鋁合金在汽車中的應(yīng)用與發(fā)展

黃言濤 鄧圓宏

摘要：隨著汽車使用率的急劇上升，能源消耗成了一個嚴(yán)重的問題，資源越來越少。鑒于輕質(zhì)鋁合金在汽車制造生產(chǎn)中的工業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，國內(nèi)外各個汽車設(shè)計制造公司也都紛紛做出了相關(guān)的研究與分析。本文主要通過介紹鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用背景，鋁合金的人機工程、機械性能及其工藝性能，鋁合金在汽車應(yīng)用中的具體案例與應(yīng)用推測，鋁合金在汽車應(yīng)用中的發(fā)展前景等問題來探究鋁合金在汽車中的相關(guān)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁合金；汽車制造；應(yīng)用前景

引言

鋁合金是輕質(zhì)金屬材料中的佼佼者，它是將鋁作為基礎(chǔ)元素，以其他元素作為輔助元素混合組成的金屬合金。它具有良好的耐腐蝕性，還具有質(zhì)量輕、強度較高、比剛度高的優(yōu)良性能，并且可焊接。鋁合金是結(jié)構(gòu)材料中常用的一種金屬材料，在生活中隨處可見鋁合金的相關(guān)產(chǎn)品，它分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。良好的塑性和鑄造性造就了鋁合金高質(zhì)量、高效率的加工工藝，其在航天、航空、交通運輸、建筑、機電中有著廣泛的應(yīng)用。然而，隨著人們生活水平的提高，對物質(zhì)的要求也逐步提高，汽車作為一種普遍與時尚兼具的交通工具，在生活中承擔(dān)著重要的角色，因此對汽車的外觀、性能等指標(biāo)有了更高的要求。鋁合金作為當(dāng)今輕質(zhì)金屬的代表和最具有現(xiàn)代感的金屬材料，在汽車制造中的應(yīng)用有著十分重要的研究意義。

1鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用背景

在這個日新月異的科技時代，科技高速發(fā)展的背后卻出現(xiàn)了能源危機，節(jié)能成了時代主題。在汽車制造行業(yè)中，以“減輕重量，減少耗油量”為競爭手段，輕質(zhì)金屬的鋁合金便是汽車生產(chǎn)中不可缺少的重要材料。有資料表明，如果用鋁合金取代鋼材料，那么，發(fā)動機的質(zhì)量就可以減輕30%左右，車輪可減輕50%左右，汽車總重量將減輕30%～40%。從實際能源消耗的角度來講，如果一輛汽車的質(zhì)量減少1千克，那么，每1升汽油就能夠多行駛40米的路程。也就是說，如果一輛汽車的質(zhì)量減少1%，耗油量就會減少0.6%～1%。早在1896年，國外就有人將鋁合金用于制造汽車曲軸箱中。20世紀(jì)早期時，鋁合金就應(yīng)用于一些豪華汽車和賽車上，如用鋁合金制造汽車的骨架結(jié)構(gòu)等。鋁合金在國外的汽車工業(yè)中主要制造裝飾部件、氣缸蓋、油底殼、離合器片、熱交換器、活塞等。在國內(nèi)，汽車運用鋁合金制造汽車零件也逐漸增多，如上海大眾等，其中國產(chǎn)紅旗牌的應(yīng)用量最多，約70～100kg。發(fā)展至今，汽車中用鋁合金制造的零件越來越多，從先前的鋁合金曲軸箱到現(xiàn)在的氣缸蓋、油底殼、離合器片、熱交換器、活塞等零件都是運用鋁合金材料制造出來的。面對當(dāng)今快速發(fā)展的汽車工業(yè)制造，用鋁合金替代鑄鐵制造汽車零件已經(jīng)成為一種主流趨勢。在法國的汽車行業(yè)中，用鋁合金制造汽缸套已達到100%，汽缸體達到45%。基于宏觀的視角，隨著未來科技的發(fā)展和技術(shù)的革新，在高強度的優(yōu)質(zhì)鋁合金材料研發(fā)之下，整個汽車行業(yè)的工業(yè)制造將隨之蒸蒸日上，社會生產(chǎn)力將不斷提升，生產(chǎn)關(guān)系將不斷改善，鋁合金材料也將會更為廣泛地應(yīng)用于汽車制造中，進而促進更高層次的工業(yè)發(fā)展。

