鋁在日本摩托車中的應用

文/ 王祝堂

1992年全世界兩輪摩托車產量達到1 千萬輛，后來由于世界經濟的影響，產量略有下降，2013年的產量約為9800萬輛。2013年，全球保有量約為1.25 億輛兩輪摩托車，亞洲的中國、印度、日本、臺灣地區不僅是生產摩托車的大國與地區，而且也是保有量最多的，他們的產量幾乎占全球的55%，保有量也占50% 強，歐洲的產量約占世界總產量的21%，北美洲及南美洲的產量占24% 左右。

日本曾在較長時間內一直是世界第一大摩托車生產與銷售大國，1981年的產量一度高達741萬輛，后來一路下滑，1987年僅為263萬輛，隨后雖略有上升，但到了1993年也只不過生產了302萬輛，2013年的產量也僅約280萬輛，而中國1993年的摩托車產量一路飆升到337萬輛，超過日本成為世界第一大國，自此以后，位居世界第一的格局再也沒有改變，預計在今后一段時間內，這種局面也會一直保持著。2010～2013年中國摩托車的產量與出口量見表1。

表1 2010～2013年中國摩托車的產量與出口量（單位：萬輛）

一、摩托車分類

兩輪摩托車可按其大小式樣、性能、用途和排氣量進行分類，通常多按排氣量分類。從消費者方面考慮，則多按照式樣、用途、實用性、流行性、趣味性等功能分類，如分為公務車、家用車、微型、業余型、運動型等。

二、鋁在摩托車上的應用

世界摩托車產業在近幾十年的發展速度驚人，從最初的主體材料采用鑄鐵的笨重呆板的摩托車，到現在成百上千種不同規格，采用不同材料、技術的新型摩托車。摩托車無論是在民用還是在軍事上都得到了充分的應用，滲透到人們生活的方方面面。近30年來，中國摩托車工業的發展更是突飛猛進。到1993年已經成為世界摩托車第一生產大國，產量達337萬輛，出口150 多個國家和地區，實現了巨額的外匯收入。但是隨著摩托車日益普及和世界能源及環保等綜合問題的日趨嚴重，不僅消費者對摩托車的綜合性能要求更高，各國也制定相應的法規對摩托車綜合性能要求更為苛刻。摩托車工業的發展與材料、制造技術密切相關，也是一個國家整體工業水平的反映。中國雖然是世界上摩托車第一生產大國，但是摩托車材料和其制造技術相對還比較落后，迫切需要制造適應未來時代要求的行駛安全可靠、環保、節能、低成本的新一代相關材料及先進制造技術。眾所周知，采用質量輕、力學性能高、吸震降噪的新型材料可降低摩托車油耗，減少廢氣排放，增加乘坐的舒適性和安全性。大家知道，小轎車在標準公路上行駛時，85% 的油耗被其自身質量吞噬。因此，自身質量每減輕10%，油耗可降低8%～10%，摩托車自身質量的減輕，其油耗的下降率應當不會比汽車的小，節能減排效果會更高一些。

同汽車行業一樣，摩托車產業面臨的嚴峻挑戰有：節能減排、降低噪音、減輕震動、提高安全性與乘客舒適性、增強趣味性、提升外表魅力等等。實踐證明，改進設計與采用密度低的輕質材料是應對這些挑戰的有效措施，但是在設計方面的改進已潛力不大，而在當今的技術條件下，潛力最大的是采用盡量多的輕質材料零部件，可用的輕質材料有鋁、鎂、鈦、塑料、復合材料、3D 打印等，然而，從目前到2025年的這段時間內，鋁是最具實用價值的輕量化材料，因為鋁材生產及其零部件的制造技術已經十分成熟，有最高的性價比，是可循環性最佳的材料，是資源最豐富的天然材料。

1.鋁在兩輪摩托車上的應用

三四十年前，摩托車多用鋼與鑄鐵制造，首次用鋁合金制造的摩托車于1932年在法國問世，主要材料有鋁、鋼、其他材料。不過，用鋁及鋁合金替代鋼、鑄鐵制造摩托車零部件面對的最大問題是車價的提高。在摩托車制造中，發動機缸體及缸蓋與一些外圍零件從摩托車批量生產開始就是用鋁合金制造的，現在所說的以鋁代鋼不含發動機零部件。從1980年開始，運動型摩托車的車輪、車架主體、腳踏零件、散熱器等大型零部件都已經鋁化，早在15年前就已經全部鋁化，因為對它們的主要要求是：堅固、安全、可靠、輕便、快捷等，價格并不是首要的。

