨著汽車使用率的急劇上升，能源消耗成了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，資源越來(lái)越少。鑒于輕質(zhì)鋁合金在汽車制造生產(chǎn)中的工業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外各個(gè)汽車設(shè)計(jì)制造公司也都紛紛做出了相關(guān)的研究與分析。本文主要通過(guò)介紹鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用背景，鋁合金的人機(jī)工程、機(jī)械性能及其工藝性能，鋁合金在汽車應(yīng)用中的具體案例與應(yīng)用推測(cè)，鋁合金在汽車應(yīng)用中的發(fā)展前景等問(wèn)題來(lái)探究鋁合金在汽車中的相關(guān)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁合金；汽車制造；應(yīng)用前景

引言

鋁合金是輕質(zhì)金屬材料中的佼佼者，它是將鋁作為基礎(chǔ)元素，以其他元素作為輔助元素混合組成的金屬合金。它具有良好的耐腐蝕性，還具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度較高、比剛度高的優(yōu)良性能，并且可焊接。鋁合金是結(jié)構(gòu)材料中常用的一種金屬材料，在生活中隨處可見(jiàn)鋁合金的相關(guān)產(chǎn)品，它分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。良好的塑性和鑄造性造就了鋁合金高質(zhì)量、高效率的加工工藝，其在航天、航空、交通運(yùn)輸、建筑、機(jī)電中有著廣泛的應(yīng)用。然而，隨著人們生活水平的提高，對(duì)物質(zhì)的要求也逐步提高，汽車作為一種普遍與時(shí)尚兼具的交通工具，在生活中承擔(dān)著重要的角色，因此對(duì)汽車的外觀、性能等指標(biāo)有了更高的要求。鋁合金作為當(dāng)今輕質(zhì)金屬的代表和最具有現(xiàn)代感的金屬材料，在汽車制造中的應(yīng)用有著十分重要的研究意義。

1鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用背景

在這個(gè)日新月異的科技時(shí)代，科技高速發(fā)展的背后卻出現(xiàn)了能源危機(jī)，節(jié)能成了時(shí)代主題。在汽車制造行業(yè)中，以“減輕重量，減少耗油量”為競(jìng)爭(zhēng)手段，輕質(zhì)金屬的鋁合金便是汽車生產(chǎn)中不可缺少的重要材料。有資料表明，如果用鋁合金取代鋼材料，那么，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量就可以減輕30%左右，車輪可減輕50%左右，汽車總重量將減輕30%～40%。從實(shí)際能源消耗的角度來(lái)講，如果一輛汽車的質(zhì)量減少1千克，那么，每1升汽油就能夠多行駛40米的路程。也就是說(shuō)，如果一輛汽車的質(zhì)量減少1%，耗油量就會(huì)減少0.6%～1%。早在1896年，國(guó)外就有人將鋁合金用于制造汽車曲軸箱中。20世紀(jì)早期時(shí)，鋁合金就應(yīng)用于一些豪華汽車和賽車上，如用鋁合金制造汽車的骨架結(jié)構(gòu)等。鋁合金在國(guó)外的汽車工業(yè)中主要制造裝飾部件、氣缸蓋、油底殼、離合器片、熱交換器、活塞等。在國(guó)內(nèi)，汽車運(yùn)用鋁合金制造汽車零件也逐漸增多，如上海大眾等，其中國(guó)產(chǎn)紅旗牌的應(yīng)用量最多，約70～100kg。發(fā)展至今，汽車中用鋁合金制造的零件越來(lái)越多，從先前的鋁合金曲軸箱到現(xiàn)在的氣缸蓋、油底殼、離合器片、熱交換器、活塞等零件都是運(yùn)用鋁合金材料制造出來(lái)的。面對(duì)當(dāng)今快速發(fā)展的汽車工業(yè)制造，用鋁合金替代鑄鐵制造汽車零件已經(jīng)成為一種主流趨勢(shì)。在法國(guó)的汽車行業(yè)中，用鋁合金制造汽缸套已達(dá)到100%，汽缸體達(dá)到45%?；诤暧^的視角，隨著未來(lái)科技的發(fā)展和技術(shù)的革新，在高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)鋁合金材料研發(fā)之下，整個(gè)汽車行業(yè)的工業(yè)制造將隨之蒸蒸日上，社會(huì)生產(chǎn)力將不斷提升，生產(chǎn)關(guān)系將不斷改善，鋁合金材料也將會(huì)更為廣泛地應(yīng)用于汽車制造中，進(jìn)而促進(jìn)更高層次的工業(yè)發(fā)展。

