金屬材料在汽車輕量化上的應用都有哪些

智享導讀

汽車輕量化(Lightweight of Automobile)是指汽車在造價不被提高的前提下,即保持原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能,又有目標地減輕汽車自身的重量,降低汽車的整備品質,提高汽車的動力性,減少燃料消耗,降低排氣汙染。汽車輕量化的主要指導思想就是在確保穩定提升性能的基礎上,節能化設計各總成零組件,持續優化車型譜。汽車輕量化是設計、材料和先進的加工成形技術的優勢集成,是汽車性能提高、重量降低、結構優化、價格合理四方面密切結合的一個系統工程,對於推動汽車製造業進一步發展具有重要意義。

汽車輕量化雖然是設計、材料、工藝等多方面因素的優勢集成, 但主要是材料的輕量化。歸納起來,用於汽車輕量化的材料主要有兩類：一是低密度的輕質材料,主要指鋁、鎂、鈦合金材料, 以及塑料和複合材料；二是高強度材料,如高強度鋼。從環保的角度看,在輕質材料中,聚合物類的塑料製品回收處理過程中存在環境汙染問題。因此，在使用上受到一定的限制。而鋁、鎂、鈦合金材料是目前所有現用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(鋁合金約2.7 g/cm3，鎂合金約1.74 g/cm3，鈦合金約4.51 g/cm3，鋼的密度約7.8 g/cm3)，這些金屬材料形成的多種合金材料, 可以提高汽車主動安全性和被動安全性,滿足苛刻的安全法規要求,使汽車的安全設計得到進一步的完善。同時,選用輕金屬材料也是減輕自重、節能環保, 提高汽車動力性、舒適性的重要保證。鋁、鎂、鈦等輕金屬代替鋼材是汽車輕量化的首選材料, 也是未來汽車發展的重要方向。

鋁合金材料在汽車工業中的應用

車身

汽車車身約佔汽車品質的30％，對汽車本身來說，約70％的油耗是用在車身品質上的，所以汽車車身鋁化對提高整車燃料經濟性至關重要。奧迪汽車公司最早於1980年在Audi80和Audi100上採用了鋁合金車門，然後不斷擴大應用，更在1994 年和1999 年分別推出了A8 和A2 全鋁轎車，這兩款汽車的車身品質比傳統鋼製車身的重量減輕約40％，A2的總車品質只有895 kg，每年製造五萬輛，成為世界上第一款真正意義上的大批量生產的全鋁轎車；A8更是被評為1994 年全世界重要科技成果100 項之一。由歐洲9 個國家和地區的38 家機構攜手推出了“超輕汽車項目”，包括大眾、保時捷、菲亞特、歐寶、雷諾、沃爾沃和戴姆勒等在內的7 家主流汽車製造商，通過研製先進輕量化材料、運用多種材料連接製造技術及其表面處理等辦法和手段，以大眾第五代高爾夫為參考車型，最終製造出由多種材料混合的車身，品質僅為180 kg，與第五代高爾夫車身相比品質減輕了101 kg，減重率高達35％，而諸如扭轉剛度等重要指標與參考車型相當，車身的安全性不但沒有降低，正面抗碰撞性能與參考車型相比甚至有較大提高。

底盤

對實現汽車輕量化而言，底盤系統更具有潛力，更容易實現。在懸掛系統中，目前取代鋼鐵的首選材料是鋁合金材料，例如：通用汽車公司在凱迪拉克與克爾維特車的懸掛系統中使用了鋁合金零組件；福特公司使用了鋁合金製動盤，與原鑄鐵盤相比，品質減輕了2/3，雖然成本較高，但壽命提高了兩倍；克萊斯勒公司的NeodLite 車底盤通過使用鋁合金零組件，使得轉向機萬向節品質降低了3 kg，下控制臂降低了2.6kg，轉向機殼降低了1.36kg，轉向軸降低了1.9kg，後製動轂降低了3.6 kg。

發動機

很多公司都在發動機的活塞、缸體及缸蓋、散熱器、油底殼、曲軸箱、連杆等部件上使用了鋁合金材料。針對發動機部分，我們重點介紹一下活塞，缸體及缸蓋。

（1）活塞

轎車發動機活塞基本都用鑄鋁合金，這主要是因為活塞作為主要的往複運動件需要靠減重來減小慣性，減輕曲軸配重，提高效率，並且要求有良好的導熱性，較小的熱膨脹系數，同時在350℃左右有較好的力學性能，而鑄鋁合金恰能滿足這些要求，同時由於活塞、連杆採用了鑄鋁合金件，減輕了品質，從而減少發動機振動，降低噪聲，減少油耗。

