汽车轻量化材料的应用摘要现代对汽车性能要求越来越高，轻量化、节能降耗和降低排放污染是现在汽 车发展的趋势，而轻量化必须从改进汽车的材料出发，研制性能更好更轻的汽车 材料从而带来能源消耗的减少，进而排放污染随之降低，汽车材料的发展是汽车 技术发展的重要方面，新材料对于汽车工业的发展是至关重要的， 关键词：汽车轻量化 轻量化材料1铝合金、镁合金、塑料、高强度钢是当前汽车轻量化的四种主要材料。安全、节能、环保是汽车技术发展的永恒主题。安全和舒适的功能装备增加汽车的重量，节能和环保要求减少C02排放及良好的回收再利用。国外研究表明：一般情况下，车重每减轻10%，可节省燃油3%-7%。汽车排放与燃油消耗正相关，实现轻量化将会减少CO2排放。2. 轿车材料构成变化情况从表1可见，钢铁应用比例虽有所下降，但仍是最主要的材料；塑料已与铸铁相当，甚至略微领先；铝合金排第4位，且增长势头明显；镁合金用量虽然还很小，但增长率很髙。表1 1995年和2000年欧洲每辆轿车材料构成变化情况材料名称1995 年2000 年增减质量(kg)构成比质量(kg)构成比(%)(%)钢742.4654630.0451-15铸铁190.5014136.0911-29铝72.57595.25831塑料115.668149.681229铜20.411.518.141.3-13锌6.80.46.80.40镁2.270.24.530.3100玻璃38.55334.023-13陶瓷0.9070.11.810.1100粉末11.340.813.61120橡胶56.70452.164-8其它117.939102.068-13合计1378.461001244.19100-10奇瑞某一款车型材料大致构成如图1。钢材轻金属（谡铝合金等） 非金属（塑料.橡胶鐸）无机材料（玻璃油漆、油品.胶等其它图1奇瑞某款车型材料大致构成情况轻量化材料在汽车上应用现状汽车上铝合金产品大致可分为两大类：铝铸件和变形铝合 金（主要包括：板材、挤压型材、锻造铝合金等）。汽车上所用 铝材3/4以上为铸件。表2铝铸件在汽车上应用情况部件系统零件名称发动机系发动机缸体、缸盖、活塞、进气岐管、水泵壳、电机壳、 摇臂、摇臂盖、滤清器底座、发动机支架、正时链条盖、 发电机支架、分电器麻、气门室罩盖、机油盘等传动系变速器壳、离合器壳、换档拨叉、传动箱换档端盖等底盘行 横梁、上/下臂、转向机壳、制动总泵壳、制动分泵壳、 驶系制动钳、车轮、操纵叉等。其它系 离合器踏板、制动踏板、转向盘、转向节、发动机框架、 统部件ABS系统部件3. 铝合金在汽车上的应用铝的密度比铁低，最适于产生髙应力的毂状结构件的轻量 化代用材料，如罩类、箱类、歧管等。铝经合金化可使抗拉强度 提髙到45#钢水平，当用于髙应力零件时，必须加大零件厚度来 弥补强度的不足，以铝代钢可望减轻重量50%。铝的特点主要有：（1）铝的密度低，是钢的1/3。活塞使用铝是轻量化效果最好 的例子。（2）髙的耐蚀性。铝的表面自然形成氧化膜，故耐蚀性 优良，不易生锈；易保持漂亮的表面；铝车轮普遍采用的原因就 在于此。（3）柔性的强度设计。铝的合金化会使常温下的强度不 低于铸铁，可用铝铸造或压铸成型的活塞、气缸盖、气缸体等零 件。（4）髙的导热性能。与铸铁比，导热性能约髙三倍，因而最 适于必须要散热的热交换器零件上。这也是铝活塞所要求的特 征。（5）髙的导电性能。电导率约为铜的60%，密度是铜的1/3, 用铜重量一半的铝就可传送与铜等量的电荷。（6）表面美观。经 阳极氧化处理可在表面生成无色透明的氧化膜，另外利用染色、 电解等可获得各种各样的色调。（7）铸造性。