2鋁合金的性能

2.1鋁合金在人機工程方面的性能

人機工程是研究人們在工作和生活環(huán)境中的各項心理和生理特征的各種主觀因素，即研究產(chǎn)品與人的各種心理和生理的相互協(xié)調(diào)，研究人在生活、工作、休息時考慮人們的生活習(xí)性、工作效率、人的健康安全和舒適度等等。而鋁合金汽車中的應(yīng)用正是體現(xiàn)了人機工程的運用，更充分說明了鋁合金具有的優(yōu)越獨特性能。例如，鋁合金的易加工性不僅節(jié)約了零件制造的成本，還大大減少了人力資源；鋁合金優(yōu)良的塑性在制造座椅時，不僅減輕了汽車質(zhì)量，還讓人們坐得更為舒適，相對傳統(tǒng)的硬鋼材來說就顯得柔軟了許多等等。因此，鋁合金在汽車制造材料中占有很高的地位，并且鋁合金經(jīng)過精細處理后會產(chǎn)生特別的效果，無論是其反光度，還是表面材質(zhì)都有著不一樣的效果。例如，在汽車色彩設(shè)計中就巧妙地運用了鋁合金的金屬光澤，容易讓視覺產(chǎn)生沖擊、關(guān)注和調(diào)動。因為金屬光澤會隨光環(huán)境的不同而產(chǎn)生不同的光澤效果。因此，光澤隨不同環(huán)境的光特性不斷發(fā)生變化。汽車色彩設(shè)計大量運用鋁合金的金屬光澤，使之產(chǎn)生流動變化的動態(tài)之美：車隨光動，光隨車變，以光澤造就流線之型，以光澤傳遞動感之美。

2.2鋁合金的機械性能

鋁及鋁合金是工業(yè)中用量最大的有色金屬。純鋁很軟，加進銅、錳、硅、鎂、鋅等合金元素以后，才能制成強度很高的鋁合金。基于純鋁的特性，加入其他金屬元素后，所得到的鋁合金材料與純鋁相比，可以說是發(fā)生了質(zhì)的蛻變，其強度和硬度都得了大幅度的提高。在此基礎(chǔ)上，還可以將所得到的鋁合金進行熱處理強化，使它的抗拉強度得到進一步的提升。鋁合金的抗拉強度幾乎可以達到低碳鋼的抗拉強度，并且還高于某些合金鋼材料的抗拉強度。鋁和鋁合金有多方面的優(yōu)良性能，主要是重量輕，比重只有鋼鐵的1/3，但比強度卻很高。汽車用鋁合金制造，可以大大減輕體重，降低汽油耗量，因此在汽車工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。

2.3鋁合金的工藝性能

基于金屬材料的工藝性能，材料經(jīng)過加工工藝處理才能制成產(chǎn)品，那么，在進行加工工藝處理之前，材料必須適應(yīng)各種加工工藝處理的能力要求。鋁合金的機械性能與理化性能綜合反映了其工藝性能。鋁合金作為現(xiàn)代輕質(zhì)金屬材料之一，在擁有較高綜合性能的同時還擁有著良好的加工工藝性能。液態(tài)鋁合金具有很好的流動性、填充性，因此具有很好的鑄造性能；變形鋁合金具有很好的塑性變形且不出現(xiàn)裂紋，可進行壓力加工，故具有較好的壓力加工性能。除此之外，鋁合金材料還具有很好的焊接性和切削加工性能。因此，鋁合金的工藝性能促進了鋁合金相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與能源的利用率。