2鋁合金的性能

2.1鋁合金在人機(jī)工程方面的性能

人機(jī)工程是研究人們?cè)诠ぷ骱蜕瞽h(huán)境中的各項(xiàng)心理和生理特征的各種主觀因素，即研究產(chǎn)品與人的各種心理和生理的相互協(xié)調(diào)，研究人在生活、工作、休息時(shí)考慮人們的生活習(xí)性、工作效率、人的健康安全和舒適度等等。而鋁合金汽車中的應(yīng)用正是體現(xiàn)了人機(jī)工程的運(yùn)用，更充分說(shuō)明了鋁合金具有的優(yōu)越獨(dú)特性能。例如，鋁合金的易加工性不僅節(jié)約了零件制造的成本，還大大減少了人力資源；鋁合金優(yōu)良的塑性在制造座椅時(shí)，不僅減輕了汽車質(zhì)量，還讓人們坐得更為舒適，相對(duì)傳統(tǒng)的硬鋼材來(lái)說(shuō)就顯得柔軟了許多等等。因此，鋁合金在汽車制造材料中占有很高的地位，并且鋁合金經(jīng)過(guò)精細(xì)處理后會(huì)產(chǎn)生特別的效果，無(wú)論是其反光度，還是表面材質(zhì)都有著不一樣的效果。例如，在汽車色彩設(shè)計(jì)中就巧妙地運(yùn)用了鋁合金的金屬光澤，容易讓視覺(jué)產(chǎn)生沖擊、關(guān)注和調(diào)動(dòng)。因?yàn)榻饘俟鉂蓵?huì)隨光環(huán)境的不同而產(chǎn)生不同的光澤效果。因此，光澤隨不同環(huán)境的光特性不斷發(fā)生變化。汽車色彩設(shè)計(jì)大量運(yùn)用鋁合金的金屬光澤，使之產(chǎn)生流動(dòng)變化的動(dòng)態(tài)之美：車隨光動(dòng)，光隨車變，以光澤造就流線之型，以光澤傳遞動(dòng)感之美。

2.2鋁合金的機(jī)械性能

鋁及鋁合金是工業(yè)中用量最大的有色金屬。純鋁很軟，加進(jìn)銅、錳、硅、鎂、鋅等合金元素以后，才能制成強(qiáng)度很高的鋁合金?；诩冧X的特性，加入其他金屬元素后，所得到的鋁合金材料與純鋁相比，可以說(shuō)是發(fā)生了質(zhì)的蛻變，其強(qiáng)度和硬度都得了大幅度的提高。在此基礎(chǔ)上，還可以將所得到的鋁合金進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，使它的抗拉強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提升。鋁合金的抗拉強(qiáng)度幾乎可以達(dá)到低碳鋼的抗拉強(qiáng)度，并且還高于某些合金鋼材料的抗拉強(qiáng)度。鋁和鋁合金有多方面的優(yōu)良性能，主要是重量輕，比重只有鋼鐵的1/3，但比強(qiáng)度卻很高。汽車用鋁合金制造，可以大大減輕體重，降低汽油耗量，因此在汽車工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。

2.3鋁合金的工藝性能

基于金屬材料的工藝性能，材料經(jīng)過(guò)加工工藝處理才能制成產(chǎn)品，那么，在進(jìn)行加工工藝處理之前，材料必須適應(yīng)各種加工工藝處理的能力要求。鋁合金的機(jī)械性能與理化性能綜合反映了其工藝性能。鋁合金作為現(xiàn)代輕質(zhì)金屬材料之一，在擁有較高綜合性能的同時(shí)還擁有著良好的加工工藝性能。液態(tài)鋁合金具有很好的流動(dòng)性、填充性，因此具有很好的鑄造性能；變形鋁合金具有很好的塑性變形且不出現(xiàn)裂紋，可進(jìn)行壓力加工，故具有較好的壓力加工性能。除此之外，鋁合金材料還具有很好的焊接性和切削加工性能。因此，鋁合金的工藝性能促進(jìn)了鋁合金相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與能源的利用率。

