汽车铝合金轻量化材料的应用及技术工艺研究

汽车铝合金轻量化材料的应用及技术工艺研究

张桂全吴艳生王东升

长城汽车股份有限公司压铸事业部河北省保定市071000

摘要：汽车工业发展到现在，面临的主要问题是能源、公害和安全三大问题。世界各国政府先后颁布能源保护、废弃排放、降低噪音和安全保障等方面的法律法规。汽车工业顺应形势的发展，必须走轻量化的发展道路。铝、镁、钛、高强度钢等金属材料以其各自的优势特点正逐步应用于汽车制造过程中，为汽车材料轻量化的实现提供主要途径，也成为21世界最具有开发和应用潜力的“绿色材料”。本文就汽车铝合金轻量化材料的应用及技术工艺进行研究。

关键词：汽车；铝合金；轻量化材料；应用；技术工艺

汽车轻量化不仅是汽车行业立足的内在需求，更是持续发展的必然选择，因此当下越来越多的企业将目光转移至轻量化研究与创新中，其中铝合金轻量化材料因易加工、质量轻、强度高、耐腐蚀等显著优势已在汽车轻量化中得以广泛应用，相信随着科技的不断发展，铝合金轻量化材料将会有更大的技术进步和应用市场。

1发展汽车轻量化的现实意义

汽车的广泛应用既是现代化物流的重要工具，也是公众追求高品质生活的一种体现，而且近年来汽车产量和销量一直在持续增加，虽然极大的方便了人们出行，推动了社会经济发展，但同时也存在一定的负面影响，特别是油耗和环保问题。而汽车轻量化理念的推广和实践，不仅有助于节约油耗、减少排量、保护环境，而且对提升汽车行驶性能和安全性能也有所帮助。因为汽车质量与油耗关系密切，若汽车质量降低，在节约油耗的同时也能减少二氧化碳以及氮化物、硫化物等物质的排放，可见有利于改善环境质量，而且事实证明，汽车质量的减轻还可以减少汽车加速时间，降低动力及其传动负荷，在较低的牵引负荷状态下汽车能够展现同样甚至更好的性能。故轻量化是汽车发展的必然趋势和现实选择。

2当下的汽车车身现状

我国汽车工业发展战略决策就是节能减排，新车产业化。目前，能耗大、尾气排放严重等问题是制约中国汽车发展的绊脚石，羁绊我国汽车行业走向世界的步伐。那么，对汽车车身的改进和工艺的进化，是亟待解决的重大课题。

2.1汽车车身材料的选择

汽车材料是影响汽车重量的关键因素，也是汽车安全因素的重要指标之一。经过实验测试，各种钢板（带）的屈服强度是有差异的，普通钢板（带）的屈服强度介于120Mpa―180Mpa，强度板的屈服强度介于180Mpa--260Mpa，高强度板的屈服强度介于260Mpa--340Mpa，特高强度板的屈服强度介于340Mpa--620Mpa，超高强度板的屈服强度大于620Mpa，在我国车型中，车身材料绝大部分都是采用普通钢板，容易变形，又有很大的重量；高强度钢的应用较少，对于铝镁合金、复合材料等轻量化优质材料，都没有在汽车车身制造中得以应用。

2.2结构轻量化设计不够成熟，车身工艺技术不强

传统的钢制车身制造工艺在冲压工艺和焊接工艺，电阻点焊的焊接能耗居高不下，电阻点焊电流是钢材点焊电流的四倍，且二氧化碳的焊接，无法保证对薄板的焊接质量，难以修复变形问题。在车身设计师理念上，仍采用传统的车身结构和生产方式进行制造设计，没有融入计算机全面控制焊装设备、改善车身结构、应用新型的连接技术等思想设计，汽车大型化、重量化及大排量化的状态，显然跟不上革新后的车身结构及汽车的性能。长期下去，势必造成我国的汽车制造业对国际汽车行业的飞速发展望尘莫及。

3铝合金复合材料在汽车轻量化中的运用

3.1汽车铝合金轻量化铝合金材料在锻造成形技术工艺方面

我们将液压锻造技术取代了传统的摩擦压力机锻造。液压锻造的打击能力，压力，行程时间等参数都能够分别或者相互控制，充分提高了锻造成形精度，合模方向尺寸精度可以达到0.1mm。同时传统等摩擦压力机锻造工艺，模具加热存在很大等问题，造成热量损耗过大。而液压锻造工艺，我们在模具上增加加热装置，实现等温锻造，严格控制热量损耗。既节约了能源，又提高了产品锻造质量。

