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轻量化铝合金在汽车上的应用

作者:程力专用汽车股份有限公司 浏览次数:7866 发布时间:2011-07-06 16:50:00

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汽车是应用最广泛的交通工具,是世界第一商品。汽车工业是全球性的工业。作为汽车工业的重要结构材料与配套材料的铝合金,伴随着汽车工业的发展将逐步得到广泛应用。

当前,汽车用铝合金材料在快速增长。众所周知,每辆汽车有25000个零件,需要600多种钢材,还有品种繁多的其它材料。但是,汽车的轻型化发展,使铝成为钢的重要竞争对手,钢的用量在逐渐减少,而铝的用量则在渐渐增多。当前全世界不仅耗铝量的10%~14%用于汽车制造业;而且铝合金材料的使用量也以每年10%的速度增长。据报道,1992年全世界汽车工业用铝358万t,约占当前铝消费总量2514万t的14.2%。但是,各国汽车的铝合金化进程根据各国国情、经济发展水平和技术含量的高低而有所不同。如美国、日本、德国单台汽车用铝材量(铝合金化率)分别为:71kg(5%)、58kg(.9%)、50kg(5%)。美国1992年单台车用铝近80kg,铝合金比率7.5%,1993年平均达到80.3kg,个别最高的已达295kg。1995年全世界单台轿车平均用铝量约65kg。具体而言,汽车规模不同,其铝合金比率也不同。汽车排气量越大,使用铝合金材料越多,铝合金比率也越高。

汽车用铝合金材料品种繁多。汽车用铝合金材料有铸造铝合金和变型铝合金两大类。铸造铝合金主要用于发动机上的部分零件及变速箱、制动器、转向器等。近年来,由于发动机缸体、变速箱壳体、轮毂等一批大型铝合金汽车零件的开发和应用,使得汽车用铸造铝合金获得迅猛的发展。变型铝合金则主要用在汽车的散热系统、车身、底盘等部位上。近年来,由于汽车散热系统、车身铝合金化进程的加快,使汽车用变型铝合金材料也在迅速增长。

汽车的制造厂和消费者的共同追求是节省能源、减少污染、降低运输成本、提高运载量和行驶速度;同时也要求乘坐的汽车舒适、美观、安全、可靠,这也是全社会对汽车的要求。在目前条件下减轻汽车自重,似乎是实现上述要求的最有效途径。而铝及其合金加工材料由于具有密度小、比强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、良好的加工成型性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性,义不容辞地担负起这一历史使命,成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。

汽车使用铝合金材料所表现出的优点是多方面的。首先是减重效果明显,其中又以轮毂最为显著,从四轮轿车到十轮大客车,使用铝轮毂,每个轮可减重2~18.5kg,每辆车可减重8~74kg,即减轻重量29%~44%;第二是节能效果十分可观。据统计,车重每降低10%,燃料消耗可降低5.6%;第三是乘客的舒适性和安全性获得提高。若车重减轻37%,发动机输出功率可提高40%;车重减轻25%,就可使汽车加速到60km/h的时间从原来的10秒钟减少到8秒钟;同时使用铝合金车轮,由于震动变小可使用更轻的缓冲器;由于是在不减少汽车容积的情况下使用铝合金材料而减轻汽车自重,因此使汽车更加稳定,乘客空间变大,在受到冲击时铝结构能吸收分散更多的能量,因而更加安全和舒适;第四是在减少污染、改善环境方面。由于汽车重量的减轻,导致了燃料消耗的下降,所以可减少尾气的排放,有利于环境的改善。据介绍,若车重减少50%,CO2排放量可减少13%;第五是汽车报废后,有利于铝的回收再利用,因为铝是能最大限度回收的材料,目前回收率为85%,有80%左右的再生铝用于汽车工业,汽车用铝中有60%来自回收的废铝。

汽车的铝化是世界性的发展趋势。汽车铝化的先行国是美国、日本、德国三大汽车生产国。日本计划未来单台车用铝270kg,使铝化率达到31.3%,届时美国车体构造用材料中约17%为铝。因此,逐步提高汽车的用铝量已成为世界各国的共识。汽车铝化主要在发动机、铝轮毂、汽车散热器、车身与车体空间框架结构以及汽车底盘等,都是汽车铝化的重点。

发动机是汽车的心脏,占发动机总重量25%的气缸体的铝化速度正在加快。使用新型中低压铸造法可实现缸体的轻量化,减少壁厚10mm,相当于减轻重量1~1.5kg。气缸盖、活塞等零件都可能全部使用铝铸体。随着新型耐磨蚀耐热铝合金的不断研究开发,将会进一步加快汽车发动机的铝化速度。

近年来,铝轮毂的应用越来越广泛。美国是应用铝合金轮毂较多的国家,目前已有35%的车轮是铝轮毂,预计到未来将提高到50%。日本这一比例也很高,已超过30%。除压铸铝合金轮毂外,还出现了铸造轮毂、铝板成型轮毂。与铸造铝轮毂相比,半固态横锻铝轮毂具有重量轻、力学性能好、质量稳定、生产效率高、生产灵活、经济性好等很多优点,有可能成为今后汽车铝合金轮毂生产的发展方向。

汽车散热器(包括水箱、空调器的蒸发器和冷凝器)大多数是用厚铝箔与铝管制造的,它比铜质散热器轻40%左右,而且有相当高的热交换性能,价格也比铜的低。铝散热器代替铜散热器已成为人们的共识,得到了世界各国广泛的应用。西欧铝散热器普及率已接近100%,美国达60%~70%,日本为30%左右。目前,汽车空调器已可实现全铝化,但汽车水箱的铝化率还有很大的潜力可挖。随着相关技术的不断改进,铝散热器在汽车工业上的应用前景将十分广阔。

汽车车身与车体空间框架结构的铝合金化也越来越受到世界各国的普遍重视。车门、车顶外板、车身侧板、发动机罩、行李箱盖、挡泥板、车体框架、保险杠、地板等零部件,过去很少用铝合金制造,现正在加速铝化进程。日本本田公司生产的新型赛车采用仅重210kg的铝合金整体本身外壳,比钢质的同样外壳轻140kg。韩国现代汽车公司推出一种取名为“科佩”的超轻量的铝合金高级轿车,车身重量仅有148kg,相当于同类钢车身重量的一半左右,既可节约大量的能源,获得巨大的社会效益,同时也提高和改善了运行性能。车身的铝化,能实现可观的减重效果,使铝合金材料在汽车工业上的应用有可能获得突破性的进展。

此外,汽车底盘也可实现铝合金化。德国奥迪公司推出的新款A-8型豪华轿车,抛弃了使用多年的钢质底盘而改用新型的铝合金底盘,其重量减轻了约200kg。虽然比钢制的高出了约45%的生产成本,但足以用其整个使用寿命周期内所节省的汽油价值来抵偿,同时所取得的社会效益是巨大的。从整体看,汽车底盘的铝化还是有它一定发展前途的。

我国汽车铝合金化程度不高,所用铝合金材料尚未形成标准化、系列化,材料品种也较少,由于受制造工艺、成本、维修、路况等条件的限制,铝散热器的应用在一定程度上受到影响。此外,在质量方面也存在着成份、性能等方面的问题。但是,随着我国汽车工业的快速向前发展,铝合金材料在汽车上的应用也将会得到相应的增加和发展。

 

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