淺談金屬材料在汽車輕量化中的應用與發展

任麗宏　徐英

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，環境污染與能源短缺問題愈發突出，對汽車工業未來的發展帶來了巨大挑戰。汽車工業要想實現可持續發展，首先需要解決的一大問題就是節能減排，而實現節能減排的關鍵就是汽車輕量化。汽車輕量化的實現途徑之一，就是使用輕質金屬材料，它不僅可以達到節能減排的目的，部分材料還可以提高車身的安全性與耐久性。基于此，本文主要探究了金屬材料在汽車輕量化中的應用與發展，以供大家參考。

關鍵詞：金屬材料 汽車輕量化 應用

Talking about the Application and Development of Metal Materials in Automobile Lightweight

Ren Lihong Xu Ying

Abstract：With the rapid development of social economy， the problems of environmental pollution and energy shortage have become more and more prominent， which has brought huge challenges to the future development of the automobile industry. If the automobile industry wants to achieve sustainable development， the first major problem that needs to be solved is energy conservation and emission reduction， and the key to achieving energy conservation and emission reduction is the lightweight of automobiles. One of the ways to achieve lightweight cars is to use lightweight metal materials， which can not only achieve the purpose of energy saving and emission reduction， but some materials can also improve the safety and durability of the body. Based on this， this article mainly explores the application and development of metal materials in automotive lightweight for reference.

Key words：metal materials， lightweight automobile， application

1 引言

近年來，隨著人們物質生活水平的提升，汽車已逐漸成為每個家庭都可以消費得起的一件商品，在此情況下，我國汽車保有量每年都在迅速增長，而隨之帶來的就是環境污染、能源短缺等問題。因此，如何制造出低排放、低成本、安全的汽車就成為了人們思考的重要問題，而在汽車生產制造中使用各種輕質金屬材料，如鋁合金、鎂合金以及鈦合金等，就可以有效解決這類問題，適應新時期人們對汽車的需要。

2 汽車輕量化的概念與意義

汽車輕量化指的是，汽車造價不發生變化的同時，不影響汽車原有的抗震性、安全性、舒適性以及抗撞性等條件的前提上，將汽車的重量進行最大化降低，以此提升汽車行駛的速度、減少燃料消耗與尾氣排放。在此過程中，需要遵循的基本原則是確保汽車的穩定性沒有受到影響的基礎上，可以通過節能化處理汽車的各類零部件，進而優化車型，實現汽車輕量化的目標，總之這就是一個降低重量、提高性能、優化結構及價格合理密切結合的系統工程，對整個汽車工業的持續發展有著深遠的意義。

相關實踐研究表明，汽車的油耗與自身的質量有著直接的關系，通常汽車質量越大，則油耗也會越大，所以通過對汽車進行輕量化處理，可以實現節能減排的目標。從具體的數據中可以看出，當汽車的質量降低1kg的時候，就可以讓1L汽油多驅動汽車行駛0.011km，同時也會減少二氧化碳的排放。另外，汽車輕量化對提升汽車的性能也具有重要意義，根據相關研究表明，汽車質量降低百分之二十五的時候，汽車的加速到96.56km/h的時間將縮短四秒，從原本的十秒降低到六秒，并且能大大減輕汽車動力與動力傳動系統的負荷，使汽車表現出更好的行駛性能。

3 金屬材料在汽車輕量化中的應用

汽車輕量化的實現，需要從設計、工藝及材料等多個方面進行著手，其中材料的輕量化是十分關鍵的。關于汽車輕量化的材料，主要可以分成兩大類，即高強度材料與低密度輕質材料，其中高強度材料主要是指高強度鋼，而低密度輕質材料主要包括鈦、鎂、鋁以及復合材料等。在輕質材料中還有聚合物類的塑料制品，但這種材料會帶來環境污染問題，所以在使用中會有限制。為此，目前在汽車輕量化中應用最多的就是鈦、鎂、鋁等低密度的輕質金屬材料，實際的應用中會將這些材料形成合金，這樣既能保證汽車輕量化的同時，讓汽車的安全性、舒適性不會受到影響，以下重點介紹了這些材料的應用。

3.1 鋁及鋁合金

鋁在諸多輕量化的材料中，屬于比較早被應用于汽車輕量化中的，經過不斷地發展，如今的生產與處理工藝都十分成熟。鋁與鋁合金的特點包括彈性好、密度小、比強度和比剛度高等，并且耐腐蝕與耐磨性能良好，加工成型和表面著色容易，所以也能進行回收再利用，正是因為這些特點，使得它在汽車制造領域得到了十分廣泛的應用。不過，與鋼相比鋁及鋁合金在力學性能、承載能力等方面還存在比較顯著的差距，這也是制約鋁及鋁合金在汽車制作中應用的一大因素，此外由于生產技術局限、工藝負責的因素帶來的過高成本，也限制了鋁及鋁合金的應用[1]。

目前，鋁及鋁合金在汽車制造中的應用，主要是在車輪、動力系與懸架系的零部件中，如在汽車底盤中的應用，有變速器殼體、離合器殼體以及轉動器殼體等。目前，在乘用車上鋁合金輪轂的應用十分廣泛，已經逐漸替代了鍛鋼與鑄鋼，其原因是在相同使用條件下，鋁合金輪轂的自身重量更輕，并且它的散熱性能更好，可以減少由于輪胎溫度過高而引起的爆胎危害。除此之外，由于其導熱性好，質量輕的優點，也被應用于發動機的零部件制造中，對實現發動機輕量化意義重大，相信未來它的應用范圍將會進一步擴大，預計未來汽車的鋁化界限能達到百分之三十到五十左右。

