金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

孫鳳雨

摘 要：伴隨汽車工業(yè)的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題已成為汽車工業(yè)未來面臨的主要問題。如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，已成為汽車工業(yè)亟待解決的問題。而汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵，是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。輕量化材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一，可以有效地地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，有些材料還可在一定程度上能提高車身的耐久性和安全性。本文主要研究鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼在汽車上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：輕量化 鋁及鋁合金 鎂及鎂合金 高強(qiáng)度鋼 鈦合金

中圖分類號(hào)：U465 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（a）-00-02

1 引言

汽車輕量化是在保證原有性能（如安全性、舒適性）不受影響的前提下，減輕汽車整備質(zhì)量。由于汽車質(zhì)量的大小直接影響到汽車行駛的滾動(dòng)阻力、爬坡阻力、加速阻力，可見汽車質(zhì)量的大小與燃油消耗率有著密切的關(guān)系。

據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，汽車所用燃料的60%消耗于汽車質(zhì)量，汽車每較小10%的質(zhì)量，排放會(huì)減小約10%，油耗約減小7%，可見汽車輕量化，對(duì)節(jié)能減排具有重要的意義[1-2]。

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、應(yīng)用輕量化材料、采用先進(jìn)制造工藝3個(gè)方面。其中輕量化材料的應(yīng)用起主要作用，輕量化材料分為金屬材料和非金屬材料兩類，本文闡述幾種主要的金屬材料在汽車上的應(yīng)用，如鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用。

2 幾種主要的金屬材料在汽車上的應(yīng)用

2.1 鋁及鋁合金

金屬鋁的密度較小，大約為鐵的1/3，導(dǎo)熱性良好，僅此于銅；鋁塑性較高，易于加工成型，同時(shí)具備良好的抗腐蝕性能。只是金屬鋁強(qiáng)度不高，不適合制成結(jié)構(gòu)件，但金屬鋁的優(yōu)良性能在于能夠和眾多金屬元素組成性能不同的合金，稱之為鋁合金，在鋁的基礎(chǔ)之上，鋁合金具備了密度小強(qiáng)度高的特點(diǎn)，鋁合金的強(qiáng)度和優(yōu)質(zhì)鋼相當(dāng)。

鋁合金主要添加的金屬元素有銅、鋅、錳、硅、鎂等。鑄造鋁合金熔點(diǎn)低、流動(dòng)性良好可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的成型，適合鑄造復(fù)雜的箱型零件、殼體零件等，如發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體。變形鋁合金可采用軋制、鍛造、拉拔或擠壓成型，如鋁合金輪轂。鋁合金在汽車車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、行駛系上均有廣泛應(yīng)用[3]。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)上的主要零件已由早期的鑄鐵逐漸轉(zhuǎn)換為鋁合金，如機(jī)體、活塞、油底殼等零件，機(jī)體是鋁合金用量最大的部件，與高強(qiáng)灰鑄鐵機(jī)體相比鋁合金機(jī)體的具有諸多優(yōu)點(diǎn)，鋁合金質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，進(jìn)而可以減小散熱器的尺寸，有利于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化。另外水泵殼體、油泵殼體、發(fā)電機(jī)殼體、起動(dòng)機(jī)殼體，各類支架、支座類零件也多由鋁合金制成。

鋁合金在汽車底盤上的應(yīng)用，主要有離合器殼體、變速器殼體、轉(zhuǎn)向器殼體、制動(dòng)器殼體、轉(zhuǎn)向節(jié)、制動(dòng)鉗、輪轂等零部件。一部分汽車的剎車踏板、離合器踏板、方向盤骨架、輪轂也已采用鋁合金制造。以鋁合金輪轂為例，鋁合金輪轂?zāi)壳霸诔擞密嚿弦呀?jīng)廣泛應(yīng)用，逐漸替代了鑄鋼與鍛鋼。這是因?yàn)樵跐M足相同使用條件的情況下，鋁合金輪轂自身重量比鋼輪轂降低一半，另外，鋁合金良好的散熱性，可以減低輪胎的溫度，降低爆胎的危害。

鋁合金在車身各部件上的應(yīng)用較多，某些高檔轎車高端車型甚至采用“全鋁車身”，早在1995年，奧迪公司采用了全鋁車身打造了奧迪A8型轎車，這也是鋁質(zhì)材料車身最具代表性的應(yīng)用。目前部分汽車的座椅、車廂底板、行李架、車身部分面板等部件均已采用鋁合金，表1以德國產(chǎn)某轎車車身用鋁為例，介紹了鋁合金在車身上的主要應(yīng)用。

雖然鋁合金在車身輕量化中起著重要作用，但是仍存在一些不足，比如鋁合金板材的局部拉延性不好，容易產(chǎn)生裂紋；撞擊變形后，由于鋁材的整形技術(shù)、表面處理噴漆技術(shù)難度大，導(dǎo)致維修成本高，鈑金修復(fù)不如鋼車身。

