金屬材料在汽車輕量化中的應用探討

白彩盛，趙立杰

（1.甘肅金城理工中等專業學校，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州裝備制造技師學院，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國社會的發展，人們生活水平日益提升，汽車走進千家萬戶成為了人們重要的交通工作。相關數據顯示，2018年我國汽車的銷量達到了2808.1萬量，汽車的產銷量均巨世界首位。2019年我國的汽車保有量達到2.5億量。汽車的普及給人們的生活帶來了很多便利，但是在能源消耗、環境污染以及能源消耗等領域也帶來了很多問題。在這樣的背景下，人們提出了汽車輕量化的概念，而且已經成為了未來汽車制造業的重要發展方向。

1 汽車輕量化及其對現代汽車發展的重要性

所謂的汽車輕量化，是指保持汽車的原有造價不變，同時不影響其安全性能、抗震性、抗撞性能以及舒適性等的條件下，降低汽車的重量，通過這樣的方式提高汽車的行駛速度，同時減少燃料消耗，降低尾氣排放量，達到節能減排的效果。進行汽車輕量化的原則是，在確保汽車穩定性不受影響的情況下，對汽車的各類零部件進行節能化的處理，并對車型進行優化，總的來說是其是一項提升汽車性能、降低質量并且進行結構優化的系統性工程，其對于汽車制造行業的發展具有重要的意義。相關研究顯示，汽車的油耗和質量之間有著直接的關系，通過對汽車進行輕量化處理，能夠起到降低汽油消耗的目的。數據顯示，汽車的質量每降低1kg，就能夠使1L的汽油可以多驅動汽車行駛0.011km，相應的二氧化碳的排放量也會降低。此外，汽車的輕量化還可以有效的提高行駛性能，相關研究顯示汽車質量降低25%，能夠使汽車加速到96.56km/h的時間從原本的10s中降低至6s。此外，汽車的輕量化還能夠有效的減輕汽車動力和動力傳動系統的負荷，從而使汽車在較低牽引符合下能夠表現出非常好的行駛性能。

2 金屬材料在汽車輕量化中的應用

汽車的輕量化體現在設計、工藝和材料等多方面，其中最為主要的是材料的輕量化。汽車輕量化的材料主要由兩大類，分別是低密度輕質材料和高強度材料兩類，前者主要是鋁、鎂和鈦合金材料以及塑料和復合材料等；高強度材料主要指高強度鋼。但是聚合物類的塑料制品這一類的輕質材料，會產生環境污染問題，因此在使用方面受到限制。因此當前應用最多的是鋁、鎂、鈦合金等方密度較低的金屬材料，通過應用這些金屬材料形成的合金，在輕量化的同時能夠滿足汽車的安全性要求，下面對這些材料的應用進行介紹。

2.1 鋁及鋁合金

在眾多的輕量化材料中，鋁的應用是比較早的，而且其生產和處理工藝都已經相當成熟。鋁以及鋁合金具有密度小、比強度和比鋼度高、剛沖擊性好、彈性好等多方面的特點，同時耐磨、耐腐蝕，并且容易加工成型和表面著色，能夠很好的進行回收再利用，由于其具有這些方面的特點，其在汽車制造領域獲得了重要的應用。

當前，在汽車制造中，鋁以及鋁合金主要被應用于車輪、懸架系和動力系的零部件中，而且未來還會有更加廣泛的應用，預計未來汽車的鋁化界限可以達到30%～50%。當前，為了在汽車制造業中應用更多的鋁以及鋁合金材料，進而促進汽車輕量化，人們對新的鋁合金材料以及加工技術進行了大量的研究，其中“鋁合金半固態成形技術”是當前最為先進的鋁合金加工技術，應用這種技術生產出的鋁合金汽車零件性能優良、組織致密，具有重要的應用。鋁以及鋁合金與鋼相比，在承載能力和力學性能等方面有著一定的差距，這制約了鋁以及鋁合金在汽車制造中的應用，另外工藝復雜、生產技術局限等因素造成其成本也比較高，這也是限制其應用的重要因素。

2.2 鎂及鎂合金

鎂以及鎂合金是極具開發潛力的輕質結構材料，其具有密度低、質量輕的特點，鎂合金比鋁合金更輕，是最輕的金屬材料。同時其具有非常好的比強度，高于鋁合金和鋼，而在比剛度方面則和鋁合金和鋼相差無幾。此外，在消震性和阻尼系數方面，起性能也非常優異，具有比鋁合金更大的承受沖擊荷載的能力，這一特點使其可以應用于汽車殼體來降低噪聲，用于輪圈來減少震動，從而有效的提高汽車的安全性以及舒適性。

鎂合金在導熱性、工藝性能方面都十分優異，鑄造性能和尺寸穩定性都比較高，因此加工起來比較方便，而其廢品率也比較低。鎂合金的主要不足時高溫疲勞性以及抗蠕變能力比較差，因此這方面是鎂合金今后的重點研究方向。在汽車制造領域，當前鎂以及鎂合金最主要的應用是壓鑄件方面，其能夠取代鋁合金、鑄鐵、鋼制沖壓焊裝組合件等，其在汽車零部件中最主要的應用時殼體類和支架類兩個領域，殼體類包括離合器殼體、空調機外殼等，支架類包括方向盤、車鏡支架以及剎車支架等。

2.3 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金具有優異的綜合性能，其密度較小，在強度、韌性、抗蝕性等方面具有優異的新性能，即使是在海洋大氣或者是為氧化氣氛中，其依舊可以抗腐蝕，其具有相好的耐熱性、加工性以及抗熱性。

在汽車上主要有兩方面的應用，一方面其可以用于減少內燃機往復運動件的質量，另一方面能夠降低汽車的總質量。當前，鈦及鈦合金可以應用于汽車的發動機原件以及底盤件等方面，如發動機系統閥門、連桿，底盤的排氣系統以及彈簧等。

2.4 高強度鋼

鋼鐵材料在汽車制造行業中有著重要的應用，而未來高強度鋼是汽車制造中有巨大的應用潛力。高強度鋼是指在韌性和強度方面都有優異性能的鋼種。通過對低合金結構鋼進行調質處理，可以使其獲得優異的綜合力學新能。高強度鋼在吸能性、曲強比、應變分布能力和應變硬化都有不錯的表現，其與鎂、鋁等合金材料相比，具有良好的經濟性，當前期主要應用于汽車等的結構件、安全件、前后保險杠、車門防撞梁等領域，起著重要的作用。

3 結語

隨著社會的發展，汽車工業的發展十分迅速，汽車的數量也不斷增長，在給人們帶來便利的同時，在能源、污染以及安全等方面造成了不利影響。因此節能減排、降噪和提高安全保障是汽車工業未來發展的重要方向，而汽車輕量化是實現這些目標的重要途徑，鋁、鎂、鈦以及高強度鋼等金屬材料各自具備優異的新能和特點，將其應用于汽車制造中能夠有效的促進汽車輕量化的發展。