鋁合金在汽車輕量化中的應用

王正科

摘 要：鋁合金是目前汽車輕量化研發制造應用頻率較高的材料，這是因為鋁合金的應用能夠切實降低汽車自重。為此，本文首先分析了鋁合金在汽車輕量化中的應用優勢，其次分析了鋁合金在汽車輕量化中的應用技術、分類、方式，旨在為鋁合金在汽車輕量化中的應用提供參考，以此來提高汽車輕量化效率和質量。

關鍵詞：鋁合金 汽車輕量化 應用技術

Application of Aluminum Alloy in Automobile Lightweight

Wang Zhengke

Abstract：Aluminum alloy is currently the most frequently used material in automotive lightweight research and development and manufacturing. This is because the application of aluminum alloy can effectively reduce the weight of automobiles. For this reason， this article first analyzes the application advantages of aluminum alloy in automobile lightweight， and then analyzes the application technology， classification and method of aluminum alloy in automobile lightweight， aiming to provide reference for the application of aluminum alloy in automobile lightweight，? to improve the efficiency and quality of automobile lightweight.

Key words：aluminum alloy， automobile lightweight， application technology

1 引言

汽車是主要交通運輸工具，盡管能夠給人們的工作及生活提供便利條件，但是也導致了資源消耗和環境污染，而汽車輕量化能夠適當降低汽車排量，進而節約汽車消耗資源，減少汽車尾氣導致的環境污染。鋁合金屬于密度較低的金屬材料，其在汽車生產中的應用不但能確保汽車應用性能，還能實現汽車輕量化。

2 鋁合金在汽車輕量化中的應用優勢

2.1 減重效果較為良好

據調查結果顯示，汽車油耗及尾氣排放量與汽車自重有著密切關系，汽車自重每降低1Kg，行駛10000Km的油耗會降低0.7L;汽車自重每降低10%，尾氣排放量會降低5-6%，因此，如何實現汽車輕量化已經成為了各大汽車制造企業面臨的關鍵問題[1]。而鋁合金在汽車制造中的應用，便能夠達到良好的汽車輕量化效果，具體來講，鋁的密度為2.7g/cm3，為鋼鐵密度的1/3;鋁合金導熱性能良好，在金屬中僅次于銅;鋁合金耐腐蝕性能良好，這是因為其表面能夠自動形成一層氧化膜，這些特征使得鋁合金成為了汽車制造的主要材料。

2.2 生產材料能夠回收利用

鋁合金屬于回收難度較低、回收率較高的金屬材料，這是因為鋁合金在應用過程中出現腐蝕問題的概率較低。鋁合金材料在制作成產品、使用、回收加工成鋁錠、再次制作成產品的循環過程中，損耗率也僅僅為5%，其回收利用價值是所有金屬材料中最高的，目前大部分國家應用的汽車制造鋁合金為再生鋁材料。此外，鋁的熔點較低，流動性能良好，因此能夠制作成各種結構復雜、形狀不規則的構件，這位汽車制造提供了便利條件，同時也便于鋁合金的回收利用。

2.3 提高汽車安全性能和行駛性能

鋁合金在汽車制造中的應用盡管能夠降低汽車自重，但是卻不會降低汽車容量，在這樣的情況下，汽車的重心會被降低，因此汽車行駛的舒適性和穩定性能夠得到提高，汽車構件震動及轉動噪音能夠得到降低[2]。鋁合金的性能使其能夠充分吸收汽車撞擊時產生的能量，汽車前部變形區域在遭受碰撞之后能夠產生褶皺，因此汽車的損傷能夠得到降低，車內人員安全能夠得到更好的保障。此外，鋁合金的應用能夠減少汽車動力傳動系統的負荷，汽車行駛的牽引負荷得到減低后，其行駛性能自然會得到提高。

