铝合金在汽车上的应用

1、铝合金在汽车上的应用近 20 年来，世界性能源问题变得越来越严重，这使得减轻汽车自重、降低油耗成了各大汽车 生产厂提高竞争能力的关键。据有关数据介绍，汽车重量每减少50kg，每升燃油行驶的距离可增加2km汽车重量每减轻1%燃油消耗下降0.6%1%铝具有密度小、耐蚀性好等特点，且铝合金的 塑性优良，铸、锻、冲压工艺均适用，最适合汽车零部件生产的压铸工艺。从生产成本、零件质量、 材料利用等几个方面比较，铝合金已成为汽车生产不可缺少的重要材料。目前，美国、日本、德国 是汽车采用铝合金最多的国家，如德国大众 AudiA8、A2,日本的NXS等车身用铝合金量达80%我 国汽车除上海桑塔纳、一汽奥迪和捷达

2、（均为引进生产线）用铝合金外，国产以红旗较多，约80100kg。有资料表明，用铝合金结构代替传统钢结构，可使汽车质量减轻30%40%制造发动机可减轻 30%，制造车轮可减轻 50%。采用铝合金是汽车轻量化及环保、节能、提速和运输高效的重要 途径之一。因此，研究开发铝合金汽车目前显得十分必要。1 铝合金在汽车工业中的应用背景最早把铝材运用到汽车上的是印度人，据记载， 1896年印度人率先用铝制做了汽车曲轴箱。进 入20世纪早期，铝在制造豪华汽车和赛车上有一定的应用， 铝制车身的汽车开始出现，如亨利福 特的 Model T 型汽车和二、三十年代欧洲赛车场上法拉利 360赛车都是铝制车身。铝具有密度

3、小、耐蚀性好等特点，且铝合金的塑性优良，铸、锻、冲压工艺均适用，最适合汽车 零部件生产的压铸工艺。从生产成本、零件质量、材料利用等几个方面比较，铝合金已成为汽车生 产不可缺少的重要材料，铝合金作为典型的轻质金属广泛应用于国外汽车上，国外汽车铝合金制部 件主要有活塞、气缸盖、离合器壳、油底壳、保险杠、热交换器、支架、车轮、车身板及装饰部件 等。目前，美国、日本、德国是汽车采用铝合金最多的国家，如德国大众AudiA8、A2,日本的NXS等车身用铝合金量达80%我国汽车除上海桑塔纳、一汽奥迪和捷达（均为引进生产线）用铝 合金外，国产以红旗较多，约80100kg。有资料表明，用铝合金结构代替传统钢结构

4、，可使汽车 质量减轻 30% 40%，制造发动机可减轻 30%，制造车轮可减轻 50%。采用铝合金是汽车轻量化及环 保、节能、提速和运输高效的重要途径之一。因此，研究开发铝合金汽车目前显得十分必要。 铝合金的主要优点是重量轻，散热性好。随着发动技术的发展，四气阀结构成为发动机的主 流设计趋势。与两气阀发动机相比，每缸四气阀的气缸盖比每缸两气阀的气缸盖在工作时要产生更 多的热量，采用全铝合金缸盖是最好的解决办法。目前，轿车发动机部件中不仅活塞、散热器、油底壳缸体采用铝合金材料，而且缸盖、曲轴 箱也采用这种材料。在目前的形式下，在发动机上采用铝合金替代铸铁已经成为主流趋势。法国汽 车的铝汽缸套已达

5、 100，铝汽缸体达 45%。在未来几年里，随着高强度优质铝合金材料的开发成 功和制造工艺的不断改进，铝合金材料将愈来愈多的用来制造这一类零部件。汽车用铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用量最多，占80%以上，其中又分为重力铸造件，低压铸造件和其它特种铸造零件。变形铝合金包括板材、箔材、挤压 材、锻件等。世界各国工业用铝合金材料的品种构成虽然有一定的差异，但大体是相同的。其品种 构成：铸件占 80%左右，锻件占 1%3%，其余为加工材。美国汽车工业中变形铝合金占较大比例，达36%1.1 铸造铝合金的应用铸造铝合金具有优良的铸造性能。可根据使用目的、零件形状、尺寸精度、数

6、量、质量标准、 机械性能等各方面的要求和经济效益选择适宜的合金和合适的铸造方法。铸造铝合金主要用于铸造 发动机气缸体、离合器壳体、后桥壳、转向器壳体、变速器、配气机构、机油泵、水泵、摇臂盖、 车轮、发动机框架、制动钳、油缸及制动盘等非发动机构件。1.1.1 发动机用铝合金汽车发动机用铝合金制造轻量化最为明显，一般可减重30%上，另外，发动机的气缸体和缸盖均要求材料的导热性能好、抗腐蚀能力强，而铝合金在这些方面具有非常突出的优势，因此各汽 车制造厂纷纷进行发动机铝材化的研制和开发。目前国外很多汽车公司均已采用了全铝制的发动机 气缸体和气缸盖。如美国通用汽车公司已采用了全铝气缸套；法国汽车公司铝气