由于汽車輕量化中鋁及鋁合金是一種十分重要的金屬材料，所以對新的鋁合金材料及其加工技術，人們進行了一系列研究，如“鋁合金半固態成形技術”就是現階段較為先進的一種鋁合金加工技術，其生產出來的鋁合金汽車零件組織致密、性能優良，在汽車制造中有著重要的應用。

3.2 鎂及鎂合金

鎂及鎂合金是一種很有開發潛力的輕質結構材料，其特點主要有質量輕、密度低等，相較于鋁合金而言，鎂合金更輕，屬于最輕的一種金屬材料。同時，它也有良好的比強度，比鋁合金與鋼還高，并在比剛度方面與這兩種材料并沒有多少差異。另外，在阻尼系數與消震性方面，其性能也十分優異，與鋁合金相比有著更好的承受沖擊荷載的能力，所以這種材料可以被用于汽車殼體制造降低噪聲，將其用于輪圈則可以減少震動，可見對提高汽車的舒適性與安全性方面，鎂及鎂合金具有明顯優勢[2]。

在工藝性能、導熱性等方面，鎂合金的表現都非常優異，其鑄造性能與尺寸穩定性都比較高，所以加工相對簡單與方便，并且廢品率較低。當然，它并不是完美的，主要的缺陷在于抗蠕變能力與高溫疲勞性方面，所以鎂合金的廣泛應用需要解決好這方面的問題，也是日后重點研究的課題。在汽車制造中，目前鎂及鎂合金的應用主要還是在壓鑄件方面，它可以到鑄鐵、鋁合金與鋼制沖壓焊裝組合件等，支架類與殼體類是目前鎂及鎂合金在汽車零部件中主要應用的兩個領域，其中支架類包括了剎車支架、方向盤以及車鏡支架等，殼體類則包括空調機外科、離合器殼體等。

3.3 鈦和鈦合金

鈦及鈦合金的綜合性能是十分優異，對汽車實現高性能化起著重要的作用。其密度比較小，并且在韌性、強度、抗蝕性等方面有著非常良好的性能，即使在微氧化氣氛和氯離子侵蝕的海洋大氣環境中，抗蝕性也比較好。工作溫度區間比較寬，與鋁合金和鎂相比，耐熱性要明顯高于它們;同時具有良好的焊接性能與加工性能。

50年代，鈦及鈦合金就已經進入到汽車制造領域中，但由于價格等因素，發展十分緩慢。鈦金屬具有較高的熔點以及十分活潑的化學性質，與H，O，C和N等元素都有著很強的親和力，所以提取純鈦的難度比較大[3]。不過，隨著科學技術的不斷發展，這一問題也將得到有效解決，鈦及鈦合金在汽車制造領域中的應用也會高度重視，尤其是作為結構功能性材料的使用，是一種比較理想的選擇。

3.4 高強度鋼

高強度鋼主要是屈服強度超過1370MPa，抗拉強度在1620MPa以上的合金鋼，它的主要合金元素有硅、錳、鉻以及鉬等，由于這種材料的抗拉強度與屈服強度都比較高，所以在汽車制造中主要被應用于汽車車身，不僅可以降低車身的質量，還可以提高汽車碰撞安全性。

鋼材是汽車白車身的主要構成材料，而在減薄車身用板厚度與降低重量的過程中，就可以合理運用高強度鋼板的方式來實現，根據相關研究表明，與普通鋼板車身相比，高強度鋼板車身的質量可以減少百分之十五到百分之二十左右，板材厚度可減少1.0-2.0mm，所以這種金屬材料對于減輕車身質量與提高車身強度有著重要作用。為了可以保證汽車的安全性呢，通常要求其結構梁類零件受到碰撞沖擊的話，變形量需要在比較小的范圍內，而高強度鋼因為具有良好的抗拉強度，在車架、車身與橫縱梁等關鍵部位的制造中得到了應用，如車頂加強梁、地板通道等，有效提升了汽車的安全性能。

現階段，一些轎車車型中使用高強度鋼的比例已經達到了百分之四十五左右，超過了普通鋼材的用量，而之所以可以得到如此大量的應用，主要是由于兩個方面的原因：一是，與普通鋼材相比，它的抗疲勞強度、剛度和強度等綜合力學性能表現非常優異，具有較高的安全性;二是，高強度鋼與鎂合金、鈦合金相比，原材料價格低，可以降低汽車生產成本[4]。所以，在汽車制造中應用高強度鋼不僅可以達到減輕車身質量，降低油耗的效果，還能在滿足安全性能的基礎上，降低使用與制造成本，在節能減排方面具有突出作用。

4 結束語

綜上所述，隨著汽車工業的飛速發展，汽車的數量與日俱增，但在帶給人們便利的同時，對環境產生了較為嚴重的污染，同時在安全、能源等方面造成了不利影響。因此，未來汽車工業發展的主要方向應該是以降噪、節能減排與提高安全保障為目標，而實現汽車輕量化是達成這些目標的重要途徑，在此過程中則需要在汽車制造中有效地應用鋁、鎂、鈦與高強度鋼等輕質金屬材料，最大化發揮它們的性能與特點，從而促進汽車輕量化的良好發展。

參考文獻：

[1]祝明明，張慶帥，石旭. 金屬材料在汽車輕量化中的應用與發展[J]. 南方農機，2017，48（005）：139-139.

[2]鄭傳寶， 李廣征. 談金屬材料在汽車輕量化中的應用與發展[J]. 工業C，2016，000（001）：P.264-265.

[3]盧振生，呂關想，史愛平，等. 淺談金屬材料在汽車輕量化中的應用[J]. 時代汽車，2020，No.331（07）：49-50.

[4]白彩盛，趙立杰. 金屬材料在汽車輕量化中的應用探討[J]. 世界有色金屬，2019，No.529（13）：306+308.