鋁在日本兩輪摩托車中的比例大小決定于車型，約為10%～36%，2013年用的最多的車型恐怕也不會超過42%，但比小轎車26% 的平均鋁化率要高得多。在日本，對小型摩托車的成本很重視，它們的鋁化率就低一些，如登山、越野、宿營車的鋁化率只有10%～15%，在一般道路上行駛的加重車和非加重車型運動車的鋁化率高一些，為25%～35%，加重型賽車的最大鋁化率也只不過為42%，這時，凡是可用鋁制造的零部件都已經全部使用鋁來制造了。

2.摩托車用鋁合金

（1）大部分鑄造鋁合金使用廢鋁配制的，由于生產技術與工藝的進步，現在全部或大部分用再生鋁配制的鑄造鋁合金的各項性能可完全與用重熔用鋁錠配制的相同，摩托車車產業除了用標準鑄造鋁合金與壓鑄鋁合金外，一些企業還各自研發出一些有特定性能的合金。鑄造及壓鑄摩托車零件用的合金及所生產的零件見表2。

壓鑄發動機缸體或上蓋多用Al-Si-Cu 系合金（ADC10、ADC12），它們的用量約占總量的55%，有良好的可鑄造性能與耐壓性能，適用于壓鑄大型零件，它們還有較高的耐熱性，可用于壓鑄制動盤和其他制動零件，有高的力學性能與較高的可切削性能，但由于含銅，抗蝕不高。ADC5、ADC6 合金的韌性高，前者為Al-Mg 系合金，后者為Al-Mg-Mn 系合金，它們的抗蝕性與可切削性都不錯，可用于制造手把、踏板和要求有較耐磨性的制動零件。ADC5 合金還具有良好的可陽極氧化性能，可獲得亮麗的膜層，但是流動性、耐壓性欠佳，有熱脆性，時長發生粘膜現象。

ADC3 合金為Al-Si-Mg 系合金，可鑄造性能比Al-Si 系合金的差，有較強的耐蝕性和韌性、良好的可切削性能，不過易產生粘膜現象。

砂型及金型鑄件多是用標準合金鑄造的，近二十年來工業發達國家研發出一些新型的車架鑄造合金及鑄造焊接結構的合金。像Al-Si 系合金添加少量Cu 的AC4B合金不僅有高的力學性能，而且有優秀的可鑄造性能和可切削性能，在鑄造結構件方面獲得應用，特別是Fe 含量小于0.2% 的AC4CH（相當于美國的A356）合金，具有良好的綜合性能，還有較高的韌性，多用于鑄造車輪與腳踏板等大型受力件，若對其進行Sr 或Sb 等變質處理，可進一步提高韌性，其伸長率也很穩定。

AC9A 合金是過共晶型的Al-Si 系合金，含22%～24%Si，可熱處理強化，雖然其熔體的流動性比AC8A 合金的小一些，但是其線膨脹系數小、耐磨性強，多用于鑄造兩沖程式發動機活塞。

（2）變形鋁合金

變形鋁合金在摩托車制造中的應用不多（見下頁表3），用得多一些的是鍛件和管材。為了減輕車的自身重量，用鋁管置換鋼管焊接結構，如用Al-Zn-Mg 系合金7N01 或7N03 合金管材焊接大梁，用2XXX 系合金鍛件替代鋼件，不僅降低了車的自身重量，而且零部件的強度與車的載重量也得到保證。

表2 日本兩輪摩托車用鑄造鋁合金及所鑄零件

表3 變形鋁合金在日本兩輪摩托車中的應用

3.典型鋁制零部件

兩輪摩托車的典型鋁合金發動機零部件的工作環境非常嚴酷，這類零件有汽缸、汽缸蓋、汽缸底座、外罩之類等多是鑄造或鍛造的，而活塞、凸輪軸、離合器等則有約52% 以上是用自由度較高的壓鑄、重力壓鑄、低壓鑄造工藝生產的。