（2）缸體及缸蓋

轎車發動機的缸體多採用壓鑄法生產，鑲鑄的缸套可用共晶或亞共晶Al-Si 系合金，以提高耐磨性及耐熱性。美國福特公司NGT 貨車發動機氣缸蓋、ZetM 缸機、ModularV6/V8 機、克萊斯勒公司新V6 發動機缸體和缸蓋都使用鋁合金材料。克萊斯勒公司Jeep（吉普）5 缸、3.8LV6 和道奇貨車發動機均改用鋁合金缸蓋。鋁合金缸蓋，一般採用金屬型重力鑄造和低壓鑄造法生產，選用的合金有美國的A319、A356、A360 鋁合金，中國的ZL104、ZL106、ZL107 鋁合金。

車輪

輪轂品質約佔汽車車輪品質的70％，在汽車工業中，鑄造鋁合金輪轂是普及最快、鋁化率較高的實例，鋁合金輪轂的節能環保效果顯著：輪轂品質每減輕1kg，1L汽油可多行駛800 m，而少用1L 汽油，則可減少2.5kg 的碳排放，此外鋁合金輪轂還具有散熱快、減震性能好、抗腐蝕性強，容易製造、經久耐用等優點，能顯著提高汽車的舒適性和安全性，發展空間巨大，預計2015 年，我國鋁合金輪轂的需求量將達到2.5 億隻，這對於我國鋁合金輪轂行業而言，存在著巨大的發展空間。

新型鋼板材料在汽車輕量化中的應用

目前諸多的汽車工業發達國家致力於減輕汽車用鋼鐵材料的重量, 以期達到汽車輕量化目的。由於性能的不斷改進以及新的製造技術和加工工藝的開發, 至少在今後一段時間內鋼材仍然是大批量生產汽車車身的主要材料。作為車身的主要部分, 近年來鋼材的品質和性能大大提高, 預計到2017年新型鋼材的使用將超過80%。當前車身用新型鋼板主要有：冷軋鋼板、高強度鋼板、表面處理鋼板、高強度拚焊鋼板、夾層鋼板、不鏽鋼板等。

冷軋鋼板：表面品質好, 多用於車身衝壓件。冷軋鋼板的厚度在0.15～3.2mm之間, 汽車車身多採用0.6～0.8mm的薄鋼板。這種薄板的尺寸精度非常高, 表面光滑具有良好的力學性能、加工性能、成形性能和焊接性能。主要用於車身側圍板、頂蓋、發動機罩、翼子板、行李箱蓋、車門板和儀表板等覆蓋件。

高強度鋼板：拉伸強度在350 MPa以上。具有較高的屈服點, 降低板厚不會對衝壓件的品質造成太大影響, 因而可以減少外表面的厚度,達到減少品質的目的。主要包括含磷高強度鋼板、微合金高強度鋼板、雙相鋼板及烘烤硬化鋼板等。一般用於需高強度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也較嚴格的汽車零件。應用於車輪、保險杠、懸掛系統及其加強件、車門防撞杆、保險杠和B立柱等零件。

表面處理鋼板：可以防止腐蝕提高車身材料的抗高溫抗氧化能力。表面處理鋼板常見的有鍍鋅鋼板、鍍鋁鋼板、鍍鉛錫合金鋼板和複層鋼板。目前車身底盤零件採用的表面處理鋼板主要是鍍鋅鋼板。採用鍍鋅鋼板的車身有底板、門檻、發動機罩內板等。

高強度拚焊鋼板：在衝壓前按車型設計將不同厚度和不同性能的鋼板裁剪後拚焊起來的一種鋼板。拚焊鋼板部件能夠進行優質組裝, 能減輕車身品質, 提高機械強度, 實現抗扭剛性、抗衝撞性與提高材料收縮率和降低生產成本的最佳組合。主要應用於車身側圍等衝壓成形件。