7、缸套已达100%铝气缸体达45%日本日产公司VQ和丰田公司的凌志IMZ-FEV6均采用了铸铝发动机油底壳；克莱斯 勒公司新V6发动机气缸体和缸盖都使用了铝合金材料。德国大众先进的6.0L W12发动机采用的基本上都是铝镁合金，奥迪 A8L 6.0 quattro 轿车 上因采用W12发动机，整车重量随之被降低到1980kg，低于所有其他车型。而 W12引擎450马力、 560Nnm勺强劲动力，使其单位马力需加速的重量仅为 4.7kg，堪与高性能跑车相媲美。北极星系列引擎是通用旗下除了 LS引擎系列外最顶级的发动机，它是美国首款顶置凸轮轴 的V8铝合金的引擎。它的汽缸套由全铝合金压铸而成。目前广

8、泛应用于凯迪拉克上的4.6升发动机最大功率320马力，最大扭矩427Nm而应用于高性能V系列的机械增压款更可高达 476马力 /606Nm1.1.2 轮毂用铝合金铝轮毂因为质轻、散热性好，并具有良好的外观，而逐渐取代了钢轮毂。在过去的10年，全球铝合金汽车轮毂以7.6%的年增长率增长，根据分析，到 2010年时，汽车轮毂铝化率可达 72%- 78% A365是一种铸造铝合金，它具有良好的铸造性能又具有高的综合力学性能，世界各国的铸造 铝合金轮毂都是此类合金生产的。我国西南铝加工厂与日本轻金属株式会合作开发了A6061铝合金轮毂。汽车广泛应用的铝制轮毂是铝合金在汽车上应用的一个例子，几乎所有的新

9、车型都采用了铝合金轮汽车用铸造铝合金的主要部件系统部件系统零件名称发动机系统发动机缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、发 动机壳、启动机壳、摇臂、摇臂盖、滤清器底座、 发动机托架、正时链轮盖、发动机支架、分电器 座、汽化器等传动系统变速箱壳、离合器壳、连接过滤板、换挡拨叉、 传动相换挡端盖底盘行走系统横梁、上下壁、转向机壳、制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵等其他系统部件离合器踏板、刹车踏板、方向盘、转向节、发动 机框架、ABS系统部件1.2 变形铝合金的应用变形铝合金在汽车上主要用于制造车门、行李箱等车身面板、保险杠、发动机罩、车轮的轮 辐、轮毂罩、轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动

10、系统、热交换器、车身构架、 座位、车箱底板等结构件以及仪表板等装饰件。车身板件用铝合金板材在轿车上的应用比重不断上升，如经热处理（如：T4、T6、T8）的6000系（Al-Mg-Si系）铝合金板材，能够很好的满足汽车对壳体的要求，可用做车身框架材料。Audi A8的车身钣金件，即采用了本系合金铝材。另外，2000系（Al-Cu-Mg系）、5000系（Al-Mg系）和7000系（Al-Mg-Zn-Cu 系）铝合金也可应用于车身材料。近几年，采用6000系和7000系高强度铝合金开发了 “口”、“日”、 “目”、“田”字形状的薄板和中空型材，不仅质量轻、强度高、抗裂性能好，而且成型性能好， 在汽车

11、上得到了广泛的应用。其它铝合金结构件铝合金也被广泛应用于汽车的其他部位，如：美国通用汽车公司用 7021铝板制造Smure 轿车保险杠增强支架，福特公司用 7021铝板制造Lincoln Town轿车保险杠增强支架。汽车悬挂件 也应用了铝合金材料，有效减轻了相应零部件的质量，提高了汽车行驶的平顺性、稳定性，如用6061 锻件生产的盘式制动器卡爪、动力传动框架等。此外，铝合金也广泛用于汽车空调系统，如日本用 6595铝合金做汽车散热器和冰箱散热器。变形铝合金的主要部件系统车身系统部件发动机罩、车顶蓬、车门、冀子板、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件等热交换器系统部件发动机交换器、机油散油器、中冷器

12、、空调冷凝 和蒸发器等其他系统部件冲压车轮、座椅、保险杠、车厢底板及装饰件等2 新型铝合金在汽车上的应用2.1快速凝固铝合金快速凝固条件下（冷速达104109C /S）,材料将引起一些组织结构上的新特征：超细化的微 观组织；提高合金的固溶度极限；成分的高度均匀、少偏析或无偏析；形成新的亚稳相等。基于这 些特征，快速凝固铝合金必然会在汽车行业得到应用。Sumitomo电器公司利用快速凝固PMAI-Si-X高硅铝合金代替烧结钢，大批量制造汽车空调压缩机转子和叶片，使转子重量减轻60%整个压缩机重量减轻40%雅马哈汽车制造公司生产的快速凝固高硅铝合金活塞也投入市场，这种活塞与普 通铸铁相比，重量减轻