架體部分中的手把、制動塊、制動板等無論哪種摩托車都用鋁合金制造。加重運動型賽車在功能方面不僅要求輕量化和操縱穩定性，而且對外觀要求也高，要能吸引眼球。因此，車輪與操縱性底部橫梁、搖臂或支架梁、操縱踏板等已全部采用高強度變形鋁合金制造。車體部分既要有一定的強度又要有高的剛度，應主要用變形鋁合金，但近期也有用鑄造鋁合金的，這當然是進步。

（1）活塞

兩輪摩托車的發動機有兩沖程（兩缸）和四沖程（四缸）的，排氣量為50～1500CC,大排氣量車多采用四沖程發動機，而輸出功率大的排氣量250CC 以下的輕便車和加重運動型賽車大都采用兩沖程發動機。兩沖程發動機的結構較簡單，在排氣量相等的情況下，可以獲得更大的輸出功率。

四沖程發動機對活塞的冷卻與潤滑都不利，其最高溫度可達約448℃，即使用油冷卻的四沖程發動機活塞的最高溫度也可達360℃左右。為了提高輸出功率，可以采用輕量薄壁型缸，不過由于負載應力大，應選用高強度的AC8X 系鋁合金制造四缸活塞。

對兩沖程活塞來說，為了降低其熱變形，其用材不僅應有高的高溫強度，而且應耐磨耗、抗開裂，故采用過共晶的Al-Si 系的AC9A、AC9B 合金鑄造，還應進行表面處理。不僅要盡量提高發動機的功率，而且應將其噪聲降至最低。為此，應盡量減小活塞與汽缸內壁間的間隙，在這種情況下，會加大磨耗。因此，必須進行表面處理，以延長使用壽命。

（2）汽缸

日本摩托車汽缸所以材料見表4，為確保內表有面有高的耐磨性與抗劃傷性能，很多企業采用鑄鐵制造缸體，但整個缸不能全用鑄鐵，否則幾乎不能正常運轉。因此，現在大于100CC 的汽缸全部都鋁化了，采用重力鑄造或者低壓鑄造，鑲有鑄鐵條，一方面減輕了重量，另一方面提高了抗磨性能。鋁合金缸的散熱效果比鑄鐵缸要高得多，而燃燒室周圍的溫度有所下降，提升了混合氣體的吸進效率，改進了抗沖擊性能，提高了發動機輸出功率，對活塞表面與缸體內表面的空隙部分都作了表面處理，形成復合電鍍層，層膜厚度50～100 μm，鍍層中含有硬質點，這種復合膜層為Ni/sic、Ni-P/sic、Ni-P/BN。四沖程發動機汽缸形成復雜，又是大型件，同時有鑄鐵鑲塊，多數是壓鑄的，近期有用急冷粉末冶金法制造的，既達到了輕量化目的，又全面提高了使用性能。

表4 日本摩托車汽缸用材

（3）缸蓋

兩輪摩托車四沖程發動機汽缸蓋的形狀與小轎車的基本相同，但是由于它輕巧薄壁、形狀復雜，且要求外觀時尚、亮麗、觀賞性強，不允許存在鑄造缺陷。因此，是一種高技術鑄造產品，在日本基本上采用低壓鑄造法生產。為此，采取的措施有：適當提高熔體溫度，增強流動性，精心設計流道（澆口）位置和形狀；用電腦控制各項工藝參數，特別是模型各部分的溫度分布；采用鑄造性能優良熱處可強化的AC2B、AC4B 合金。而輸出功率高的兩輪摩托車的汽缸不僅形狀復雜，而且熱負荷也高，頻用高溫強度與熱疲勞強度都高的Fe、Zn 含量低的且嚴格控制Cu、Si、Mg 含量的AC2B、AC4B 合金鑄造。

（4）搖臂式支架梁

搖臂式支架梁是一個重要的結構件，是支撐后輪和車主梁的連接件，一直是用鋼管或沖壓鋼板件焊接的，由于技術進步與高強度鋁合金的發展，已經全部實現了鋁化。用鋁合金制的支架應能滿足一下要求：材料應有高的抗扭剛度，以確保操縱的穩定性與可靠性；在行駛過程中路面會產生復雜的反復負荷，材料應有一定的疲勞強度，能保證零件持久安全可靠；應有令人矚目的外觀、亮麗時尚等。

大多數摩托車采用雙搖臂支架梁，賽車則采用單側后輪支撐搖臂式支架梁，鋁合金支架梁有整體鑄造的；有全部采用變形鋁合金焊接的；也有混合型的，主體部分為鑄件，搖臂部分為擠壓型材。