3 鋁合金在汽車輕量化中的應用技術

3.1 鑄造成形技術

鑄造成形技術是汽車用鋁合金成形的主要技術，80%左右的汽車用鋁合金應用的都是這種成形技術，具體可以分為精密鑄造、重力鑄造、消失模鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造、壓力鑄造等。其中，應用頻率最高、制作效果最好的為壓鑄成形技術，這是因為該技術制造成的鋁合金構件具有廢品率較低、成品質量較高、尺寸精準程度較高等特點，適合應用在大批量鋁合金構件生產中，如發動機缸蓋、輪轂等。擠壓鑄造屬于一種新型的鑄造成形技術，不需要進行切削加工或者是切削加工過少，該技術制造成的鋁合金構件具有輪廓清晰、內部致密等特點，門框飾條、保險杠支架應用的便是這種成形技術。

3.2 半固態成形技術

半固態成形技術屬于一種新型的汽車用鋁合金成形技術，能夠制作出與理想鋁合金構件較為相似的構件[3]。一般情況下，鋁合金在成形之前需要經歷固態、液態兩種形態，當鋁合金狀態介于兩種形態之間時（即半熔形態），鋁合金填充能夠更加平穩和充實，進而獲得更好的成形效果，具體表現是提高構件精確程度、降低構件凝固收縮程度、增加構件模具應用壽命、提高構件力學性能等。目前，半固態成形技術已經被廣泛應用在了汽車輕量化中，具有十分廣闊發展前景;但是由于該技術的應用尚未成熟，還無法應用在大批量鋁合金構件生產中。

4 鋁合金在汽車輕量化中的應用分類

4.1 鑄造鋁合金

77%左右的汽車用鋁合金為鑄造鋁合金，由此可見，鑄造鋁合金在汽車輕量化中的應用量較大，這是因為鑄造鋁合金具有成品質量穩定、適合大批量生產等特點。目前，鑄造鋁合金主要應用在變速器、發動機氣缸蓋、發動機氣缸體、輪轂、搖臂、制動盤等汽車構件制造中。其中，發動機氣缸蓋、發動機氣缸體對制造材料的抗腐蝕性能和導熱性能要求較高，鑄造鋁合金能夠達到這一要求。輪轂在汽車自重中占比較高，急需要進行輕量化處理，而應用鑄造鋁合金便能夠有效達到這一目標，在輕型汽車和中型汽車中，鑄造鋁合金材質輪轂較鋼質輪轂自重能夠下降30-40%左右;并且鑄造鋁合金材質輪轂還具有散熱性能較高、強度較高、尺寸精確程度較高、能夠降低橫向和縱向震動頻率等優勢。

4.2 變形鋁合金

變形鋁合金具有成品質量穩定、強度較高、塑性較高、成分性能比較均勻、內部組織緊密等特點。變形鋁合金可以劃分為不可熱處理變形鋁合金和可熱處理變形鋁合金，前者主要包括AL-Si系合金、純鋁系合金等，后者主要包括AL-Mg-Si系合金、AL-Cu系合金等[4]。目前，變形鋁合金主要應用在車門、輪轂罩、熱交換器、保險杠、座位、行李箱、保護罩、消聲罩等汽車結構件、懸掛件、裝飾件制造中。其中，變形鋁合金材質熱交換器較銅質熱交換器自重能夠下降35-45%左右，目前，美國有60-70%左右的熱交換器應用了變形鋁合金，歐洲國家有90-100%左右的熱交換器應用了變形鋁合金。

4.3 泡沫鋁材

泡沫鋁材屬于一種多孔材料，其在金屬基體中存在大量氣泡，具有質量較輕、強度較高、吸附性能良好、吸振性能良好、阻尼性能良好等特點。目前，泡沫鋁材主要應用在縱梁、保險杠等汽車支撐構件制造中，具體需要將泡沫鋁材填充到兩個外板之間形成新的板材，這樣能夠在實現構件輕量化的同時，提高構件撞擊的安全性。

3.4鋁基復合材料

鋁基復合材料屬于一種復合型汽車用鋁合金，具有導熱性能良好、強度較高、熱膨脹系數較低、耐疲勞性能良好、耐磨性能良好、尺寸精準程度較高等特點，因此得到了汽車制造企業的廣泛應用。目前，日本已經應用鋁基復合材料制造成了發動機活塞等汽車構件。我國東南大學應用陶瓷纖維增強鋁基復合材料制造成了發動機活塞，成功的將活塞的應用壽命延長了3-5倍，同時提高了發動機功率。

