汽車輕量化用鋁合金材料及應用技術探析

王卓

摘 要：隨著汽車燃油價格的不斷提高，汽車輕量化已經成為有效降低汽車能耗、控制成本的關鍵舉措，這也是獲取更多汽車消費者的關鍵所在。為此，加大對汽車輕量化技術應用的研究，采用更多的新材料，在確保汽車安全性的同時推動汽車輕量化發展，實現降低能耗，推動汽車節能減排。

關鍵詞：汽車輕量化；鋁合金材料；應用技術

引言

鋁合金是地殼中含量最為豐富的綠色金屬，不但輕、比強度高，而且易于成形，吸能效果好，耐腐蝕，循環利用價值大，因此被當作汽車輕量化的理想材料之一。鋁合金最初是作為熱交換器部件材料在汽車上應用，繼而用于汽車輪轂、發動機汽缸活塞及缸體等部件。2012年以后，發達國家強化了行人保護法規，他們企業在汽車制造時覆蓋件大量采用鋁合金板材。2020年，北美汽車引擎蓋鋁化率接近75%，車門、行李箱蓋、頂棚的鋁化率超過25%。以奧迪、捷豹、F-150卡車、TESLA-S品牌的新能源汽車為代表的車身全鋁化推動了鋁合金板材在結構件上的應用。

1鋁合金特點

材料鋁的密度是鋼的1/3，質量更輕，具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高可回收性。其特點是以鎂為主，耐熱性能好，焊接性能好，疲勞強度好，不可熱處理強化，能冷加工提高強度；6系特點是以鎂和硅為主，Mg2Si為主要強化相，目前應用最廣泛的合金以6063、6061、6005A最多；5052鋁板為AL-Mg系合金鋁板，鎂是5052合金鋁板中主要的合金元素，是應用最廣的一種防銹鋁，這種合金的強度高，具有抗疲勞強度高，塑性與耐腐蝕性高，不能熱處理強化，在半冷作硬化時塑性尚好，冷作硬化時塑性低，耐腐蝕好，焊接性良好的特點，主要用于邊板皮、頂蓋皮及門板皮等部件；6063鋁合金是AL-Mg-Si系中具有中等強度的可熱處理強化合金，Mg和Si是主要合金元素，是一種可熱處理的強化鋁合金型材，主要用在立柱、邊板等結構件承載強度鋁板的基本特性。

2汽車輕量化中新材料應用途徑

第一，各汽車制造企業要加強合作，特別是要帶動產業鏈上下游進行合作，不斷加大技術創新，掌握核心技術。第二，國家要從政策上給予支持，以國家層面開展新材料技術研究，為研究新材料應用于汽車輕量化的汽車制造企業、科研機構等提供政策資金，加大財政投入，確保有更多的科研機構、高校投入到汽車新材料的研制工作中。第三，鼓勵汽車制造企業引進先進的技術，加大推廣，同時做好自身的研發，不斷地掌握核心技術，壯大自身的新材料研發能力。

3汽車輕量化用鋁合金材料及應用技術

3.1鋁合金汽車板的冷成形技術

成形極限圖（forminglimitdiagram，FLD）描述了板材在不同應變條件下達到頸縮或斷裂的極限應變，被用于評價板材的成形性能的優劣，并作為鋁合金汽車板沖壓數值模擬的失效判據。獲取FLD的方法有實驗測量和理論計算方法實驗測量方法包括缺口單向拉伸法、Marciniak法和Nakazima脹形法，其中Nakazima脹形法應用最廣泛，被國際標準ISO12004和國家標準GB/T15825.1—2008用；理論計算方法有Swift提出的擴散頸縮模型、Hill提出的局部頸縮模型、St?ren和Ｒice提出的分叉理論模型及Marciniak和Kuczynski提出的凹槽理論（M-K模型）等。迄今為止，M-K模型是FLD理論計算中應用最廣泛的方法。

3.2擠壓是鋁合金重要的成形方法

鋁合金擠壓成形是一種熱加工成形方法，并且整個生產過程鋁合金均處于三向壓應力狀態下成形。整個生產過程可描述成如下：a.把鋁及其他合金熔煉鑄造成所需要的鋁合金鑄棒；b.把預熱后的鑄棒放進擠壓設備內進行擠壓，鋁合金坯料在主缸擠壓作用下，通過模具的型腔成為所需的型材；c.為了提高鋁型材的力學性能，在擠壓過程或擠壓后進行固溶處理，隨后再進行時效處理，時效處理后的力學性能根據不同的材料及時效制度各異。

3.3鎂合金材料

在運用到汽車輕量化的材料中，鎂及其合金材料具有優勢，可以作為一種理想的材料全面應用。鎂合金材料的應用也伴隨一些問題，如它的性能與溫度成反比而且還存在腐蝕問題，因此要針對性地進行研究。鎂合金材料成形依靠良好的制造工藝，材料的成形既有傳統的鑄造加工成形也有增強其塑性成形的技術。當前，應用最多的鑄造技術是充氧壓鑄及真空壓鑄等，其中應用最為廣泛的是充氧壓鑄工藝。輪轂、方向盤可以通過真空壓鑄成形。鎂合金材料成形都是通過鑄造工藝完成的，這種成形方式不利于提高鎂合金性能，造成其應用范圍不廣。但是，通過塑性成形就可以避免這些問題的發生。

3.4碳纖維復合材料

碳纖維是一種具有高強度、高模量、無蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞及熱膨脹系數小的新型纖維材料，其含碳量在95%以上。碳纖維復合材料是指以碳纖維為增強相、以樹脂、金屬及陶瓷等為基體的復合材料的總稱。汽車用碳纖維復合材料主要為樹脂基碳纖維增強復合材料，與鋼鐵材料相比，能夠減輕40%～60%的質量；與鋁合金材料相比，能夠減輕25%～30%的質量，是汽車輕量化進程中不可或缺的重要材料，主要應用的零部件有車頂橫梁、引擎蓋、翼子板、保險杠、車頂蓋等。

結束語

今后，為推動鋁合金汽車板在新能源汽車上更大規模的應用，需要開展以下研究工作：①開展面向高成形性、高烤漆強度的基于“團簇”的成分設計的研究，滿足新能源汽車零部件結構更復雜、重量更輕的要求；②開展先進成形與連接、綠色表面處理等應用技術的研究，提升鋁合金汽車零部件的制造能力與環境保護水平；③開展內外板用鋁合金系列一體化的新材料研究，使鋁合金汽車零部件容易回收；④開展鋁制零部件的綠色同級回收技術、短流程制備技術的研究，實現新能源汽車綠色發展。

參考文獻：

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