金屬材料在汽車輕量化中的應用

孫鳳雨

摘 要：伴隨汽車工業的快速發展，能源短缺和環境污染問題已成為汽車工業未來面臨的主要問題。如何實現節能減排，已成為汽車工業亟待解決的問題。而汽車輕量化是實現節能減排的關鍵，是汽車工業可持續發展的關鍵。輕量化材料的應用是實現汽車輕量化的重要途徑之一，可以有效地地實現節能減排，有些材料還可在一定程度上能提高車身的耐久性和安全性。本文主要研究鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼在汽車上的應用。

關鍵詞：輕量化 鋁及鋁合金 鎂及鎂合金 高強度鋼 鈦合金

中圖分類號：U465 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-00-02

1 引言

汽車輕量化是在保證原有性能（如安全性、舒適性）不受影響的前提下，減輕汽車整備質量。由于汽車質量的大小直接影響到汽車行駛的滾動阻力、爬坡阻力、加速阻力，可見汽車質量的大小與燃油消耗率有著密切的關系。

據權威部門統計數據表明，汽車所用燃料的60%消耗于汽車質量，汽車每較小10%的質量，排放會減小約10%，油耗約減小7%，可見汽車輕量化，對節能減排具有重要的意義[1-2]。

實現汽車輕量化的途徑有結構優化、應用輕量化材料、采用先進制造工藝3個方面。其中輕量化材料的應用起主要作用，輕量化材料分為金屬材料和非金屬材料兩類，本文闡述幾種主要的金屬材料在汽車上的應用，如鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、高強度鋼的應用。

2 幾種主要的金屬材料在汽車上的應用

2.1 鋁及鋁合金

金屬鋁的密度較小，大約為鐵的1/3，導熱性良好，僅此于銅；鋁塑性較高，易于加工成型，同時具備良好的抗腐蝕性能。只是金屬鋁強度不高，不適合制成結構件，但金屬鋁的優良性能在于能夠和眾多金屬元素組成性能不同的合金，稱之為鋁合金，在鋁的基礎之上，鋁合金具備了密度小強度高的特點，鋁合金的強度和優質鋼相當。

鋁合金主要添加的金屬元素有銅、鋅、錳、硅、鎂等。鑄造鋁合金熔點低、流動性良好可以實現復雜形狀零件的成型，適合鑄造復雜的箱型零件、殼體零件等，如發動機的機體。變形鋁合金可采用軋制、鍛造、拉拔或擠壓成型，如鋁合金輪轂。鋁合金在汽車車身、發動機、傳動系、行駛系上均有廣泛應用[3]。

目前，發動機上的主要零件已由早期的鑄鐵逐漸轉換為鋁合金，如機體、活塞、油底殼等零件，機體是鋁合金用量最大的部件，與高強灰鑄鐵機體相比鋁合金機體的具有諸多優點，鋁合金質量輕、導熱性好，有利于發動機散熱，進而可以減小散熱器的尺寸，有利于實現發動機輕量化。另外水泵殼體、油泵殼體、發電機殼體、起動機殼體，各類支架、支座類零件也多由鋁合金制成。

鋁合金在汽車底盤上的應用，主要有離合器殼體、變速器殼體、轉向器殼體、制動器殼體、轉向節、制動鉗、輪轂等零部件。一部分汽車的剎車踏板、離合器踏板、方向盤骨架、輪轂也已采用鋁合金制造。以鋁合金輪轂為例，鋁合金輪轂目前在乘用車上已經廣泛應用，逐漸替代了鑄鋼與鍛鋼。這是因為在滿足相同使用條件的情況下，鋁合金輪轂自身重量比鋼輪轂降低一半，另外，鋁合金良好的散熱性，可以減低輪胎的溫度，降低爆胎的危害。

鋁合金在車身各部件上的應用較多，某些高檔轎車高端車型甚至采用“全鋁車身”，早在1995年，奧迪公司采用了全鋁車身打造了奧迪A8型轎車，這也是鋁質材料車身最具代表性的應用。目前部分汽車的座椅、車廂底板、行李架、車身部分面板等部件均已采用鋁合金，表1以德國產某轎車車身用鋁為例，介紹了鋁合金在車身上的主要應用。

雖然鋁合金在車身輕量化中起著重要作用，但是仍存在一些不足，比如鋁合金板材的局部拉延性不好，容易產生裂紋；撞擊變形后，由于鋁材的整形技術、表面處理噴漆技術難度大，導致維修成本高，鈑金修復不如鋼車身。