夾層鋼板：分鋼夾層板和鋁夾層板兩種。共同特點是品質小、吸收噪聲, 可提高強度和剛度。採用這種鋼板製造將使零件自身品質減輕25% ～ 30%。隨著成形工藝的發展, 超輕超薄高強度鋼板的應用正在向汽車附件(如車門、發動機罩、尾箱蓋板等)延伸。

不鏽鋼板：具有良好耐蝕性和耐熱性, 可以比普通鋼製得更加壁薄和小型化。開始時多為汽車外部裝飾材料, 隨著輕量化技術的發展, 擴大了其在汽車上的應用範圍。

在上個世紀的最後30年, 汽車工業在高強度鋼板等方面, 為實現汽車輕量化已取得了顯著的成績。汽車用鋼逐步向高強度化方向發展, 當鋼板厚度分別減少0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm時, 車身減重分別為6%、12%、18% 。可見, 增加鋼板強度是減少鋼板厚度減輕車重的重要途徑。此外,高強度鋼車身骨架結構, 在保證車身強度和剛度的同時, 可以實現減輕重量的目的。

目前日、美、歐轎車所採用的車身結構, 主要有獨立式鋼質車身、組合式鋼質車身、鋼質立體框架和鋁質立體框架等幾種型式。車身的骨架件多用鋼板衝壓而成。各大汽車生產廠商都致力於車身骨架結構的改造。日本三菱公司的帕傑羅(SPORT)為該公司最新的SUV型車設計了全新的車身結構, 車身70%的構件由高強度鋼板製成, 邊梁的厚度比吉普系列的其它車型增加了20%, 因此整車的扭轉剛度甚至比大切諾基還要高45%, 車身的承載能力可達2噸以上。韓國現代公司的SONATA車身結構也用高強度鋼板進行了加強, 橫梁和立柱全部使用800MPa的高強度鋼。奔馳公司在SLK車身骨架中大量使用高強度鋼使扭轉剛度增加了70%, 安全性大大提高的同時也減少了車身的重量。1999年問世的寶馬3系列車身骨架中使用了50%的高強度鋼。福特的Windstar車身骨架中60%是高強度鋼。TOYOTA最新的車型Vitz的車身結構中高強度鋼佔了48%, 比該公司生產的Starlet車減重17kg。美洲豹X-Type2.5在車身結構上採用了整片式車艙結構(MonocogueBody), 實現了顯著的輕量化。

鎂及鎂合金材料在汽車輕量化的應用

鎂及鎂合金是21世紀最具開發前景的輕質結構材料。鎂及鎂合金的主要特點是：一是密度低、品質輕,使用鎂合金能夠比鋁合金再減輕1 5 %～20%,是最輕的金屬材料；二是比強度（強度與品質之比）高於鋁合金和鋼, 比剛度（剛度與品質之比）接近於鋁合金和鋼；三是消震性和阻尼系數好,承受衝擊載荷能力比鋁合金大, 用於殼體可以降低噪音,用於輪圈可以減少震動,提高汽車的安全性和舒適性；四是導電導熱性能良好,相同溫度條件,鎂合金的散熱時間是鋁合金的一半。五是工藝性能良好,具有良好的鑄造性能和尺寸穩定性, 容易加工, 廢品率低, 從而降低生產成本。限制鎂合金應用的主要原因是鎂合金的高性能—抗蠕變能力和高溫疲勞性能較差。

隨著鎂合金汽車零組件的開發，鎂合金在汽車上的應用特點如下。

a.由體積小的零件向大的零件過渡。

b.由結構簡單的零件向複雜件過渡。

c.由簡單受力件向具有特殊性能要求的件過渡。

d.由分件組合向單一壓鑄件過渡。

鎂合金零組件在整車上的應用見圖。

國內外主機廠、零組件供應商開發了很多鎂合金零組件，其中一部分已經大批量應用在商品車上，仍有一部分應用還有瓶頸需要突破。比如輪轂目前僅用在少數賽車上，若要大批量應用，腐蝕、石擊等難題必須解決。總體來看，短期內能大批量應用的主要是對耐腐蝕要求不高的零組件，如轉向盤骨架、座椅骨架、儀表板骨架等。

