铝镁合金在汽车和航空航天的应用

一汽铸造佟国栋二0一一年八月铝镁资料在汽车上的运用现状及开展趋势一、概述二、铝在汽车上的运用三、镁在汽车上的运用四、我国压铸现状五、汽车有色铸造砂芯六、压铸新技术终了语汽车工业节能、平安、环保成为开展的三大主题，对汽车工业提出了减轻汽车质量、降低燃油耗费，提高构造强度，改善NVH〔噪声、振动、冲击〕的迫切要求。汽车的轻量化已成为世界范围内汽车工业开展趋势，要求汽车消费者积极开发和运用新型汽车资料消费分量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。采用铝、镁资料是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效的措施之一。汽车资料开展趋势：

◆轿车车身的本身质量及资料耗费量逐年降低，但钢铁、有色金属等资料依然是轿车的主要资料。

◆轿车用金属资料中钢铁资料在减少，而有色金属资料在添加，尤其是铝和镁。北美每辆轿车资料构成比材料名称钢铸铁铝合成材料橡胶玻璃镁其它构成比%549.88.37.67.40.312.6铝替代传统的钢铁制造汽车，可使整车分量减轻30%～40%，制造发动机可减重30%，铝质散热器比一样的铜制品轻20%～40%，轿车铝车身比原钢材制品轻40%以上。用铝材替代铸铁和钢材制造汽车零部件有显著的减重效果，汽车上每运用1kg铝，可降低自重2.25kg，减重效果高达125%，同时，在汽车整个运用寿命期内，可减少废气排放20kg。即用铝的减重和排放效果比1:2.25:20。铸件变形材锻件％79.817.03.2德国汽车用铝比例铝在汽车上的运用一辆轿车铝及其合金用量欧洲北美日本1990年5379612000年73120902004年99130107年代2002年2003年2009年平均用量124127156北美轿车与轻卡用铝〔kg/辆〕欧洲轿车用铝〔kg/辆〕年代2004年2008年2010年平均用量99150180铸造铝合金在汽车上的运用铝合金铸造工艺压铸〔缸体及各类壳体、支架〕金属型重力铸造〔缸盖、进气管、活塞〕低压铸造〔缸盖、缸体〕砂型铸造〔进气管、缸体、横梁〕挤压铸造〔活塞、转向节〕半固态压铸〔性能要求高的零件：转向节、转向臂〕铸锻结合工艺〔转向节、转向横拉杆〕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、发动机壳、启动机壳、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、分电器座、气门室罩盖、油底壳等传动系变速箱壳、离合器壳、连接过度板、换挡拨叉、传动箱换挡端盖等底盘行走系横梁、上/下臂、转向机壳、制动总泵壳、制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵叉等其它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系统部件等汽车主要系统中的铝铸件半固态铸件的运用

控制臂CONTROLARMS车体衔接件SPACEFRAMENODES轮毂转向架KNUCKLES支架MOUNTINGBRACKETS车闸主缸体MASTERBRAKECYLINDERS油料管架FUELRAILS防滑制动闸阀体ABSHOUSINGS机壳类件A/CHOUSINGS挤压铸造件的运用国内开展趋势及现状

铝铸件

近几年，我国汽车铝铸件运用获得了较大进展，轿车发动机缸盖、进气岐管、变速箱壳、离合器壳等几乎都采用了铝铸件，相当比例的轿车装用了铝车轮。铝压铸缸体也曾经开场消费运用。国内汽车的铝铸件的消费运用已到达一定程度。但是与欧美日比较还有很大差距，高性能铝铸件还需求进口，有些复杂件工艺的自主开发才干较差。采用真空压铸工艺很少；半固态压铸、铸造-锻造工艺处于实验室阶段，消费上还没有采用；短少大型挤压铸造设备，由于日本等国家对800吨以上挤压铸造设备限制向中国出口，横梁等大型挤压铸造零件无法国产化。由于引进车型或总成国别不同，采用的规范也不同，呵斥国内铝合金牌号众多，给铝合金厂消费呵斥困难，不利于铝合金厂大批量专业化消费和降低本钱。

