金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用探討

白彩盛，趙立杰

（1.甘肅金城理工中等專業(yè)學(xué)校，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州裝備制造技師學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國社會的發(fā)展，人們生活水平日益提升，汽車走進(jìn)千家萬戶成為了人們重要的交通工作。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018年我國汽車的銷量達(dá)到了2808.1萬量，汽車的產(chǎn)銷量均巨世界首位。2019年我國的汽車保有量達(dá)到2.5億量。汽車的普及給人們的生活帶來了很多便利，但是在能源消耗、環(huán)境污染以及能源消耗等領(lǐng)域也帶來了很多問題。在這樣的背景下，人們提出了汽車輕量化的概念，而且已經(jīng)成為了未來汽車制造業(yè)的重要發(fā)展方向。

1 汽車輕量化及其對現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要性

所謂的汽車輕量化，是指保持汽車的原有造價不變，同時不影響其安全性能、抗震性、抗撞性能以及舒適性等的條件下，降低汽車的重量，通過這樣的方式提高汽車的行駛速度，同時減少燃料消耗，降低尾氣排放量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。進(jìn)行汽車輕量化的原則是，在確保汽車穩(wěn)定性不受影響的情況下，對汽車的各類零部件進(jìn)行節(jié)能化的處理，并對車型進(jìn)行優(yōu)化，總的來說是其是一項(xiàng)提升汽車性能、降低質(zhì)量并且進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的系統(tǒng)性工程，其對于汽車制造行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。相關(guān)研究顯示，汽車的油耗和質(zhì)量之間有著直接的關(guān)系，通過對汽車進(jìn)行輕量化處理，能夠起到降低汽油消耗的目的。數(shù)據(jù)顯示，汽車的質(zhì)量每降低1kg，就能夠使1L的汽油可以多驅(qū)動汽車行駛0.011km，相應(yīng)的二氧化碳的排放量也會降低。此外，汽車的輕量化還可以有效的提高行駛性能，相關(guān)研究顯示汽車質(zhì)量降低25%，能夠使汽車加速到96.56km/h的時間從原本的10s中降低至6s。此外，汽車的輕量化還能夠有效的減輕汽車動力和動力傳動系統(tǒng)的負(fù)荷，從而使汽車在較低牽引符合下能夠表現(xiàn)出非常好的行駛性能。

2 金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

汽車的輕量化體現(xiàn)在設(shè)計、工藝和材料等多方面，其中最為主要的是材料的輕量化。汽車輕量化的材料主要由兩大類，分別是低密度輕質(zhì)材料和高強(qiáng)度材料兩類，前者主要是鋁、鎂和鈦合金材料以及塑料和復(fù)合材料等；高強(qiáng)度材料主要指高強(qiáng)度鋼。但是聚合物類的塑料制品這一類的輕質(zhì)材料，會產(chǎn)生環(huán)境污染問題，因此在使用方面受到限制。因此當(dāng)前應(yīng)用最多的是鋁、鎂、鈦合金等方密度較低的金屬材料，通過應(yīng)用這些金屬材料形成的合金，在輕量化的同時能夠滿足汽車的安全性要求，下面對這些材料的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2.1 鋁及鋁合金

在眾多的輕量化材料中，鋁的應(yīng)用是比較早的，而且其生產(chǎn)和處理工藝都已經(jīng)相當(dāng)成熟。鋁以及鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比鋼度高、剛沖擊性好、彈性好等多方面的特點(diǎn)，同時耐磨、耐腐蝕，并且容易加工成型和表面著色，能夠很好的進(jìn)行回收再利用，由于其具有這些方面的特點(diǎn)，其在汽車制造領(lǐng)域獲得了重要的應(yīng)用。