（1）轉向盤骨架

目前，轉向盤骨架是轎車應用鎂合金普及率最高的零組件。一般選用AM50合金，品質在550~700 g。不同廠家因安裝方式不同設計有3種安裝結構：第一種是使用鋼質花鍵嵌入鎂合金骨架；第二種是在鎂合金骨架上直接攻絲；第三種為楔形六角結構，不攻絲。商用車因轉向盤直徑大及其他特殊要求等原因其應用相對較少。鎂合金轉向盤骨架相對原鋼質設計減重40%以上，成本會有所提高。

（2）儀表板骨架

1968年儀表板骨架應用在奧迪車上，1995年應用在通用汽車公司的新年度車型上。第一代這種部件的品質大約為7~8 kg，壁厚大約為3.5~4 mm。第二代的鎂合金儀表板骨架的壁厚和品質都進一步減小，但仍保持著較高的防撞性及減振、降噪、剛度的要求。目前，鎂合金儀表板骨架的品質大約為4.5~5.0 kg，壁厚大約為2.7~3.0 mm。國、內外主機廠應用鎂合金儀表板骨架的情況（不完全統計）見表。國外品牌應用較多，國內自主品牌應用較少，目前僅奇瑞車型有所應用。

（3）變速器殼體

1999年奧迪採用了第一款鎂合金自動變速器。鎂合金應用到變速器殼體上，除能體現其密度小、抗振動、降低噪聲等優勢外，主要體現散熱和機械加工的優勢。鎂合金、鋁合金的熱擴散系數α分別為3.97×10-5 m2/s和3.64×10-5 m2/s，體積比熱容分別為1.90 J/(cm3·K)、2.64 J/(cm3·K)。在相同體積下，鎂合金的蓄熱能力要遠比鋁合金低，但兩者的散熱能力卻相差無幾。因此，採用鎂合金的變速器殼體能更好地散熱，從而降低齒輪的高溫磨損和咬死的概率。鎂合金鑄件可以直接進行切削加工，獲得光亮的表面，而鋁合金鑄件則需要熱處理後才能進行機械加工。

（4）座椅骨架

前排座椅一般功能較多，其結構較複雜，而後排座椅功能較少，其結構較為簡單。目前，鎂合金在座椅上的應用研究相對較少，主要是以靠背骨架和座墊骨架單獨開發為主，見圖4。座椅減重效果見表5。前排座椅骨架組裝時使用螺栓、卡扣將鎂合金靠背、座墊與調高機構、角調機構連接在一起。後排靠背和座墊不組合，分別卡在輪罩安裝支架、地板安裝支架上。

鈦及鈦合金在汽車輕量化的應用

鈦及合金是21世紀最重要的、具有優異的綜合性能的新型結構及功能材料。它密度小,鈦的密度是4.51 g/cm3,介於鋁(2.7 g/cm3)和鐵(7.6 g/cm3)之間;比強度高於鋁合金和鋼, 韌性與鋼鐵相當; 抗蝕性能優於不鏽鋼, 在氯離子侵蝕的海洋大氣環境和微氧化氣氛中,也具有很好的抗蝕性;工作溫度區間較寬,低溫鈦合金在-253℃依然能保持良好的塑性, 耐熱鈦合金的工作溫度可550℃左右,耐熱性高於鋁合金和鎂;具有良好的加工性和焊接性能。鈦在汽車上的應用主要分為兩大類:一大類是用來減少內燃機往複運動件的品質；另一大類是用來減少汽車總品質。在新一代汽車上主要應用在發動機元件和底盤部件上, 可製作發動機系統閥門、閥簧、閥簧承座和連杆等,以及底盤部件中的彈簧、排氣系統、半軸和緊韌體等。

鈦及鈦合金在20世紀50年代就進入到汽車製造領域,但發展比較緩慢,主要原因是價格因素。鈦金屬熔點高，化學性質十分活潑，與O,H,N 和C 等元素有極強的化學親和力，使純鈦的提取非常困難;另一個原因是合金化元素價格較高, 鈦合金多以高價的V作為合金元素以提高強度，又以Al-X作為中間合金添加。以廉價的Fe、Cr等合金元素取代V元素,是未來降低鈦合金成本的有效方法。

隨著汽車材料向輕量化、高性能和高功能的方向發展, 鈦及鈦合金作為結構功能性材料將會越來越受到重視。儘管目前鈦材料在汽車領域應用不大, 但隨著鈦工業的發展,鈦加工成本的降低,鈦材料必將在汽車領域佔據重要地位, 具有無限廣闊的發展前景。

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