車輛鋁基合金的輕量化的研究進展

田俊 宮藍波

摘要：隨著大眾購車，商旅往來，在汽車船舶，軌道交通，航天航空方面，鋁基合金正迎來一個全新的春天。車輛輕量化鋁基合金更是首當其沖。本文介紹了鋁基合金輕量化的發展和應用以及技術。在保證強度剛度一定條件下，降低鋁基合金重容比，即提高鋁基合金的輕量化程度。

關鍵詞：鋁基合金；輕量化；汽車

輕量化的概念最先源于賽車。輕量化鋁合金通過減輕重量，可以獲得更好的操控性，起步時加速性能更好。并且降低油耗，有利于節能環保。其實不止汽車行業，還包括軌道交通、航天航空，以及我們日常生活物品的各種便攜性物品也需要輕量化，例如行李箱、三腳架、自行車等等。

1 輕量化鋁基合金的迫切需求

鋁基合金輕量化的提升為何越來越受重視？其實追究到底離不開經濟與環保。而最突出的就是汽車行業。

車輛輕量化大大有利于節能減排，在確保汽車的車身強度與行駛安全性的同時，盡量減少汽車的重量，來提高動力性能，節省燃油，減少排氣污染。材質輕量化是當前汽車輕量化研究采取的主要手段之一。

鋁合金因其密度較低，具有可以媲美甚至超越優質鋼的比強度和比剛度；較好的塑性可以加工成各種型材；較高的耐腐蝕性能可以避免生銹；回收率高，具有卓越的環保性能；并且鋁基合金在世界上產量最高，在有色金屬陣營中，鋁的產量已經超越了銅、鉛、錫及其他有色金屬的總和，無疑是輕量化研究的重中之重。在新能源電動汽車領域，使用全鋁車身，可以讓汽車減重，提高動力性能，增加了續航能力，對用戶用車和節能環保有重大意義。

2 傳統鋁基合金技術的研究與應用

經濟適用的輕量化鋁合金更多地運用在了汽車方面，所以汽車各公司對于輕量化的研發從未停止。例如奧迪空間框架結構AUDIASF，它采用了全鋁化車身，集高強度、高剛度、重量小于一體。駕駛員和乘客將得益于這樣車型極高的主動安全性能和動態操縱性能以及經濟的燃油消耗量。

鑄鐵、鑄鋼和燒結鋼制造的汽車發動機笨重、油耗高，而鋁合金使其減輕重量30%以上，所以目前國外很多汽車企業均已采用了全鋁制的發動機氣缸部件。

鋁合金輪轂因為質量輕、抗腐蝕性強、散熱性良好、回收率高，并具有優美的外觀，逐漸取代了鋼質輪轂。車輛載重實驗說明，一輛普通汽車全部將鋼輪轂換成鋁輪轂，可以將整重降低不低于10千克，每年節省汽油200升。著名Alcoa公司的Mseries鋁輪轂比普通輪轂降低了近一半重量。

鋁合金板材在汽車上的使用量在一直增長。例如經過熱處理的6000系鋁基合金板材是汽車殼體極佳的材料，可用做車身的框架。除此之外，2000系、5000系和7000系鋁基合金也可以作為車身材料鈑金件。近幾年，使用6000系和7000系高強度鋁基合金開發的車體鈑金件不僅重量輕、強度大、抗裂性能良好，而且成型性好，能夠極好的滿足汽車對殼體的要求，在汽車行業得到了極其廣泛的應用。

3 新型鋁基合金技術的研發與應用

當冷卻速度為104～109℃/S時，鋁基合金將發生一系列組織結構上的新的特征表現。目前這種技術的應用很廣泛，例如Sumitomo電器公司的空調壓縮機的轉子和葉片、雅馬哈汽車制造公司的快速凝固高硅鋁基合金活塞、馬自達汽車公司使用噴射沉積AlSiFeCuMg合金制造出一種新型發動機轉子。

泡沫鋁合金是鋁合金內添加添加劑，經過發泡工藝，分散有無數氣泡的多孔材料，這種材料的質地更輕、強重比更高，可以很好地吸收沖擊力，擁有良好的吸振特性。泡沫鋁“三明治”板材具有重量輕，強度高、保溫性好的特性，用在車身的頂蓋板，可提高輕量化、剛度并且改善保溫性能。除此之外，將泡沫鋁用在縱梁、保險桿等支柱零件上，在輕量化的同時，也提高了撞擊的安全性。

不僅如此，鋁輪轂除了傳統鑄造工藝外，還有半固態成型技術，這種技術可以提高鋁輪轂的使用壽命，最重要的是可以消除鑄造技術帶來的氣孔等缺陷。而且這種工藝生產技術簡單，成本低。

4 結論

鋁基合金的輕量化研發更是重中之重，各行各業的都在努力研發，尤其是汽車行業，其具有極高的民生價值與經濟效益。鋁基合金的研發設計方方面面，不止從鑄型，還有材料本身的結構與成分。其中凝固技術和泡沫鋁以及半固態成型技術的研發成效卓越。

鋁基合金在汽車行業上的應用現在只露出了冰山一角，隨著汽車用鋁量的不斷增加，它的潛能將不斷被挖掘。汽車中的用鋁量最高可達540kg，這可以讓汽車重量減少40%。若按每輛車用鋁每噸4萬元算，預計到2020年，車用鋁基合金的市場規模將可能超過2500億元。在不久的將來，輕量化鋁合金時代即將全面到來。

致謝：

本文在項目16030501200“研究深海油氣田水下機器人的關鍵技術”，E309031601160題為“16ky0116鎂合金真空吸鑄微觀組織研究”，E308001602042《宮藍波cx1601001研究非晶合金的形成過程和組織缺陷”和a18908160102004題為“田俊cs1601004鋁基合金定向凝固力學性能的研究”的基礎上發表。很感謝上海工程技術大學的機器人功能材料制備實驗室的設備使用。

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