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    鋁合金零部件在汽車各部位的應用與輕量化優勢

       日期:2021-12-15     來源:鋁加工    瀏覽:701    評論:0    
     鋁合金作為典型的輕質金屬廣泛應用于國外汽車上,國外汽車鋁合金制部件主要有活塞、氣缸蓋、離合器殼、油底殼、保險杠、熱交換器、支架、車輪、車身板及裝飾部件等。

    目前,美國、日本、德國是汽車采用鋁合金最多的國家,如德國大眾AudiA8、A2,日本的NXS等車身用鋁合金量達80%。我國汽車除上海桑塔納、一汽奧迪和捷達(均為引進生產線)用鋁合金外,國產以紅旗較多,約80~100kg。有資料表明,用鋁合金結構代替傳統鋼結構,可使汽車質量減輕30%~40%,制造發動機可減輕30%,制造車輪可減輕50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環保、節能、提速和運輸高效的重要途徑之一。因此,研究開發鋁合金汽車目前顯得十分必要。鋁合金的主要優點是重量輕,散熱性好。隨著發動技術的發展,氣閥結構成為發動機的主流設計趨勢。

    與兩氣閥發動機相比,每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時要產生更多的熱量,采用全鋁合金缸蓋是最好的解決辦法。目前,轎車發動機部件中不僅活塞、散熱器、油底殼缸體采用鋁合金材料,而且缸蓋、曲軸箱也采用這種材料。

    在目前的形式下,在發動機上采用鋁合金替代鑄鐵已經成為主流趨勢。法國汽車的鋁汽缸套已達100%,鋁汽缸體達45%。在未來幾年里,隨著高強度優質鋁合金材料的開發成功和制造工藝的不斷改進,鋁合金材料將愈來愈多的用來制造這一類零部件。汽車用鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多,占80%以上,其中又分為重力鑄造件,低壓鑄造件和其它特種鑄造零件。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材、鍛件等。世界各國工業用鋁合金材料的品種構成雖然有一定的差異,但大體是相同的。其品種構成:鑄件占80%左右,鍛件占1%~3%,其余為加工材。美國汽車工業中變形鋁合金占較大比例,達36%。

    一 鑄造鋁合金的應用


    鑄造鋁合金具有優良的鑄造性能??筛鶕褂媚康?、零件形狀、尺寸精度、數量、質量標準、機械性能等各方面的要求和經濟效益選擇適宜的合金和合適的鑄造方法。鑄造鋁合金主要用于鑄造發動機氣缸體、離合器殼體、后橋殼、轉向器殼體、變速器、配氣機構、機油泵、水泵、搖臂蓋、車輪、發動機框架、制動鉗、油缸及制動盤等非發動機構件。

    1.1 發動機用鋁合金


    汽車發動機用鋁合金制造輕量化最為明顯,一般可減重30%以上,另外,發動機的氣缸體和缸蓋均要求材料的導熱性能好、抗腐蝕能力強,而鋁合金在這些方面具有非常突出的優勢,因此各汽車制造廠紛紛進行發動機鋁材化的研制和開發。目前國外很多汽車公司均已采用了全鋁制的發動機氣缸體和氣缸蓋。如美國通用汽車公司已采用了全鋁氣缸套;法國汽車公司鋁氣缸套已達100%,鋁氣缸體達45%;日本日產公司VQ和豐田公司的凌志IMZ-FEV6均采用了鑄鋁發動機油底殼;克萊斯勒公司新V6發動機氣缸體和缸蓋都使用了鋁合金材料。


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    德國大眾先進的6.0L W12發動機采用的基本上都是鋁鎂合金,奧迪A8L 6.0 quattro轎車上因采用W12發動機,整車重量隨之被降低到1980kg,低于所有其他車型。而W12引擎450馬力、560Nm的強勁動力,使其單位馬力需加速的重量僅為4.7kg,堪與高性能跑車相媲美。

    北極星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最頂級的發動機,它是美國首款頂置凸輪軸的V8鋁合金的引擎。它的汽缸套由全鋁合金壓鑄而成。目前廣泛應用于凱迪拉克上的4.6升發動機最大功率320馬力,最大扭矩427Nm。而應用于高性能V系列的機械增壓款更可高達476馬力/606Nm。