3鋁合金在汽車中的應(yīng)用案例

3.1鑄造鋁合金的應(yīng)用

液態(tài)鋁合金因具有優(yōu)良流動(dòng)性和填充性，所以廣泛應(yīng)用于制造成鑄造零件，并且鑄造方法也是十分廣泛的，可根據(jù)使用要求、零件形狀、尺寸的精度、零件生產(chǎn)數(shù)量等方面綜合選擇最適宜的鑄造方法。例如，砂型鑄造主要運(yùn)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大的零件，但制造過(guò)程復(fù)雜；壓力鑄造法主要運(yùn)用于較小的零件，過(guò)程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的成品率也相對(duì)較高，非常適合大批量生產(chǎn)汽車零件，所以鑄造鋁合金廣泛運(yùn)用于汽車制造中。

3.2變形鋁合金的應(yīng)用

變形鋁合金是經(jīng)過(guò)熱加工變形后得到的，在汽車上主要用于制造汽車車身的主要構(gòu)架、制動(dòng)器的保護(hù)罩、汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的有關(guān)構(gòu)件、汽車門(mén)以及行李箱蓋、車身面板、汽車消聲罩、汽車座位發(fā)動(dòng)機(jī)車蓋等結(jié)構(gòu)件。

3.3新型鋁合金在汽車上的應(yīng)用

新型鋁合金是鋁合金在特殊條件下，通過(guò)快速凝固（大約104～109℃/S的凝固速度）而生產(chǎn)出的。因?yàn)椴牧系目焖倌蹋牧蟽?nèi)部的組織就會(huì)引起一系列變化，產(chǎn)生出新的特征，如細(xì)晶強(qiáng)化現(xiàn)象、鋁合金的固溶度極限提高現(xiàn)象，以及成分的高度均勻、少偏析甚至無(wú)偏析現(xiàn)象，形成新的亞穩(wěn)相等?；谶@些特征，汽車行業(yè)將快速凝固鋁合金應(yīng)用于汽車制造中。例如，有關(guān)汽車制造公司采用鋁合金制造汽車的空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和葉片，使得轉(zhuǎn)子和葉片的重量減輕，進(jìn)而促使整個(gè)空調(diào)壓縮機(jī)的重量減輕了40%左右，從而也減少了汽車的質(zhì)量，降低了燃油量。除此之外，還有很多新型鋁合金也廣泛應(yīng)用于其中，如泡沫鋁合金，這種材料的質(zhì)量更輕，強(qiáng)重比更高，并且具有較強(qiáng)的吸能特點(diǎn)和吸振特性。將泡沫鋁填充于兩個(gè)外板之間壓制成像三明治的板材，不僅能夠很好地提高板材的剛度，還能大大提高其保溫能力，在北方的冬天也就起到了很好的保暖作用。并且，這種材料還具有很好的吸能功能，因而其應(yīng)用在保險(xiǎn)杠以及一些支柱零件上，大大提高了汽車的撞擊安全性能。

4鋁合金在汽車應(yīng)用中的發(fā)展前景與推測(cè)

4.1鋁合金在汽車應(yīng)用中的發(fā)展前景

美國(guó)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)曾對(duì)1992年、1996年、2000年汽車工業(yè)制造中金屬材料的使用情況做了相應(yīng)的調(diào)查與研究。其中，1996～2000年這四年間，鋁合金材料在汽車制造中的使用量猛增，并逐漸取代了鋼材料的使用量。由此可見(jiàn)，鋁合金材料在汽車應(yīng)用中將變得越來(lái)越重要，使用量也將與日俱增，它的發(fā)展前景一片光明。

在這個(gè)21世紀(jì)的全新時(shí)代，科技在進(jìn)步，時(shí)代在發(fā)展，而能源卻在減少。能源減少問(wèn)題的出現(xiàn)讓各大汽車制造廠家以“減輕汽車自重、降低耗油量”為產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)。盡管在金屬材料界里，鎂合金的密度小于鋁合金的密度，但鎂合金并未像鋁合金一樣廣泛用于我們的生活中，因?yàn)殒V錠的成本偏高，且制造技術(shù)還有很多的不足。例如，金屬鎂合金還存在缺少高溫壓鑄合金及相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，表面的處理技術(shù)也不夠成熟，金屬的結(jié)合水平也相對(duì)較低等方面的問(wèn)題與不足，所以目前鎂合金材料在汽車應(yīng)用中的使用量非常有限。鈦合金機(jī)械強(qiáng)度很高且廣泛應(yīng)用于航空航天中，但對(duì)于制造汽車來(lái)說(shuō)成本太過(guò)昂貴，并不能為社會(huì)的廣泛生產(chǎn)所用，導(dǎo)致鈦合金無(wú)法大量應(yīng)用到汽車的制造與生產(chǎn)中去。在眾多的金屬里，鋁是地殼中含量最多的金屬元素，并且鋁的合金具有易加工性、機(jī)械性能良好、制造成本低、制造技術(shù)成熟，還具有可持續(xù)發(fā)展性，是當(dāng)今社會(huì)最為理想的金屬材料，毋庸置疑，鋁合金是現(xiàn)代及未來(lái)汽車工業(yè)中首選的輕金屬材料。眾所周知，世界各國(guó)都高度重視“環(huán)境保護(hù)”問(wèn)題，而鋁合金是除鋼鐵以外回收利用率最高的金屬材料，它的這一特點(diǎn)剛好符合當(dāng)今社會(huì)所倡導(dǎo)的“節(jié)能減排，循環(huán)利用”的生活理念。鋁合金具有良好的物理和化學(xué)性能，促使它成金屬工業(yè)生產(chǎn)中的佼佼者。