13、了 20%寿命提高了 30%而且显著降低了噪音，减少污染；马自达汽车公 司利用喷射沉积Al-Si-Fe-Cu-Mg合金制造了一种新型发动机转子，提高了发动机效率，能节油20%2.2铝基复合材料以陶瓷纤维、晶须、微粒等为增强材料，生产铝基复合材料，其比强度、比弹性模量、耐热性、 耐磨性等大幅度提高，可用做发动机零件，如用粉末冶金法研制成功的AI2O3或SiC颗粒（晶须）增强的Al-Si系合金活塞，在保留Al-Si合金活塞优点的同时，可进一步改善活塞的强度、耐磨性、 耐热性和抗疲劳性能，用于汽车发动机上；此外，颗粒增强铝基复合材料还可用于制造车辆发动机 的汽缸体、活塞和连杆等部件。2.3 泡沫铝合

14、金泡沫铝合金是一种在金属基体中分布有无数气泡的多孔材料，这种材料的质量更轻、强重比更 高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。将泡沫铝填充于两个高强度外板之间制成的 三明治板材，在用于车身顶盖板时，可提高刚度、轻量化并改善保温性能，用在保险杠、纵梁和一 些支柱零件上时，可以增加撞击吸能的能力，在轻量化的同时，提高了撞击安全性。3 铝合金在汽车上的发展前景在轻量化金属中，镁合金密度虽比铝合金小，但镁锭成本较高，且零件制造过程中还有许多技 术障碍，如缺少高温压铸合金和设计数据，表面处理技术粗劣，结合水平低等，所以目前在汽车上 的使用量相当有限；而航空航天用的钛合金虽有高的机械强度，但制造工

15、艺困难和制造成本昂贵， 导致钛合金无法大批量的应用于汽车生产。铝合金在成本、制造技术、机械性能、可持续发展（地 壳中铝含量最多，占8.1%）等方面综合性能好，因此铝合金是现在及将来汽车工业中的首选轻金属 材料。铝材代替铸铁和钢材零件的质量对比零件名称铸铁件质量铸铝件质量质量比（铁：铝）零件名称钢件质量铝件质量质量比（钢：铝）进气歧管3.518.01.89.0(1.92):1前后上操 纵杆1.550.552.8:1汽缸体8012013.532.0(3.85.9)：1悬挂支架1.850.702.6:1发动机卓18276.811.4(2.42.6)：1转向操纵 杆2.101.101.9:1转向机壳3

16、.64.51.41.8(2.52.6)：1万向接头6.953.901.8 : 1变速器壳13.523.05.08.2(2.72.8)：1托架0.190.121.6 : 1制动鼓5.59.01.83.6(2.53.1)：1吸振轴承0.1850.131.4 : 1水泵壳1.85.80.72.3(2.52.6悬挂支架0.300.142.1 : 1)：1轴承油泵壳1.42.30.50.9(2.82.6)：1转向杆轴承0.370.281.3 : 1从上表可知，汽车每使用1 kg铝，可减轻自重2.25 kg，减重效应高达125%在汽车整个 使用寿命周期内可减少废气排放 20 kg。此外，铝回收简便，是除钢

17、铁以外能最大限度从上表可知， 汽车每使用1 kg铝，可减轻自重2.25 kg，减重效应高达125%在汽车整个使用寿命周期内可减 少废气排放20 kg。此外，铝回收简便，是除钢铁以外能最大限度回收利用的材料，几乎90%勺汽车用铝可以回收并循环利用。铝具有良好的物理和化学性能，工业生产中的铸、锻、冲工艺均能适 用，是可采用多种铸造工艺制造零件的少数几种金属材料之一，最适于应用广泛的压力铸造工艺。但铝合金的成本仍高于钢铁材料。回收利用的材料，几乎90%勺汽车用铝可以回收并循环利用。铝具有良好的物理和化学性能，工业生产中的铸、锻、冲工艺均能适用，是可采用多种铸造工艺制造 零件的少数几种金属材料之一，最

18、适于应用广泛的压力铸造工艺。但铝合金的成本仍高于钢铁材料。车身的重量约为汽车总重量的 30%故车身的轻量化占有举足轻重的地位。在汽车内外板上 用铝合金板代替钢板可使车身减重约 40%-50%如采用铝合金覆盖件整车减重10%-15%可见采用 铝合金车身板的减重效果十分显著。铝合金在汽车轻量化应用方面提供了很好的应用基础和市场前 景，必然为铝合金汽车覆盖件的应用带来更大机遇。因此，用铝合金板取代钢板制造车身覆盖件也 是汽车轻量化的必然之路。德国奥迪A8型高级轿车的整个车身均采用铝材制造，框架采用立体框架式结构，覆盖件为 铝板冲压而成。这种铝车身与钢车身相比，质量减轻30-50%,油耗减低5-8%。Der n«ue Audi A8AudiFiarna日本本田公司生产的in sight hybrid轿车车身用铝合金达162kg，比钢车身减重约40%捷豹XJ的基础车身就是铝合金材料，在保证了强度的同时，提高了空间体积，还使整车的灵活 性得到了最大限度的保留。就铝板覆盖件的应用发展趋势看，强度高、成形加工性好、表面质量优 良的铝板将取代钢板成为汽车覆盖件的主要材料。目前，我国汽车生产量继美国、日本、德国之后，居世界第四位。而在汽车铝化率方面，我国的技术还相对比较落后。当前发达国家汽车上铝材的使用已达138kg,铝化率达12%而我