2.2 鎂及鎂合金

金屬鎂是目前工業(yè)用金屬材料中密度最小，比強(qiáng)度最高的材料，其密度在20℃時(shí)僅1.73g/cm3，比鋁的密度低36%，比鐵的密度低78%，鎂合金作為輕質(zhì)合金，普遍應(yīng)用于交通工具中。鎂合金不但質(zhì)量輕，而且抗震性能也很好，是一種理想的減振材料；另外，鎂合金有良好的壓鑄成型性能，可鑄造薄壁件及復(fù)雜零件[4]。

鎂和鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要以壓鑄件為主，大體可分為兩類，一類是殼體類零件，一類是支架類零件，如變速箱體發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋、離合器殼體、剎車支架、方向盤、轉(zhuǎn)向支架等。鎂合金零件的輕量化效果十分明顯，表2所示為一汽鑄造公司目前生產(chǎn)的部分鎂合金零部件及單重表。

鎂合金雖然有諸多優(yōu)良性能，但是也存在一些缺點(diǎn)，如抗高溫、抗疲勞破壞能力差等，若要提高鎂的利用率，應(yīng)進(jìn)一步完善鎂合金的耐高溫性能和抗疲勞破壞的能力。

2.3 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金具備優(yōu)異的綜合性能，鈦合金的應(yīng)用，對(duì)汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保具有重要作用，也是汽車實(shí)現(xiàn)高性能化的基礎(chǔ)。鈦合金是一種新興材料，備受汽車工業(yè)的關(guān)注。

鈦的密度小，界于鋁和鐵之間，鈦的比強(qiáng)度高，韌性與鋼鐵相當(dāng)，應(yīng)用鈦及鈦合金制造的汽車零部件，輕量化效果十分明顯，是車體框架材料的良好選材。

鈦及鈦合金的抗腐蝕性能好，優(yōu)于不銹鋼，工作溫度范圍較大，其工作溫度在-253℃～550℃之間，因此，鈦及鈦合金在排氣系統(tǒng)中的用量較大。鈦合金排氣系統(tǒng)使用壽命長、可靠性高；與傳統(tǒng)鋼制排氣系統(tǒng)相比質(zhì)量輕，據(jù)相關(guān)研究表明，鈦合金排氣系統(tǒng)比鋼排氣系統(tǒng)質(zhì)量減輕約40%，輕量化效果明顯[2]。

鈦及鈦合金彈性模量低，適合制作彈性元件，與鋼制汽車彈簧相比，性能相同的情況下，彈簧高度可減小60%，質(zhì)量可減小60%～70%，利于車體設(shè)計(jì)，鈦合金優(yōu)異的抗疲勞性能和耐蝕性可提高鈦彈簧的使用壽命[2]。

2.4 高強(qiáng)度鋼

一般屈服強(qiáng)度在1370MPa以上，抗拉強(qiáng)度在1620MPa以上的合金鋼稱超高強(qiáng)度鋼，高強(qiáng)度鋼主要的合金元素有鎳、鉻、鉬、錳、硅等。由于高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較高，應(yīng)用于汽車車身，可降低車身質(zhì)量，提高汽車碰撞安全性。

汽車白車身主要由鋼材組成，那么合理的應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板可以達(dá)到減薄車身用板厚度和重量的目的，研究表明與普通鋼板車身相比，高強(qiáng)度鋼車身板材厚度可減少1.0～2.0mm，質(zhì)量可減輕15%-20%左右，高強(qiáng)度鋼對(duì)提高車身強(qiáng)度減輕車身質(zhì)量具有重要作用。因此高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用可以減輕汽車質(zhì)量，降低燃油消耗，同時(shí)滿足安全性能的要求，降低了制造成本和使用成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義[5-6]。

為了滿足安全性，要求結(jié)構(gòu)梁類零件受到碰撞沖擊后變形量很小，高強(qiáng)度鋼具有較高的抗拉強(qiáng)度，主要用于車身、車架、橫縱梁等關(guān)鍵部位，如A柱、B柱、C柱加強(qiáng)板、車頂加強(qiáng)梁、地板通道等。高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用對(duì)提高汽車安全性也起著重要的作用等。

目前，部分轎車車型高強(qiáng)度鋼的用量可達(dá)45%左右，用量非常大，已經(jīng)超過普通鋼材，高強(qiáng)度鋼之所以在汽車上大量應(yīng)用，一方面，與鋁合金、鎂合金相比，高強(qiáng)度鋼的原材料價(jià)格較低，能夠降低成本；另一方面，與普通鋼板相比，高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度、剛度、抗疲勞強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能較好，安全性高。

參考文獻(xiàn)

[1] 李中.鈦合金在汽車上的應(yīng)用[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010（10）：1034-1038.

[2] 祝明明，張慶帥，石旭.金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展[J].車輛與動(dòng)力工程，2017（3）：138-141.

[3] 李景坤. 淺談鋁合金在汽車上的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件， 2017（18）：32-33.

[4] 陳元華，楊沿平.輕合金在汽車輕量化中的應(yīng)用研究[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008（1）：20-22.

[5] 趙漢興，黃宜賢.高強(qiáng)度鋼在車身輕量化中的應(yīng)用研究[J].技術(shù)與市場，2016（6）：169-170.

[6] 劉文華.高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.