鋁合金搖臂式支架梁比鋼結構的輕20% 以上，同時采用有限元法設計的整體鑄造梁既保證了強度方面的要求，又滿足了質量減輕的需要。1985年開發出混合型支架梁，這種混合型梁的支架應有高的疲勞強度與屈服強度，是用7XXX 系合金（A7N01-T5、A7003-T5）擠壓型材制造的。鑄造部分用鑄造性能優越Al-Si-Mg 系合金和適合于焊接的Al-Mg 系合金制造。焊條采用Al-Zn-Mg 系合金，也可以采用裂縫敏感性低的Al-Mg 系合金。

全部采用高強度擠壓型材料制造搖臂支架，雖然質量減輕了，但制造成本卻上升了，混合型支架最可取。

（5）車架本體

車架本體又稱車身主梁，簡稱主梁。在上世紀80年代以前，兩輪摩托車主梁一直是用碳素鋼管焊接的，跟搖臂式支架梁一樣，同樣面臨著輕量化、高剛性、高強度、高雅外觀的挑戰。日本從1979年開始生產與銷售混合型主梁，1983年鋁合金主梁250CC 兩沖程加重賽車率先上市。當時主梁的結構與鋼管焊接結構相同，采用雙搖臂式支架梁，為鋁合金擠壓型材與鍛件焊接結構。

日本兩輪摩托車主梁基本上為鋁合金擠壓材與鋁合金鑄件焊接結構，安全可靠，外觀亮麗流暢，而歐洲的小型兩輪摩托車的車架主梁采用與ADC3 合金相當的壓鑄件，以螺釘連接。各種型式車架主梁所用材料及制造工藝見表5，管材用高強度可焊接性優良的7003、A7N01 合金擠壓，還有一部分管材是用A5083 合金擠壓的，它同樣有良好的可焊接性與高的力學性能。

焊接主梁的管材合金為Al-Zn-Mg 系合金，有高的力學性能，優秀的可焊性，焊縫與過渡區的強度與母材的相差不大，同時有良好的可擠壓性能，可生產斷面復雜的空心型材與管材，5083 合金也是這樣的一種優秀變形鋁合金。連接主梁與搖臂式支架梁的回轉中心鑄件必須有高的強度與外表觀賞性。總之，制造主梁零件的鋁合金應具備如下的性能：高的力學性能，特別是強度與韌性；不僅有相當強的抗普通腐蝕的性能，而且應力腐蝕開裂敏感性應低；可陽極氧化處理性能好，氧化膜色調應均勻一致，有相當強的金屬質感；優越的可鑄造性能；良好的可焊性。

鑄造主梁鑄件的鋁合金有Al-Mg 系的AC7A 合金，也有Al-Mg-Zn 系的，Al-Zn-Mg 系的，Al-Si-Mg 系的，各企業用的不盡相同。AC4CH 合金是一種改良型的Al-Si-Mg 系合金，有優越的可鑄造性能，擴大了主梁設計自由度，合金的剛性也高，可以鑄造大的鑄件。不過合金的Si 含量不能呢個過高，否則氧化膜呈黑色，Si 含量控制為4.5%～5.5%。此合金的開發成功對鋁合金主梁的生產與推廣起了相當大的作用。

表5 主梁鋁合金及制造工藝

三、結語

鋁雖然在摩托車中有著廣泛的應用，但鋁化率還有待提高。中國是摩托車生產和出口大國，2012年的產量和出口量分別為3263.98萬輛和893.59萬輛，2013年的產量預計超過2300萬輛。如果每輛車多用1kg 鋁，那么鋁的消費量就可以多出2.3萬噸，這對于化解中國鋁產能嚴過剩有一定的意義。在《國務院關于化解產能過剩矛盾的指導意見》中，就把推廣交通車輛輕量化，使用鋁材產品的開發和應用列為化解電解鋁產能過剩的重要舉措之一。

另外，摩托車的輕量化對于節能減排也有著重要意義。日本也是世界摩托車生產主要國家之一，在摩托車設計、制造工藝和鋁化率方面均居世界前列。本文詳細地介紹了鋁在日本摩托車中的應用，希望對中國推廣鋁在摩托車中的應用有所裨益。

在摩托車產業應用的鋁中，再生鋁的用量占48%左右，推廣鋁在摩托車中的應用，無疑對建立循環經濟和加強鋁的再生利用也是有益的。