铝合金轻金属材料在汽车上的开发应用前景

铝合金轻金属材料在汽车上的开发应用前景肖永清内容提要：本文阐述了铝合金、铝基复合材料等轻金属材料的性能、特点，以及它们在现代汽车及其零件上的应用实例。关键词：铝合金性能、特点应用实例随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，有色轻金属的应用范围在不断扩大，可以说，从90年代开始，汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。构成汽车的零件约有两万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料。其中约86%是金属材料，而在金属材料中，90年代日本的消费量铝铸材料中的83%都是用于汽车制造上，这对日本经济界的发展产生了很大的影响。现代汽车越来越多地使用轻合金材料。如铝质发动机体、铝质缸盖、铝质进气歧管、铝皮车身、铝质制动鼓，甚至还有铝车架等。总的发展趋势是将铸铁件用铝来代替。美国1977年每辆汽车的平均用铝量约在45kg以下。1978年每辆客车用铝量约51kg。到1980年，每辆汽车的平均用铝量达67.5kg。据国外经验每公斤铝约能代替2.25～2.5kg铸铁。所以大量采用铝制件是减轻汽车质量的一个方面。除铝制件外，汽车用镁合金制件也越来越引起人们注意。镁在汽车上的应用已有40多年的历史，它比铝更轻。近年来，已用镁合金制造曲轴箱壳、变速器壳、车轮、各种阀体、盖板、衬套等多种零件。据介绍美国到1985年，所有汽车整备质量平均减少25%。1.铝合金性能铝是元素周期表中第三周期ⅢA族元素，原子序数13，原子量26.998154，金属铝为银白色。不管是固体铝或熔融铝，其密度都随着纯度的提高而降低；同等纯度的熔融金属铝的密度随温度的增高而降低。铝的熔点随其纯度而变化，越纯熔点越高。铝的导热系数大约为熟铁的2.5倍，为钢的1.5倍。铝的比热也是金属中较大的，为铁的2倍，为钢和锌的2.5倍。铝的导电性能仅次于金、铂、铬、铜和汞，铝的纯度越高其导电性能越好。铝的导电率为铜导电率的62%～65%(和纯度有关)，而钢的密度是铝的3.3倍。铝的机械性能与纯度关系密切，纯铝软、强度低，但与某些金属组成铝合金后，不仅在某种程度上仍保持着铝固有的特点，同时又显著地提高了它的硬度和强度，使之几乎可与软钢甚至结构钢相媲美。铝的化学性质极其活泼，其氧化物、卤化物、硫化物及碳化物等的生成能非常大。铝的昀特殊的性能是有同氧强烈结合的倾向，特别是同空气中的氧。铝在空气中被其表面生成一层厚度约为2×lO-4mm的致密的氧化铝膜所覆盖，这一层薄膜防止了铝的继续氧化，从而决定了铝在常温和通常的大气中具有良好的抗腐蚀性能。铝在空气中被加热到接近于其熔点(660℃)时，则氧化继续进行，而在该温度下，铝的氧化与氧化时间的平方根成正比。铝氧化的强度取决于温度、粉碎程度及存在于其中的其他金属杂质。当温度高于铝的熔点时，其氧化速度昀大，而粉碎很细的铝粉，当在空气中加热时即剧烈燃烧。铝中有镁、钙、钠、硅及铜存在时，其氧化强度增加，在有杂质存在的地方，氧化膜同铝的连结力大大降低。Al-Cu合金有高的抗拉强度，但其铸造性能不如含Si量高的合金；Al-Si二元合金具有好的焊接性、高的耐腐蚀性和低的密度；Al-Zn合金的切削性能好，且在不进行固溶处理时在室温下经过较短时间的时效，可在一定程度上提高其强度；Al-Mg合金具有优良的抗腐蚀性、好的切削加工性、并能通过阳极氧化得到漂亮的外观，但对其浇冒系统的设计需要仔细考虑。Al-Zn-mg系铸造合金作为高强度铸造铝合金得到发展。Zn、Mg含量提高可提高合金强度，但塑性和耐蚀性降低，故需在合金中加入Mn、Re、Cr、Ti、B、Zr等来细化晶粒，进一步提高强度、塑性和耐蚀性。在高强度铝合金中，Fe、Si被视为有害元素而严加控制，因而需使用高纯度原铝，这会提高生产成本，也增加生产的难度。