自19世纪末叶到20世纪，金属资料的耗费与日俱增，金属矿产资源逐渐趋于枯竭。有资料阐明，有些金属〔如铜、铅、锌〕只能继续几十年，有些〔如铝、铁〕也只是1至3百年的事。镁是地球上储量最丰富的元素之一，除在地壳表层金属矿的资源含量为2.3%，位居常用金属的第8位外，在盐湖及海洋中的含量也非常可观。因此，在很多金属趋于枯竭的今天，加速开发镁金属资料是实现可继续开展的重要措施之一。镁合金资料在汽车上的运用镁合金资料的特性比重最小的金属构造资料高比强度和比刚度优良的减振降噪效果良好的消费工艺性能可回收反复利用潜在取代重量镁重量（Kg）减轻%减轻重量（Kg）壳体12.85.4587.4内饰件31.2213310.2动力系统(引擎)55.2(33.5)36.2(22.2)35(34)19.1(11.3)悬挂件62.225.95836.2刹车3.91.8542.1框架14.57.2507.3转向5.63.9421.7电气外壳3.21.8441.4合计188.6103.24585.2镁合金在汽车上运用轻量化效果

通用公司福特公司戴-克公司欧洲单车用镁量（kg）6.725.864.03.02004年每辆轿车镁合金用量北美及欧洲的每辆汽车平均用镁合金3.5㎏，目前年增长率24%，10年后镁在汽车上的运用可达每车10㎏，Ford公司单车最大用镁量方案可到达118kg。群众公司年方案到达178kg。汽车镁合金运用增长预测汽车镁合金运用趋势镁合金铸呵斥型压铸〔冷室压铸、热室压铸〕半故态注射成型低压铸造〔金属型、砂型、陶瓷型等〕金属型重力铸造砂型铸造V法铸造零件名称应用优点效果应用厂家变速箱壳体减重、降噪、刚度高大众、福特、通用气门室罩盖减重、降噪、成型性好、扭转刚度好通用、福特、克莱斯勒、宝马、丰田、本田车身前盖减重、降噪MossnerAG整体仪表板骨架减重、韧性好、集成化、设计简化通用、奔驰、克莱斯勒、福特、大众、菲亚特座椅骨架减重、吸震、安全通用、福特、菲亚特车门框支架减重、吸震丰田、英国Wagon公司方向盘骨架减重、吸震、安全通用、奔驰、克莱斯勒、福特、大众、菲亚特、丰田轮毂减重、吸震克莱斯勒、法拉利汽车运用的典型镁合金件典型汽车镁合金零件仪表盘骨架轿车横梁MagnesiumGearboxHousings群众公司镁合金变速箱(Weight:appr.10,6kg;HPDC)群众公司镁合金缸体Mg-SpaceframeofVolkswagen1-LITRECar群众1L汽车镁合金运用国外最新研讨情况在美国，于2001年开场至2006年6月终了的美国与加拿大结合攻关工程“StructuralCastMgDevelopment〞，采用4000t的卧室压铸机和AE44合金，为新款CorvetteZ06研制出了重10.8Kg的镁合金发动机托架〔frontEngineCradle〕，与原来16.4Kg铝合金发动机框架相比，分量减轻了5.6kg(34%)。DemonstrationofEngineCradle〕〞的研讨经费：1.26千万美圆。国外在阅历了镁合金大型、超大型铸件等开发的阶段后，进入了一个新的开展阶段。针对北美地域大多数车辆前端分量较大，前端/后端质量比超越55/45的现状，由美国提出，并建议“中－美－加〞参与的“镁质车体前端构造件开发〞工程，拟将采用全镁的前端，使车辆的前/后质量比接近50/50。这一研讨计划跨过由钢到铝的开展阶段。这标志着，镁在汽车上的运用正在从单体提高到子系统水准。国外最新研讨情况我国的镁资源菱镁矿储量居世界首位，约27亿吨，占全球储量的22.5%青海柴达木盆地的33个盐湖中，共含镁盐31.5亿吨白云石矿储量更为丰富，现探明的储量以目前的开采速度，可以开采1000年以上中国的镁产量占世界的70%我国镁合金压铸现状在国家“十五〞科技攻关等工程的支持和引导下，我国的镁深加工产业发生了根本性的变化，以运用为龙头的镁合金产业链正在构成。一汽铸造公司、重庆隆鑫镁业、东风、长安建成了汽车镁压铸件消费基地，目前以消费中小壳体件为主，短少大件复杂件消费才干。由于资源优势，中国必将成为世界镁零部件消费基地。产量分布：华北地域53000吨占5.2%东北地域104000吨占10.2%华东地域374000吨占36.6%中南地域342000吨占33.2%西南地域127000吨占12.4%西北地域24000吨占2.4%全国约有压铸厂、车间7000多家，各类压铸机约为30000台，其中从国外进口的压铸机约占总数的10％，国内最大压铸机的合模力是40000kN压铸件产品主要以汽车和摩托车零件为主，次之为家用电器、电讯、锁具、建筑装饰、玩具、车模、五金等压铸件。