由于铝的溶化温度 低，流动性好，故易制造复杂形状的零件。（8）切削性。切削性 是铸铁的4-5倍，工具磨损程度仅为铸铁的1/2。（9）耐磨性。根据表面处理及使用条件，可直接作为轴承面使用。也可用于气 缸体。与钢铁相比，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性好、易于加工 等特点，是近20年来在国内外汽车上使用最多的轻量化材料。 铝合金零部件除了有助于提髙汽车的动力性和燃油经济性，它同 时也是一个整车质量平衡体。宝马公司表示“铝合金帮助我们成 功解决了前、后轴质量的平衡问题”。宝马新7系采用了铝合金 发动机盖、铝合金保险杠，发动机中的某些部件也由铝合金加工 而成。铝合金代替传统的钢铁制造汽车，可使整车质量减轻 30%-40%，制造发动机可减重30%，制造缸体和缸盖可减重30%-40%，轿车全铝车身比原钢材制品轻40%以上，汽车铝合金 车轮减重可达50%左右。铝合金也有自己的“软肋”，抗承载能力较弱是其中之一。 由于铝的抗承载力与钢相比还是有差距，因此未来几年面市的所 谓全铝合金轿车，可能仍将装备钢材底盘。最关键的一条还是成本较髙。因为生产技术的局限，目前 工艺流程复杂，且不易控制。对每一个工序，都必须按流程操作， 严格监控。奥迪公司在A8和A2两款轿车上大胆采用了铝制零部件， 目前A8与A2每年分别制造13000辆和50000辆。据统计，2003 年全球每辆汽车用铝已从1978年的50kg上升为140kg，增长1.8 倍。未来5年，中型轿车的铝合金含量将大幅增加，但目睹全铝 合金打造的轿车上市，尚需时日。专家预测，汽车材料铝化率达到60%以上在经济上是可取 的。据此推测，未来汽车的铝化极限可达30%-50%或以上。新的 汽车铝材开发与应用集中在三个方面，其一，车身、车架全铝化 及大型铝合金型材的开发应用；其二，防冲挡及车门刚性结构的 全铝化；其三，转动部分零部件的全铝化。表3变形铝材在汽车上应用情况部件系统零件名称轿车车身系统发动机罩、车顶棚、车门、翼子板、行车箱盖、地板、车身骨架及覆盖件热交换器系统发动机散热器、机油散热器、中冷器、空调冷凝器和蒸发器等其它系统部件冲压车板、座椅、保险杠、车厢底版、装饰件等箱式货车箱顶板、箱侧板、箱底板、侧面支撑、包角条等仪表板结构f 吒囊筒 丨转间轴结构和分皑成银架副车架/弓卜部密封盖/内部一加强板电气部件发动机部件2紧固件保险杠內梁、轮毂热交换器青 件与散孀空心支架及部件座椅框架空压机;舌塞传动轴和箍套变速器支架制动活塞和制动钳雄动机副车架/底盘和悬架部件碰撞管瑾系统图2铝合金在轿车上应用图示其它合金材料在汽车上的应用4. 镁合金镁是地球上储量最丰富的轻金属之一、质量最轻的实际应 用金属结构材料，其密度为1.75-1.90g/cm3,比重比铝还轻1/3, 比强度、比刚度却比铝和钢都髙，易于加工、压铸经济，其最大 特点是阻尼减振性和抗凹性好，特别是易于再生利用。被誉为 21世纪绿色工程材料，备受世界关注，被广泛运用于汽车、摩 托车、飞机、电子摄影器材等方面，需求量每年均增长21%。镁 合金具有优良的切削加工性和抛光性能，在热态下易于加工成型。镁合金熔点比铝合金熔点低，压铸成型性能好。镁合金铸件 抗拉强度与铝合金铸件相当，一般可达250MPa,最髙可达600 多MPa。屈服强度、延伸率与铝合金也相差不大。镁合金还具有 良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能、导热导电性， 可进行髙精度机械加工。镁合金具有良好的压铸成型性能，压铸 件比厚最小可达0.5mm，适应制造汽车各类压铸件。