當(dāng)前，在汽車制造中，鋁以及鋁合金主要被應(yīng)用于車輪、懸架系和動力系的零部件中，而且未來還會有更加廣泛的應(yīng)用，預(yù)計未來汽車的鋁化界限可以達(dá)到30%～50%。當(dāng)前，為了在汽車制造業(yè)中應(yīng)用更多的鋁以及鋁合金材料，進(jìn)而促進(jìn)汽車輕量化，人們對新的鋁合金材料以及加工技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，其中“鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)”是當(dāng)前最為先進(jìn)的鋁合金加工技術(shù)，應(yīng)用這種技術(shù)生產(chǎn)出的鋁合金汽車零件性能優(yōu)良、組織致密，具有重要的應(yīng)用。鋁以及鋁合金與鋼相比，在承載能力和力學(xué)性能等方面有著一定的差距，這制約了鋁以及鋁合金在汽車制造中的應(yīng)用，另外工藝復(fù)雜、生產(chǎn)技術(shù)局限等因素造成其成本也比較高，這也是限制其應(yīng)用的重要因素。

2.2 鎂及鎂合金

鎂以及鎂合金是極具開發(fā)潛力的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其具有密度低、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，鎂合金比鋁合金更輕，是最輕的金屬材料。同時其具有非常好的比強(qiáng)度，高于鋁合金和鋼，而在比剛度方面則和鋁合金和鋼相差無幾。此外，在消震性和阻尼系數(shù)方面，起性能也非常優(yōu)異，具有比鋁合金更大的承受沖擊荷載的能力，這一特點(diǎn)使其可以應(yīng)用于汽車殼體來降低噪聲，用于輪圈來減少震動，從而有效的提高汽車的安全性以及舒適性。

鎂合金在導(dǎo)熱性、工藝性能方面都十分優(yōu)異，鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性都比較高，因此加工起來比較方便，而其廢品率也比較低。鎂合金的主要不足時高溫疲勞性以及抗蠕變能力比較差，因此這方面是鎂合金今后的重點(diǎn)研究方向。在汽車制造領(lǐng)域，當(dāng)前鎂以及鎂合金最主要的應(yīng)用是壓鑄件方面，其能夠取代鋁合金、鑄鐵、鋼制沖壓焊裝組合件等，其在汽車零部件中最主要的應(yīng)用時殼體類和支架類兩個領(lǐng)域，殼體類包括離合器殼體、空調(diào)機(jī)外殼等，支架類包括方向盤、車鏡支架以及剎車支架等。

2.3 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，其密度較小，在強(qiáng)度、韌性、抗蝕性等方面具有優(yōu)異的新性能，即使是在海洋大氣或者是為氧化氣氛中，其依舊可以抗腐蝕，其具有相好的耐熱性、加工性以及抗熱性。

在汽車上主要有兩方面的應(yīng)用，一方面其可以用于減少內(nèi)燃機(jī)往復(fù)運(yùn)動件的質(zhì)量，另一方面能夠降低汽車的總質(zhì)量。當(dāng)前，鈦及鈦合金可以應(yīng)用于汽車的發(fā)動機(jī)原件以及底盤件等方面，如發(fā)動機(jī)系統(tǒng)閥門、連桿，底盤的排氣系統(tǒng)以及彈簧等。

2.4 高強(qiáng)度鋼

鋼鐵材料在汽車制造行業(yè)中有著重要的應(yīng)用，而未來高強(qiáng)度鋼是汽車制造中有巨大的應(yīng)用潛力。高強(qiáng)度鋼是指在韌性和強(qiáng)度方面都有優(yōu)異性能的鋼種。通過對低合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，可以使其獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)新能。高強(qiáng)度鋼在吸能性、曲強(qiáng)比、應(yīng)變分布能力和應(yīng)變硬化都有不錯的表現(xiàn)，其與鎂、鋁等合金材料相比，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)前期主要應(yīng)用于汽車等的結(jié)構(gòu)件、安全件、前后保險杠、車門防撞梁等領(lǐng)域，起著重要的作用。

3 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，汽車工業(yè)的發(fā)展十分迅速，汽車的數(shù)量也不斷增長，在給人們帶來便利的同時，在能源、污染以及安全等方面造成了不利影響。因此節(jié)能減排、降噪和提高安全保障是汽車工業(yè)未來發(fā)展的重要方向，而汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的重要途徑，鋁、鎂、鈦以及高強(qiáng)度鋼等金屬材料各自具備優(yōu)異的新能和特點(diǎn)，將其應(yīng)用于汽車制造中能夠有效的促進(jìn)汽車輕量化的發(fā)展。