压铸业现状从消费工艺程度、自动化程度、国产压铸机性能和模具制造等还与世界先进程度有一定的差距。日前国内有国产压铸机企业约80家，其中有一定规模的己有20多家。所消费的压铸机总体而言，还不同程度的存在可靠性较差，构造设计不太先进，自动化程度不高，有的浸透漏油景象较严重等，但也有一些企业因选用了高质量的进口液压件，选用了先进的设计技术，所消费的压铸机与国际先进程度相比，质量到达廿世纪九十年代初期的程度。近年国内也有压铸机消费企业消费出了当代先进程度的实时控制压铸机，但稳定性还需进一步的考验。模具制造跟不上压铸消费的要求。我国日前约有几百家压铸模具厂，压铸模的设计、制造可以满足摩托车、家电、轻工等行业，绝大部分汽车行业的需求。但是国内不少模具厂家消费的模具在运用上还存在着缺点率高、返修较多、稳定性差，制约了消费率的提高，模具行业存在模具规范化程度较低，热模钢质量不高，多数模具加工手段相对落后。国内压铸模的平均价钱是国外平均价钱的1/4左右，寿命只需国外的1/2左右。汽车有色铸件的砂芯国内目前大多采用以三乙胺硬化法的冷芯盒制芯工艺来消费。如铝合金缸体是采用砂芯最多的铸件，除了水套砂芯薄而复杂，依各厂条件不同，分别采用冷芯盒制芯，热芯盒制芯或壳芯制芯外，其它的砂芯，包括曲轴箱砂芯、缸筒与顶端砂芯、前、后端面砂芯等大多采用冷芯盒制芯，以保证尺寸精度和节能。冷芯盒制芯工艺与覆膜砂、热芯盒相比具有制芯周期短、芯盒无受热变形，损耗小，制得的砂芯尺寸精度高和节约能源等优点，因此冷芯盒运用越来越广泛。无机粘结剂的运用无机粘结剂采用热空气硬化，浇注过程不产生有害气体，是一种环保型粘结剂。目前无机粘结剂在宝马、群众等汽车铝合金铸件上得到运用，占制芯总量10%左右，未来几年每年以5%速度递增，伴随环保日益严厉的要求，无机树脂将逐渐取代有机树脂。一汽铸造在新基地中也将采用无机粘结剂。优点：有利于人类安康和环境维护，无异味；符合未来的环境维护法规；可以实现复杂几何外形砂芯的铸造；在铸造时具有高度的热稳定性和尺寸稳定性；减少砂芯发气引起的铸造缺陷；由于清理费用很低，降低消费本钱；在铸模上堆积的冷凝物清理容易，极大地减少模具维护费用；新技术近年来，人们为理处理压铸件内部存在的气孔和缩孔问题，使之能消费出高强度、高致密性、可焊接、能进展热处置、可扭曲等各种性能的压铸件，在继续完善善真空压铸以外又开展了挤压铸造和半固态压铸等新技术，并概括地称之为“高密度压铸法〞。高真空压铸技术充氧压铸技术半固态压铸技术挤压压铸技术挤压铸造采用挤压铸造工艺消费铝合金零件替代钢铁零件。减重60%、质量稳定、消费效率高、本钱低。转向节、发动机支架、各类底盘支架等。高真空压铸可消费大面积薄壁铝合金压铸价，高真空铝合金压铸件可进展热处置进一步提高强度车门等薄壁件和受力件半固态加工半固态加工可以进一步提高铸件的性能，可以替代钢铁零件，对汽车轻量化发扬重要作用。触变成形根本具备了批量消费条件，流变成形还需求进一步完善。转向节、控制臂等承力件

推行运用新型高强度、高耐磨性的压铸合金，研讨可着色的压铸合金以及用于消费有特殊平安性要求铸件的新型压铸合金

开发性能稳定、成分易于控制的压铸合金

简化铝合金成分，减少合金牌号，为实现绿色消费提供根底;

加速开发压铸新工艺(真空压铸、充氧压铸、半固态压铸、挤压铸造等)

提高对市场的快速反响才干，推行并行工程(CE)和快速原型制造技术

开展CAD/CAM/CAE系统的研讨与开发

开发和运用更多的铝、镁合金汽车零部件

推行运用环保型无机粘结剂几点开展建议铝锂合金的运用

近年来，国内外铝锂合金的研制和成形技术日渐成熟，因此在航天器的设计与制造中大量运用了铝锂合金，如“奋进号〞航天飞机的外贮箱[9]〔图

1〕、“