镁合金大部分以压铸件的形 式在汽车上应用，镁压铸件的生产效率比铝髙30%-50%。美国三大汽车公司通用、福特、原戴姆勒-克莱斯勒在1997 年的用镁量分别为95001、175001、70001,到2003年分别增价 到308001、179001、100001。目前全球每辆轿车用镁量在5kg 左右，欧洲和北美洲汽车用镁量年平均增长率在15%左右。全球看好镁及镁合金在汽车工业应用，根据资料显示：今 后5年内在汽车工业材料应用增长最快的是镁合金压铸件，到 2015年由全球镁生产厂支持的镁未来发展计划将达到每辆车平 均用镁量达到68kg。美国汽车用镁集团总裁厄利卡纳万先生 表示，轻金属镁不再是汽车工业可供选择的金属材料，而是成为 必须采用的金属材料。当前应用研究的重点是汽车结构件和动力 等部件，开发研究新型耐髙温、抗蠕变、抗腐蚀镁合金。表4镁合金在汽车上应用情况部件系零件名称统动力系统曲轴箱、变速器壳、自动变速器、气门室罩盖、进气歧管结构件仪表板骨架、发动机托架、散热器支架、座椅骨架、车顶、门内板内部件转向盘、脚踏板支架、外后视镜架、车大灯反光镜架、车门把手5.钛合金钛的密度为4.5g/cm3，是铁的1/2；钛的熔点为16681, 比铁还要髙；热胀系数小，作为耐热材料很有潜力；其制成的钛 合金抗拉强度可达1500MPa,可与超髙强度钢媲美，其比强度是 常用工程材料中最髙的；钛合金可在5501以下工作，优于铝合 金及一般钢；具有比强度髙、耐热性好、耐腐蚀性能好（优手不 锈钢）、低温韧性很好（在-253时仍有良好韧性）、比断裂韧性 髙以及良好的加工适应性等优点。钛合金适于制造汽车悬架弹簧和气门弹簧、气门，用钛合 金制造板簧与用抗拉强度达2100MPa的髙强度钢相比，可降低自 重20%。用钛合金还可以制造车轮、气门座圈、排气系统零件， 还有些公司尝试用纯钛板作车身外板。钛合金发动机气门用 Ti-6A1-4V等制成的气门比钢制气门轻30%-40%，可提髙极限转 速20%。日本丰田开发了低成本钛基复合材料，该复合材料以 Ti-6A1-4V合金为基体，以TiB为增强体，用粉末；台金法生产， 已在发动机连杆上得到实用。钛的缺点是成本髙、加工性能差，切削、焊接、表面处理 都较难。由于钛的价格昂贵（45万元以上/t）,至今只见在赛车 和个别豪华车上少量应用。钛最大的缺点就是提炼比较困难。这主要是因为钛在髙温 下极易与氧、碳、氮等元素化合。钛以其诱人的特性在汽车行业中有很大的应用潜能。其髙 强度、低密度和优良的耐腐蚀性，不仅可用于汽车驱动装置，也 可应用到汽车底盘上。2002年在汽车工业中用钛近8001,而日 本就占6001, 2006年世界汽车、摩托车钛总量达到50001。由 于钛金属价格髙昂和制造工艺的原因，未来十年应用到汽车上的 量还将保持在低水平状态，年增长速度将近5%。钛的冶炼技术 一旦有突破，价格一定也会直线下降，定会成为继铁、铝之后的 “第三金属”而被广泛应用。6.塑料及其复合材料在汽车上的应用塑料及其复合材料特点：（1）汽车材料应用塑料的最大优势 是减轻车体的重量。一般塑料的比重在0.9-1.5,纤维增强复合 材料比重也不会超过2.0,而金属材料的比重A3钢为7.6、黄铜 为8.4、铝为2.7。这使得塑料材料成为汽车轻量化的首选用材。（2）塑料成型容易，使得形状复杂的部件加工十分便利。例如 仪表台用塑料可以一次加工成型，加工时间短，精度有保证。（3） 塑料制品的弹性变形特性能吸收大量的碰撞能量，对强烈撞击有 较大的缓；中作用，对车辆和乘员起到保护作用。另外，塑料还 具有吸收和衰减振动和噪声的作用，可以提髙乘坐的舒适性。4） 塑料耐腐