5 鋁合金在汽車輕量化中的應用方式

5.1 制作車身

車身在汽車自重中的占比達到了30%左右，油耗量達到了70%左右，實現車身的輕量化有利于實現汽車整體輕量化，同時降低汽車油耗量，因此，可以在車身制造中應用鋁合金材料。例如，奧迪公司早在1980年便開始應用鋁合金制造汽車車門，并且在1994年成功制造了鋁合金車身，這使得汽車的自重下降了40%左右[5]。隨后，越來越多的汽車制造企業開始在車身制造中應用鋁合金，并且進一步開展了對車身輕量化材料的研究，實現了同時應用多種輕量化材料制造車身的目標。由此可見，鋁合金在汽車車身制造中的應用能夠切實降低車身自重。

5.2 制作底盤

在汽車結構中，底盤是輕量化難度最低的構件之一，比較容易達到輕量化目標。目前，鋁合金已經在底盤制造中得到了良好應用，例如，福特公司應用鋁合金制造的動盤較鐵質動盤自重下降了63%左右;凱迪拉克公司應用鋁合金制造了懸掛系統部分構件;克萊斯勒公司應用鋁合金制造的底盤將轉向機萬向節自重降低了3kg、將下控制臂自重降低了2.6kg、將轉向機殼自重降低了1.36kg，盡管這提高了底盤制造成本，但是卻將底盤應用壽命延長了2倍。由此可見，鋁合金在汽車車身制造中的應用能夠不但能夠實現底盤輕量化目標，還能夠優化底盤應用性能、增加底盤應用時間。

5.3 制作發動機

目前，已經有大部分汽車制造企業開始在發動機制造中應用鋁合金，具體的制造構件有油底殼、連桿、散熱器、活塞等。其中，鋁合金應用頻率最高的發動機構件為活塞，大部分汽車應用的活塞都是由鋁合金制作的，不但活塞的自重能夠得到有效降低，活塞的曲軸配重也會降低，活塞的慣性也會減少，因此提高了活塞的應用效率;鋁合金具有良好的導熱性能且膨脹系數較小，這使得鋁合金活塞在350℃條件下也能夠保持良好的力學性能。此外，鋁合金制造的其他發動機構件能夠在降低自重的基礎上，降低震動頻率、減少運行噪音、降低運行油耗。

5.4 輪轂制造

進行輪轂輕量化處理能夠有效降低汽車自重，鋁合金在輪轂制造中的應用，不但能夠降低輪轂自重，還能夠實現節能目標，因為輪轂自重每降低1kg，1L汽油便能夠將汽車的行駛距離延長800m，這樣能夠降低汽車對汽油的消耗量，進而減低了汽車的碳排放量，做到了低碳環保[6]。此外，鋁合金材質輪轂具有抗腐蝕性良好、耐久性能良好等特點。

6 結語

汽車輕量化為未來汽車研發生產的主要趨勢，目前，已經有很多發達國家在汽車輕量化方面取得了顯著成果，實現了鋁合金材料的有效應用。我國對鋁合金在汽車輕量化中的應用還處于探索階段，與發達國家研發生產水平還存在一定差距，這需要汽車制造企業加大對鋁合金汽車輕量化技術及方式的研究力度。

參考文獻：

[1]陳文博，牛潤澤，潘星，等.鋁合金在汽車輕量化中的應用及重卡輕量化實例[J].汽車實用技術，2020，45（16）：49-51.

[2]李劍.商用汽車輕量化及鋁合金在現代汽車生產中的應用[J].汽車實用技術，2020，（1）：178-180.

[3]高永迪.試論鋁合金材料在未來汽車輕量化中的應用與發展[J].世界有色金屬，2019，（21）：174，176.

[4]許鵬，劉文濤.汽車輕量化及鋁合金在現代汽車生產中的應用[J].建筑工程技術與設計，2018，（14）：364.

[5]尚雪梅，任曉莉，韓海燕， 等.鋁合金材質在汽車輕量化中的應用及其成形技術探析[J].科技視界，2018，（33）：116-116.

[6]于瑞海.鋁合金材料在現代汽車輕量化制造技術中的應用[J].工業，2015，（025）：295.