Al-Zn-Mg系合金中，虽也把Fe、Si作为杂质，但在一定条件下，Fe、Si有利于强度和铸造性能的改善，故对其限制要宽松得多。工业铝易溶于盐酸，随纯度提高，铝在盐酸中的溶解度急剧下降。硫酸对铝的作用很慢，冷的浓硝酸和稀硝酸都不能溶解铝，但将酸加热则能溶解。铝对乙酸等有机酸是稳定的。氢、氮、一氧化碳等气体能溶解在铝液中，其中部分气体溶解后与铝形成化合物。气体在铝液中的溶解度随温度升高而增加。纯铝有很多可贵的性质，特别是铝基合金，具有更多的优越特性，因此铝及其合金的用途很广。作为替代钢材的轻量化材料主要是铝、镁、钛等轻金属。其中，铝在汽车上使用已相当广泛，镁和钛也开始采用。2.铝合金特点铝的密度比铁低，昀适于不产生高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高到45钢水平，当用于高应力零件时，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昀好的例子。(2)高的耐蚀性。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)柔性地强度设计。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、汽缸盖、汽缸体等零件。(4)高的导热性能。与铸铁比，导热性能约高三倍，因而昀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)高的导电性能。电导率约为铜的60%。密度是铜的1/3，因此，用铜重量一半的铝就可传送与铜等量的电荷。但作为电线它比铜的可挠性差。(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。也可用于汽缸体。3.铝在现代汽车上的应用铝的导热性好，是制作制冷设备、散热器、热交换器的好材料。铝是非磁性体，不受磁力影响，因此船舶上的罗盘常装在铝或铝合金外壳中。建筑方面近来广为利用铝和铝合金制作梁材、柱材、衔架、框架、门窗、屋面、墙面等，以代替木材和其他材料。'铝粉的用途也很广，目前一般是用磨细或液态铝雾化法制取铝粉，所制铝粉有粗细之分。粗铝粉可用于钢的脱氧，目的是提高钢的质量。铝粉也是铝热法还原生产某些金属的主要原料，如用它还原铬、锰、钨、钡、钙等难还原的金属，或用它焊接金属部件，铝熔剂在燃烧点上可达2000℃的高温。细铝粉主要用于颜料、焰火、泡沫剂等。铝与铝合金在日常生活和装饰方面的用途也很广，如用于制作炊具、食品贮藏和包装、乐器、照相机部件以及其他工艺美术品等。铝具有吸声性能，广播室和现代大建筑物目前多采用它做室内天花板。铝在碰击情况下不产生火花，可应用于防止火花产生的场合。铝在低温环境中，仍然保持良好的强度和机械性能，有时甚至有所提高，因此它是低温防寒的好材料。电器和无线电工业根据铝的导电性好这一特性，广泛地用铝制造电线、电缆、电容器、整流器、电器配件和无线电器材等。此外，铝线比较容易冷却，能相对地支持更大的电流，更具有经济性。化工工业根据铝的耐蚀性良好，常用铝合金制作各种耐蚀性的设备和储运使用的容器。采用较纯的铝以包铝的方式包覆在其他金属表面上，以保护金属不受腐蚀，这在工业上也有所应用。铝是轻量化首选材料，在高张力钢板、铝、塑料与一种称为FRP的轻量化材料中，铝起了特别重要的作用。用于汽车上的铝合金大体上可分为铸造铝合金、变形铝合金和铝基复合材料。铸造铝合金在汽车上主要用于发动机、传动机构、转向系统、制动器、行走系及各种附件。在汽车工业发达国家，汽车用铝铸件占到各类铝铸件产量的大半。例如日本，铝铸件的76%，压铸件的77%为汽车铸件。铝可以用所有的常用铸造工艺来铸造，例如压铸、砂模铸造、硬模铸造和消失模铸造。虽然有许多种金属元素可以成为铝的合金化元素，但只有Cu、Li、Mg、Mn、Si和Zn才在大量生产中具有重要意义，其他的只是作为补充合金元素添加以改善其性能和冶金特性。