    1.2 輪轂用鋁合金


    鋁輪轂因為質輕、散熱性好,并具有良好的外觀,而逐漸取代了鋼輪轂。在過去的10年,全球鋁合金汽車輪轂以7.6%的年增長率增長,根據分析,到2010年時,汽車輪轂鋁化率可達72%~78%。A365是一種鑄造鋁合金,它具有良好的鑄造性能又具有高的綜合力學性能,世界各國的鑄造鋁合金輪轂都是此類合金生產的。我國西南鋁加工廠與日本輕金屬株式會合作開發了A6061鋁合金輪轂。 汽車廣泛應用的鋁制輪轂是鋁合金在汽車上應用的一個例子,幾乎所有的新車型都采用了鋁合金輪轂。


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    1.3  變形鋁合金的應用


    變形鋁合金在汽車上主要用于制造車門、行李箱等車身面板、保險杠、發動機罩、車輪的輪輻、輪轂罩、輪外飾罩、制動器總成的保護罩、消聲罩、防抱死制動系統、熱交換器、車身構架、座位、車箱底板等結構件以及儀表板等裝飾件。

    1.3.1 車身板件用鋁合金


    板材在轎車上的應用比重不斷上升,如經熱處理(如:T4、T6、T8)的6000系(AI-Mg-Si系)鋁合金板材,能夠很好的滿足汽車對殼體的要求,可用做車身框架材料。Audi A8的車身鈑金件,即采用了本系合金鋁材。另外,2000系(AI-Cu-Mg系)、5000系(AI-Mg系)和7000系(AI-Mg-Zn-Cu系)鋁合金也可應用于車身材料。近幾年,采用6000系和7000系高強度鋁合金開發了“口”、“日”、“目”、“田”字形狀的薄板和中空型材,不僅質量輕、強度高、抗裂性能好,而且成型性能好,在汽車上得到了廣泛的應用。

    1.3.2 其它鋁合金結構件


    鋁合金也被廣泛應用于汽車的其他部位,如:美國通用汽車公司用7021鋁板制造Smure轎車保險杠增強支架,福特公司用7021鋁板制造Lincoln Town轎車保險杠增強支架。汽車懸掛件也應用了鋁合金材料,有效減輕了相應零部件的質量,提高了汽車行駛的平順性、穩定性,如用6061鍛件生產的盤式制動器卡爪、動力傳動框架等。此外,鋁合金也廣泛用于汽車空調系統,如日本用6595鋁合金做汽車散熱器和冰箱散熱器。


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    二 新型鋁合金在汽車上的應用


    2.1 快速凝固鋁合金


    快速凝固條件下(冷速達104~109℃/S),材料將引起一些組織結構上的新特征:超細化的微觀組織;提高合金的固溶度極限;成分的高度均勻、少偏析或無偏析;形成新的亞穩相等?;谶@些特征,快速凝固鋁合金必然會在汽車行業得到應用。Sumitomo電器公司利用快速凝固PM AI-Si-X高硅鋁合金代替燒結鋼,大批量制造汽車空調壓縮機轉子和葉片,使轉子重量減輕60%,整個壓縮機重量減輕40%;雅馬哈汽車制造公司生產的快速凝固高硅鋁合金活塞也投入市場,這種活塞與普通鑄鐵相比,重量減輕了20%,壽命提高了30%,而且顯著降低了噪音,減少污染;馬自達汽車公司利用噴射沉積Al-Si-Fe-Cu-Mg合金制造了一種新型發動機轉子,提高了發動機效率,能節油20%。

    2.2 鋁基復合材料


    以陶瓷纖維、晶須、微粒等為增強材料,生產鋁基復合材料,其比強度、比彈性模量、耐熱性、耐磨性等大幅度提高,可用做發動機零件,如用粉末冶金法研制成功的Al2O3或SiC顆粒(晶須)增強的Al-Si系合金活塞,在保留Al-Si合金活塞優點的同時,可進一步改善活塞的強度、耐磨性、耐熱性和抗疲勞性能,用于汽車發動機上;此外,顆粒增強鋁基復合材料還可用于制造車輛發動機的汽缸體、活塞和連桿等部件。