2.2 鎂及鎂合金

金屬鎂是目前工業用金屬材料中密度最小，比強度最高的材料，其密度在20℃時僅1.73g/cm3，比鋁的密度低36%，比鐵的密度低78%，鎂合金作為輕質合金，普遍應用于交通工具中。鎂合金不但質量輕，而且抗震性能也很好，是一種理想的減振材料；另外，鎂合金有良好的壓鑄成型性能，可鑄造薄壁件及復雜零件[4]。

鎂和鎂合金在汽車上的應用主要以壓鑄件為主，大體可分為兩類，一類是殼體類零件，一類是支架類零件，如變速箱體發動機前蓋、離合器殼體、剎車支架、方向盤、轉向支架等。鎂合金零件的輕量化效果十分明顯，表2所示為一汽鑄造公司目前生產的部分鎂合金零部件及單重表。

鎂合金雖然有諸多優良性能，但是也存在一些缺點，如抗高溫、抗疲勞破壞能力差等，若要提高鎂的利用率，應進一步完善鎂合金的耐高溫性能和抗疲勞破壞的能力。

2.3 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金具備優異的綜合性能，鈦合金的應用，對汽車實現節能環保具有重要作用，也是汽車實現高性能化的基礎。鈦合金是一種新興材料，備受汽車工業的關注。

鈦的密度小，界于鋁和鐵之間，鈦的比強度高，韌性與鋼鐵相當，應用鈦及鈦合金制造的汽車零部件，輕量化效果十分明顯，是車體框架材料的良好選材。

鈦及鈦合金的抗腐蝕性能好，優于不銹鋼，工作溫度范圍較大，其工作溫度在-253℃～550℃之間，因此，鈦及鈦合金在排氣系統中的用量較大。鈦合金排氣系統使用壽命長、可靠性高；與傳統鋼制排氣系統相比質量輕，據相關研究表明，鈦合金排氣系統比鋼排氣系統質量減輕約40%，輕量化效果明顯[2]。

鈦及鈦合金彈性模量低，適合制作彈性元件，與鋼制汽車彈簧相比，性能相同的情況下，彈簧高度可減小60%，質量可減小60%～70%，利于車體設計，鈦合金優異的抗疲勞性能和耐蝕性可提高鈦彈簧的使用壽命[2]。

2.4 高強度鋼

一般屈服強度在1370MPa以上，抗拉強度在1620MPa以上的合金鋼稱超高強度鋼，高強度鋼主要的合金元素有鎳、鉻、鉬、錳、硅等。由于高強度鋼的屈服強度、抗拉強度較高，應用于汽車車身，可降低車身質量，提高汽車碰撞安全性。

汽車白車身主要由鋼材組成，那么合理的應用高強度鋼板可以達到減薄車身用板厚度和重量的目的，研究表明與普通鋼板車身相比，高強度鋼車身板材厚度可減少1.0～2.0mm，質量可減輕15%-20%左右，高強度鋼對提高車身強度減輕車身質量具有重要作用。因此高強度鋼的應用可以減輕汽車質量，降低燃油消耗，同時滿足安全性能的要求，降低了制造成本和使用成本，對實現節能減排具有重要意義[5-6]。

為了滿足安全性，要求結構梁類零件受到碰撞沖擊后變形量很小，高強度鋼具有較高的抗拉強度，主要用于車身、車架、橫縱梁等關鍵部位，如A柱、B柱、C柱加強板、車頂加強梁、地板通道等。高強度鋼的應用對提高汽車安全性也起著重要的作用等。

目前，部分轎車車型高強度鋼的用量可達45%左右，用量非常大，已經超過普通鋼材，高強度鋼之所以在汽車上大量應用，一方面，與鋁合金、鎂合金相比，高強度鋼的原材料價格較低，能夠降低成本；另一方面，與普通鋼板相比，高強度鋼的強度、剛度、抗疲勞強度等綜合力學性能較好，安全性高。

參考文獻

[1] 李中.鈦合金在汽車上的應用[J].中國有色金屬學報，2010（10）：1034-1038.

[2] 祝明明，張慶帥，石旭.金屬材料在汽車輕量化中的應用與發展[J].車輛與動力工程，2017（3）：138-141.

[3] 李景坤. 淺談鋁合金在汽車上的應用[J].內燃機與配件， 2017（18）：32-33.

[4] 陳元華，楊沿平.輕合金在汽車輕量化中的應用研究[J].桂林航天工業高等專科學校學報，2008（1）：20-22.

[5] 趙漢興，黃宜賢.高強度鋼在車身輕量化中的應用研究[J].技術與市場，2016（6）：169-170.

[6] 劉文華.高強度鋼在汽車輕量化中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.