輕金屬和輕量化材料在汽車中的實際應用

袁金磊

摘 要：在汽車制造業的發展歷程中，新材料以及新技術具有十分重要的作用。而在汽車制造的生態、環保、綠色發展道路下，汽車輕量化是一種重要的發展趨勢。通過輕金屬或者輕量化材料的應用，替代傳統的鋼材，是汽車輕量化發展的重要方向。本文對輕金屬和輕量化材料在汽車中的實際應用進行分析。

關鍵詞：輕金屬;輕量化材料;汽車;實際應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.051

在當前時代背景下，能源危機日趨嚴重，生態、綠色、環保的發展道路逐漸成為各個行業的重要發展趨勢，汽車制造業也不例外。結合企業輕量化發展的需求來看，除了輕金屬以及輕量化材料替代傳統鋼材外，還需要對制造工藝進行優化，解決實際應用中存在的技術難題。而汽車制造業的大規模生產需求，還需要從制造的性能、汽車的功能、資源的耗損以及輕量化的趨勢等方面進行考慮。

1 汽車制造材料的現狀

在我國早期的汽車制造中，所選用的材料大多是質量大、密度高的材料。近些年來，隨著社會經濟的發展以及制造技術的進步，汽車產業得到了高速發展。與此同時，更加安全、環保、節能的汽車越來越受到消費者的青睞，同時也成為汽車制造的重要發展方向。受到汽車制造的這一目標以及大規模生產需求的影響，汽車制造材料逐漸向低密度、輕金屬材料轉型。但鑒于輕量化材料在替代傳統鋼材過程中仍然存在較多的技術難題以及市場挑戰，如工藝問題、成本問題以及新材料應用伴隨的風險等，現階段汽車制造的主要材料仍然是以鋼材為主。由于鋼鐵具有工藝性能好、使用性能強、價格低廉等優勢，在汽車制造業中，一直是應用最為廣泛的工程材料。

除鋼鐵材料外，輕金屬在汽車制造中也具有較為廣泛的應用，如鋁合金材料等。鋁合金材料具有強度高、比重小、耐腐蝕、性能優良等優勢，主要用于車身、車輪以及熱交換器等部分。而鋅合金、鎂合金以及鈦合金等輕金屬材料，雖然在汽車制造行業中取得了一定的發展，但受限于工藝水平等因素，要取代傳統鋼材，仍然還有很多問題需要解決。

2 常見金屬以及輕量化材料的實際應用

2.1 高強度鋼板

高強度鋼板實質上是對鋼板材料的一種改良，通過提高鋼板的強度以及性能，達到減少材料的用量的目的，最終實現汽車制造的輕量化需求。就高強度鋼板的實現機理來看，主要包括析出強化、細晶強化、固溶強化、烘烤硬化等。高強度鋼板中，雙相鋼是一種較為常用的材料，由鐵素體以及馬氏體相組織組成，具有較高的強度以及良好的沖壓性能，主要用于汽車結構件以及安全部件的制造。此外，復相鋼也是一種較為常用的材料，此種鋼材的強度大，主要用于汽車車門防撞桿、中立柱以及保險杠等部件的制作。除了上述兩種材料，誘導塑性鋼也具有較好的發展潛力，是汽車制造材料研究以及未來發展的重要方向。以相變誘導塑性汽車用鋼為例，Zackay等人在研究高合金奧氏體不銹鋼時首次揭示了相變誘導塑性效應，根據這一效應生產的TRIP鋼，在汽車制造中得到了應用，而得益于對TRIP鋼相關影響因素進行的調控措施，TRIP鋼的性能持續提高，逐漸滿足了第三代汽車用薄板鋼的性能要求。

2.2 鋁、鎂合金

與鋼材相比，鎂、鋁合金的密度更低，更加符合汽車輕量化發展的實際需求，被稱為汽車減重最具潛力的輕量化材料之一。以下分別對鋁合金以及鎂合金在汽車制造中的實際應用進行分析。

鋁合金是制造工業中應用最為廣泛的一類有色金屬結構材料，在機械制造、汽車制造乃至航空航天領域都具有大量的應用實例。而隨著工業經濟的發展，鋁合金焊接結構件的生產需求也更加多元化。

鎂合金材料具有強度高、散熱性好、彈性模量大、密度小、消震性好等特點，與鋁合金相比，鎂合金材料可承受的沖擊載荷能力更大，且對有機物以及堿性物質的耐腐蝕性較好。鎂合金材料主要用于航空航天領域、運輸領域以及化工領域等，是實用金屬中最輕的金屬之一。針對現代汽車制造行業，鎂合金材料能夠運用到汽車各個重要零部件的制造中，而隨著壓鑄技術的進步，現階段的生產工藝，已經能夠制造出形狀復雜、結構特殊的薄壁鎂合金車身零件。此外，在實踐應用中發現，鎂合金材料的應用，能夠在一定程度上確保汽車性能的穩定性，延長各個零部件的使用壽命。

2.3 泡沫金屬

泡沫金屬是含有泡沫氣孔的一種特種金屬材料，通過獨特的結構，實現了隔熱性能以及隔音性能的提升，降低了材料的密度，同時還具有吸收電磁波等特點。就汽車制造業的實際情況來看，大量的金屬材料消耗是亟待解決的問題之一，雖然目前可生產的不同性能的鋼材已超過2500種，有色金屬材料也已達到上千中，但仍然不能滿足汽車制造的實際需要，尤其是輕量化汽車的制造。而泡沫金屬材料的出現，則為這一問題提出了有效的解決方案。一旦汽車用泡沫金屬研制成功，實現大批量生產，將成為取代鋼材的最佳材料。與傳統鋼材相比，泡沫金屬零件以薄鋼外表與泡沫金屬中心構成，使得汽車結構材料更具韌性以及堅固性，極大的提高了汽車的安全性、舒適性以及可靠性。

2.4 鈦合金

鈦合金材料具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點，主要用于飛機發動機壓氣機部件以及火箭、導彈和高速飛機的結構件制作。在汽車制造行業的應用中，鈦合金主要用于汽車發動機的制作。此外，打造鈦合金車身，將使得整個汽車可承受更大的作用力，極大地提高了汽車的安全性。但鈦合金的實際應用存在較大的難題，如制造成本問題等，其實際應用也僅限于賽車制造等。

3 結語

在汽車制造業迅猛發展以及環境問題、能源問題日益突出的大背景下，汽車制造的輕量化發展成為重要的發展趨勢之一。在保證汽車碰撞安全性的情況下盡可能減輕車身的整體質量，提高汽車的動力，是輕量化材料取代傳統鋼材的重要前提，同時也是實現環境友好型汽車制造的重要途徑。結合當前輕量化材料在汽車制造中的應用來看，仍然需要對輕量化材料的機械穩定性以及熱穩定性等作進一步研究，對制造工藝等作進一步優化。而隨著研究的不斷深入以及實踐應用經驗的積累，汽車的輕量化發展必將成為現實。

參考文獻：

[1]王瑛喆，劉傳值，汪俊辰.輕金屬材料在汽車行業中的應用[J]. 南方農機，2017，48（07）：139.