4.2鋁合金在汽車應(yīng)用中的推測(cè)

在國(guó)外，已有人用鋁合金在汽車尾部制造葉輪，在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下葉輪就會(huì)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的動(dòng)力，加之配合主動(dòng)車輪的快速轉(zhuǎn)動(dòng)從而推動(dòng)著整個(gè)汽車的行駛，其動(dòng)力更足，速度更快，大大節(jié)約了人們的工作時(shí)間。鑒于鋁合金有著獨(dú)特、強(qiáng)大的性能，我相信它有著無(wú)窮的用處，我們可以用鋁合金做旋轉(zhuǎn)車門(mén)并將其做成機(jī)翼狀，上凸下平的流線型。當(dāng)在路上行駛時(shí)它就像普通車門(mén)一樣使用，要趕時(shí)間時(shí)我們就可以在汽車高速奔跑時(shí)將其車門(mén)旋轉(zhuǎn)到車頂，讓其兩邊車門(mén)同時(shí)成機(jī)翼狀展開(kāi)，在汽車快速行駛時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的氣壓，配合尾部的葉輪就可以讓汽車像飛機(jī)一樣在天空中飛行。因?yàn)殇X合金的輕質(zhì)與高強(qiáng)度，我們可以用薄板鋁合金將其焊接成密封的箱體并將其與車身相融合，那么箱體在水中就可以產(chǎn)生很強(qiáng)的浮力，我們的汽車就可以在水中行駛。倘若將以上功能加以合成，我們的汽車就可以在水、陸、空三者中使用，那么堵車現(xiàn)象就會(huì)大大減少。除此之外，對(duì)于愛(ài)好駕車旅游的朋友，我們可以幫他們解決住宿問(wèn)題，而且還是很安全的住宿。因?yàn)槲覀兛梢赃\(yùn)用鋁合金板對(duì)汽車頂部進(jìn)行加固強(qiáng)化，并且可以在其板料中安裝相應(yīng)的鋁合金棒，加以運(yùn)用相應(yīng)的自動(dòng)化，到夜晚當(dāng)人們疲勞了要休息時(shí)，就可以按下一個(gè)按鍵，板料中的鋁合金棒就會(huì)自動(dòng)支撐起，形成帳篷支架，只要在鋁合金棒上蓋上帳篷布就可以安心休息，這樣就不會(huì)再發(fā)生人睡在車中因窒息而死亡的事件了，也不用擔(dān)心大自然中的蟲(chóng)、蛇、鼠等動(dòng)物的威脅。由此可知，研究鋁合金在汽車中的應(yīng)用是很有意義的。

5結(jié)語(yǔ)

鋁合金在汽車中的運(yùn)用不可估量，它將伴隨著科技的發(fā)展逐漸成熟起來(lái)，在汽車制造中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。鋁合金作為當(dāng)今新型材料的代表，不僅是一種最為理想的制造材料，還是一種科技的象征，它的出現(xiàn)讓我們的汽車產(chǎn)品擺脫了笨重難看的老式鋼材材料，讓落后老土的汽車從此變得新奇時(shí)尚美觀起來(lái)。鋁合金是可持續(xù)發(fā)展的制造材料，它是實(shí)現(xiàn)汽車“水、陸、空”三通的重要保障材料，是使汽車三通不再是概念設(shè)計(jì)的構(gòu)想，而是將汽車三通應(yīng)用于實(shí)際生活中的制造材料。