机械制造业广泛用铝和铝合金制造车轮、滑轮、离心机、通风机、起重机及泵的零部件，活塞和发动机汽缸等。这是因为铝及其合金不但密度轻，而且能达到要求的强度，从而能降低在运转中的能量消耗或者在使用相同能量的条件下大大地提高运转速度，同时也有可能延长机件的使用寿命。整个机器和机械的质量和尺寸减小后，能使其适于生产、运输、安装和操作。铝和铝合金已成为制造飞机、汽车、船舶、拖拉机、机动车辆等不可缺少的材料。在日本，铝铸件、压铸件占汽车全部铝用量的90%以上，而在美国，轧制铝的用量比例很大，约占40%以上，此外还有锻造铝及其合金。铝用量的增加主要是汽缸体、散热器、车轮、保险杠、车身外板等零件铝化倾向增强所致。由于铝的比重只有铁的1/3，由铁向铝转换也比较容易，所以把活塞、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，保险杠、油箱也将钢板改用为铝合金。保险杠用的新铝合金也多次被开发。但在日本，主要使用的是钢板和塑料，这是因为欧美等国和日本的铝价格差异较大。因此，未来汽车的材料构成比例中，欧美地区的铝将成为主要比率。如在德国的试验车中，铝合金使用率已达到全体材料的30%。另外，由于不稳定的铝价格和强力塑料的推出，每辆汽车中铝使用量的增加势头比以前有所减弱，从精炼铝在价格来看，铝仍是轻量化首选材料。常见现代轿车上典型铝件的装备位置见图。4.铝在汽车零件上的应用实例(1)铝汽缸体、汽缸盖在现代车用水冷发动机或空冷发动机上可见，铝汽缸体有全铝型和缸孔中嵌入铸铁缸套型。为降低成本和更进一步轻量化，提倡采用全铝型。对此开发耐活塞环滑动，耐磨性优良的铝合金是十分必要的。美国GM公司采用全铝缸套，法国车的铝汽缸盖已达100%，铝汽缸体已达45%。美国福特公司NGT货车发动机汽缸盖、Zeta4缸机、ModularV6/V8机、克莱斯勒公司新V6发动机缸体和缸盖都使用铝合金材料。克莱斯勒公司Jeep(吉普)5缸机、3.8LV6和道奇货车发动机改用铝合金缸盖。日本的日产汽车公司(Nissan)在Maxima(麦克西马)车上使用了新型的VQ系列V6发动机，其特点是在制造这种发动机的铸铝缸体时，使用了高压模铸工艺(HPDC)。这种工艺可改善浇注，增加强度，尤其适于薄壁汽缸，该缸体比原来的缸体轻50%以上。此外，在动力系统中使用铝材的零部件还在扩大。在日本和欧洲的发动机中使用铸铝油底壳，可改善刚性结构、降低NVH。日产公司VQ和丰田公司的Lexus(凌志)IMZ-FEV6发动机均使用了铸铝油底壳。通用公司也在5.7LCorvetteV8发动机上使用这种油底壳。此外，日产公司VQ汽缸还采用了铝气门挺杆。由于铝的再生效果显著，本田公司在美国的制造厂还将回收铝用于发动机零件的制造上。(2)铝散热器汽车的冷气设备(冷凝器、蒸发器)、机油冷却器、散热器、暖风设备等热交换器中的冷凝器、蒸发器、空冷式机油冷却器几乎100%的用铝制造。铝散热器的难点是耐久性和散热能力。耐久性主要是因腐蚀而漏水的问题。其原因是冷却液引起的内部腐蚀和盐类引起的外部腐蚀。向冷却水中添加防锈剂可防止内部腐蚀；对于盐类引起的外部腐蚀可采用表面处理和耐蚀合金来防止。(3)铝合金车轮车轮是重要的保安件，对其安全性要求很高，轿车采用各种式样的铝合金车轮已相当普遍。车轮轮辋用铝合金，要求较高的强度(疲劳强度、闪光焊焊接性、滚轧成形性等)；铸造用铝合金则要求有良好的铸造性和足够的强度。铝车轮的特点：重量轻；由于散热性好，防止了轮胎的过热；尺寸精度高，减少了纵向和横向的振动。车轮是刚性部件，在中心支撑轮胎，应具有较高的强度与刚度。车轮与汽车的多种性能密切相关，整车的安全性和可靠性很大程度上取决于所用车轮及所装轮胎的性能和使用寿命。因此要求车轮具有：足够的负载能力和速度能力；良好的附着性和缓冲特性，耐磨耐老化和良好的气密性，良好的均匀性和质量平衡；较小的滚动阻力和行驶噪声；精美的外观和装饰性，质量小，价格低，拆装方便，互换性好。铝合金车轮与钢制车轮相比，能更好地满足以上