3鋁合金在汽車中的應(yīng)用案例

3.1鑄造鋁合金的應(yīng)用

液態(tài)鋁合金因具有優(yōu)良流動性和填充性，所以廣泛應(yīng)用于制造成鑄造零件，并且鑄造方法也是十分廣泛的，可根據(jù)使用要求、零件形狀、尺寸的精度、零件生產(chǎn)數(shù)量等方面綜合選擇最適宜的鑄造方法。例如，砂型鑄造主要運用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大的零件，但制造過程復(fù)雜；壓力鑄造法主要運用于較小的零件，過程簡單，產(chǎn)品的成品率也相對較高，非常適合大批量生產(chǎn)汽車零件，所以鑄造鋁合金廣泛運用于汽車制造中。

3.2變形鋁合金的應(yīng)用

變形鋁合金是經(jīng)過熱加工變形后得到的，在汽車上主要用于制造汽車車身的主要構(gòu)架、制動器的保護罩、汽車防抱死制動系統(tǒng)的有關(guān)構(gòu)件、汽車門以及行李箱蓋、車身面板、汽車消聲罩、汽車座位發(fā)動機車蓋等結(jié)構(gòu)件。

3.3新型鋁合金在汽車上的應(yīng)用

新型鋁合金是鋁合金在特殊條件下，通過快速凝固（大約104～109℃/S的凝固速度）而生產(chǎn)出的。因為材料的快速凝固，材料內(nèi)部的組織就會引起一系列變化，產(chǎn)生出新的特征，如細晶強化現(xiàn)象、鋁合金的固溶度極限提高現(xiàn)象，以及成分的高度均勻、少偏析甚至無偏析現(xiàn)象，形成新的亞穩(wěn)相等。基于這些特征，汽車行業(yè)將快速凝固鋁合金應(yīng)用于汽車制造中。例如，有關(guān)汽車制造公司采用鋁合金制造汽車的空調(diào)壓縮機的轉(zhuǎn)子和葉片，使得轉(zhuǎn)子和葉片的重量減輕，進而促使整個空調(diào)壓縮機的重量減輕了40%左右，從而也減少了汽車的質(zhì)量，降低了燃油量。除此之外，還有很多新型鋁合金也廣泛應(yīng)用于其中，如泡沫鋁合金，這種材料的質(zhì)量更輕，強重比更高，并且具有較強的吸能特點和吸振特性。將泡沫鋁填充于兩個外板之間壓制成像三明治的板材，不僅能夠很好地提高板材的剛度，還能大大提高其保溫能力，在北方的冬天也就起到了很好的保暖作用。并且，這種材料還具有很好的吸能功能，因而其應(yīng)用在保險杠以及一些支柱零件上，大大提高了汽車的撞擊安全性能。

4鋁合金在汽車應(yīng)用中的發(fā)展前景與推測

4.1鋁合金在汽車應(yīng)用中的發(fā)展前景

美國的相關(guān)研究機構(gòu)曾對1992年、1996年、2000年汽車工業(yè)制造中金屬材料的使用情況做了相應(yīng)的調(diào)查與研究。其中，1996～2000年這四年間，鋁合金材料在汽車制造中的使用量猛增，并逐漸取代了鋼材料的使用量。由此可見，鋁合金材料在汽車應(yīng)用中將變得越來越重要，使用量也將與日俱增，它的發(fā)展前景一片光明。