3.2在车身中的运用

在汽车质量中车身质量约占30%，而且70%左右的油耗是用于承载车身质量的，可见将铝合金复合材料运用至汽车车身制造中十分必要，或者说势在必行。如早在90年代初世界第一辆全铝车身框架轿车-奥迪A8第1代便诞生了，奥迪公司通过采用ASF车身结构，其以铝板元件为架构支撑，且基于所承担的任务采用不同形状和横截面积的元件，在保证低质量基础上获得最佳功能，具体可从车身构造中的A、B、C柱内部发现，不仅减轻了40%左右的质量，使得油耗和排放得以大幅降低，而且抗扭转刚度的提高可在一定程度上改变碰撞后的吸能路径，有助于最大限度的保护乘员，故整车的安全性能得到了明显改善。发展至今，奥迪A8整车质量和轻量化结构系数分别达到了250kg和1.5，可以说是汽车轻量化的一大重要成果。

3.3在发动机中的运用

发动机在汽车质量中的比例约为20-30%，显然运用铝合金复合材料意义重大。目前最常见的是缸体缸盖、活塞、曲轴箱、油底壳以及连杆等部位，在此就活塞和缸体缸盖作重点分析。随着汽车制造工艺和性能要求的不断提高，越来越多的发动车活塞采用了铸铝合金材料，这是因为作往复运动的活塞需要借助减重降低惯性，达到降低曲轴配重提高工作效率的目的，且要求具有小的热膨胀系数和良好的导热性，并在350℃环境下能够发挥良好的力学性能，而铸铝合金不仅能够满足上述要求，而且轻质密度低，有助于减少发动机噪音和振以及油耗，故得以应用于活塞及连杆中。再者发动机缸体缸盖在导热性、抗腐蚀性等方面对材料的要求极高，故运用性能优良的铝合金复合材料也是必然的，当下很多国外汽车公司纷纷制备了全铝型缸体缸盖，如日产VQ、凌志IMZ-FEV6等型号的发动机油底壳采用的便是铸造铝合金复合材料，但从样本机看，与传统材料相比其质量降低了20%左右。

3.4在底盘中的运用

其实在汽车轻量化实践过程中，底板系统不仅容易实现，而且潜力较大。对于悬挂系统来说，铝合金复合材料是替代钢铁的首选材料，如福特公司经使用铝合金制动盘取代原铸铁盘，虽然成本有所增加，可是降低了2/3的质量，并提高了2倍的使用寿命；NeodLite车底盘在运用铝合金零部件后，使得转向机壳、万向节、下控制臂、转向轴以及后制动毂等质量均有所降低，显然符合轻量化要求；此外克尔维特与凯迪拉克等车辆经采用铝合金复合材料制备的零部件也取得了良好的效果。

3.5在车轮中的运用

对于汽车车轮质量而言，轮毂质量占到了70%的比例，试验表明，如果每减轻1kg的轮毂质量，在同样耗费1L汽油的情况下汽车行使距离可增加800m，或者说在节约1L油量的情况下，则有2.5kg的碳无法得到排放，所以轮毂轻量化既便于普及，也有着较高的铝化率和节能环保功效。同时运用铝合金复合材料的轮毂还可发挥良好的减震、抗腐蚀、散热作用，且经久耐用、容易制造，对于改善汽车安全性和舒适性意义重大。预计在日后的发展中，铝合金轮毂在我国的需求量会飞速增长，故有着广阔的发展空间。

结束语：

开展汽车铝合金轻量化材料的应用及技术工艺研究，是具有潜力的精密塑性体积成形技术，有利于实现汽车悬架系统锻件自主化生产，扩大我国铝轻合金材料深加工技术及其在航空、汽车、信息、高速列车等行业的应用，减少我国铝锻件对国外进口的依赖，使中国的锻件制造加工技术进入世界先进行列，具有重要的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]汽车轻量化材料技术发展现状[J].张艳君.汽车零部件.2016(04)

[2]轻量化材料是绿色汽车的关键核心技术[J].朱海霞.汽车与配件.2015(02)