    2.3  泡沫鋁合金


    泡沫鋁合金是一種在金屬基體中分布有無數氣泡的多孔材料,這種材料的質量更輕、強重比更高,并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。將泡沫鋁填充于兩個高強度外板之間制成的三明治板材,在用于車身頂蓋板時,可提高剛度、輕量化并改善保溫性能,用在保險杠、縱梁和一些支柱零件上時,可以增加撞擊吸能的能力,在輕量化的同時,提高了撞擊安全性。

    三 鋁合金在汽車上的發展前景


    在輕量化金屬中,鎂合金密度雖比鋁合金小,但鎂錠成本較高,且零件制造過程中還有許多技術障礙,如缺少高溫壓鑄合金和設計數據,表面處理技術粗劣,結合水平低等,所以目前在汽車上的使用量相當有限;而航空航天用的鈦合金雖有高的機械強度,但制造工藝困難和制造成本昂貴,導致鈦合金無法大批量的應用于汽車生產。鋁合金在成本、制造技術、機械性能、可持續發展(地殼中鋁含量最多,占8.1%)等方面綜合性能好,因此鋁合金是現在及將來汽車工業中的首選輕金屬材料。


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    從上表可知,汽車每使用1 kg鋁,可減輕自重2.25 kg,減重效應高達125%,在汽車整個使用壽命周期內可減少廢氣排放20 kg。此外,鋁回收簡便,是除鋼鐵以外能最大限度從上表可知,汽車每使用1 kg鋁,可減輕自重2.25 kg,減重效應高達125%,在汽車整個使用壽命周期內可減少廢氣排放20 kg。此外,鋁回收簡便,是除鋼鐵以外能最大限度回收利用的材料,幾乎90%的汽車用鋁可以回收并循環利用。鋁具有良好的物理和化學性能,工業生產中的鑄、鍛、沖工藝均能適用,是可采用多種鑄造工藝制造零件的少數幾種金屬材料之一,最適于應用廣泛的壓力鑄造工藝。但鋁合金的成本仍高于鋼鐵材料?;厥绽玫牟牧?,幾乎90%的汽車用鋁可以回收并循環利用。鋁具有良好的物理和化學性能,工業生產中的鑄、鍛、沖工藝均能適用,是可采用多種鑄造工藝制造零件的少數幾種金屬材料之一,最適于應用廣泛的壓力鑄造工藝。但鋁合金的成本仍高于鋼鐵材料。 車身的重量約為汽車總重量的30%,故車身的輕量化占有舉足輕重的地位。在汽車內外板上用鋁合金板代替鋼板可使車身減重約40%-50%;如采用鋁合金覆蓋件整車減重10%-15%,可見采用鋁合金車身板的減重效果十分顯著。鋁合金在汽車輕量化應用方面提供了很好的應用基礎和市場前景,必然為鋁合金汽車覆蓋件的應用帶來更大機遇。因此,用鋁合金板取代鋼板制造車身覆蓋件也是汽車輕量化的必然之路。 德國奧迪A8型高級轎車的整個車身均采用鋁材制造,框架采用立體框架式結構,覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比,質量減輕30-50%,油耗減低5-8%。


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    目前,我國汽車生產量繼美國、日本、德國之后,居世界第四位。而在汽車鋁化率方面,我國的技術還相對比較落后。當前發達國家汽車上鋁材的使用已達138kg,鋁化率達12%,而我國汽車上鋁材的使用與國外差距很大,平均用鋁量僅為60kg,鋁化率不到5%。因此,我國汽車用鋁合金市場的發展前景非常廣闊。

    四 鋁合金應用的主要障礙

    在汽車中擴大鋁合金的應用將會產生巨大的經濟效益和社會效益,但目前尚有以下亟待解決:

    (1)鋁合金板材的性能尚需提高; (2)建立汽車用鋁合金的數據庫; (3)研發鋁合金零件的設計方法、結構計算方法、成形工藝的 ;  (4)計算機模擬以及焊接工藝方法; (5)研究鋁合金材料的表面形態、油漆前的前處理、油漆后的防 ;(6)腐效果等問題,積累數據為鋁合金應用時工藝的制定提供基礎數據 ;(7)維修市場對經碰撞后的鋁合金結構件和覆蓋件的復原、恢復原則以及開裂后的補焊等均缺乏經驗和方法。

     
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