在這個21世紀(jì)的全新時代，科技在進步，時代在發(fā)展，而能源卻在減少。能源減少問題的出現(xiàn)讓各大汽車制造廠家以“減輕汽車自重、降低耗油量”為產(chǎn)業(yè)競爭熱點。盡管在金屬材料界里，鎂合金的密度小于鋁合金的密度，但鎂合金并未像鋁合金一樣廣泛用于我們的生活中，因為鎂錠的成本偏高，且制造技術(shù)還有很多的不足。例如，金屬鎂合金還存在缺少高溫壓鑄合金及相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，表面的處理技術(shù)也不夠成熟，金屬的結(jié)合水平也相對較低等方面的問題與不足，所以目前鎂合金材料在汽車應(yīng)用中的使用量非常有限。鈦合金機械強度很高且廣泛應(yīng)用于航空航天中，但對于制造汽車來說成本太過昂貴，并不能為社會的廣泛生產(chǎn)所用，導(dǎo)致鈦合金無法大量應(yīng)用到汽車的制造與生產(chǎn)中去。在眾多的金屬里，鋁是地殼中含量最多的金屬元素，并且鋁的合金具有易加工性、機械性能良好、制造成本低、制造技術(shù)成熟，還具有可持續(xù)發(fā)展性，是當(dāng)今社會最為理想的金屬材料，毋庸置疑，鋁合金是現(xiàn)代及未來汽車工業(yè)中首選的輕金屬材料。眾所周知，世界各國都高度重視“環(huán)境保護”問題，而鋁合金是除鋼鐵以外回收利用率最高的金屬材料，它的這一特點剛好符合當(dāng)今社會所倡導(dǎo)的“節(jié)能減排，循環(huán)利用”的生活理念。鋁合金具有良好的物理和化學(xué)性能，促使它成金屬工業(yè)生產(chǎn)中的佼佼者。

4.2鋁合金在汽車應(yīng)用中的推測

在國外，已有人用鋁合金在汽車尾部制造葉輪，在發(fā)動機的帶動下葉輪就會高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的動力，加之配合主動車輪的快速轉(zhuǎn)動從而推動著整個汽車的行駛，其動力更足，速度更快，大大節(jié)約了人們的工作時間。鑒于鋁合金有著獨特、強大的性能，我相信它有著無窮的用處，我們可以用鋁合金做旋轉(zhuǎn)車門并將其做成機翼狀，上凸下平的流線型。當(dāng)在路上行駛時它就像普通車門一樣使用，要趕時間時我們就可以在汽車高速奔跑時將其車門旋轉(zhuǎn)到車頂，讓其兩邊車門同時成機翼狀展開，在汽車快速行駛時就會產(chǎn)生很強的氣壓，配合尾部的葉輪就可以讓汽車像飛機一樣在天空中飛行。因為鋁合金的輕質(zhì)與高強度，我們可以用薄板鋁合金將其焊接成密封的箱體并將其與車身相融合，那么箱體在水中就可以產(chǎn)生很強的浮力，我們的汽車就可以在水中行駛。倘若將以上功能加以合成，我們的汽車就可以在水、陸、空三者中使用，那么堵車現(xiàn)象就會大大減少。除此之外，對于愛好駕車旅游的朋友，我們可以幫他們解決住宿問題，而且還是很安全的住宿。因為我們可以運用鋁合金板對汽車頂部進行加固強化，并且可以在其板料中安裝相應(yīng)的鋁合金棒，加以運用相應(yīng)的自動化，到夜晚當(dāng)人們疲勞了要休息時，就可以按下一個按鍵，板料中的鋁合金棒就會自動支撐起，形成帳篷支架，只要在鋁合金棒上蓋上帳篷布就可以安心休息，這樣就不會再發(fā)生人睡在車中因窒息而死亡的事件了，也不用擔(dān)心大自然中的蟲、蛇、鼠等動物的威脅。由此可知，研究鋁合金在汽車中的應(yīng)用是很有意義的。

5結(jié)語

鋁合金在汽車中的運用不可估量，它將伴隨著科技的發(fā)展逐漸成熟起來，在汽車制造中獨領(lǐng)風(fēng)騷。鋁合金作為當(dāng)今新型材料的代表，不僅是一種最為理想的制造材料，還是一種科技的象征，它的出現(xiàn)讓我們的汽車產(chǎn)品擺脫了笨重難看的老式鋼材材料，讓落后老土的汽車從此變得新奇時尚美觀起來。鋁合金是可持續(xù)發(fā)展的制造材料，它是實現(xiàn)汽車“水、陸、空”三通的重要保障材料，是使汽車三通不再是概念設(shè)計的構(gòu)想，而是將汽車三通應(yīng)用于實際生活中的制造材料。