现代汽车主要零部件铝化趋势

为了大幅度减轻车重，人们正急于研究对占车重比例大的车身（约30%）、发动机（约18%）、传动系（15%）、行走系（约16%）、车轮（约5%）等钢铁零件改用铝材。

　　1　车身板件的铝材化及铝合金

　　最近出现了从发动机罩、翼子板等部分车身铝外板发展为全部采用铝外板的汽车，获得了减轻车重40%?50%（相对钢板而言）的效果。

　　用于车身板的铝合金主要有Al-Cu-Mg系（2xxx系）、Al-Mg系（5xxx系）、Al-Mg-Si系（6xxx系）和Al-Mg-Zn-Cu系（7xxx系）。其中2xxx系列和6xxx系列、7xxx系列是热处理可强化的，而5xxx系是热处理不可强化合金。前者通过涂装烘干（170-200℃/20-30min）工序后强度得到提高，所以用于外板等要求强度、刚性的部位，后者成形性优良，用于内板等形状复杂的部位。美国1970年代研制了6009和6010汽车车身板铝合金，通过T4处理后强度分别比5182-Ｏ和2036－T4的低，但塑性较好，成形后喷漆烘烤过程中可实现人工时效，获得更高的强度。这两种合金既可单独用来做内外层壁板，也可用6009合金制造内层壁板，而用6010合金制造外层壁板。两个合金的废料不需分离可以混合回收后自身使用，或做铸件的原料。

　　正在开发的低密度、高强度、高弹性模量和超塑性优良的Al-Li合金，以及基于低噪音的需要并有助于轻量化而开发的铝防振板等,也有望用作车身壁板。

　　2　铝空间框架结构车体及铝材

　　目前，世界各国都在积极推进车身、车体主要部位的铝材化，采用铝材制造有特性的汽车．近年来提出的铝概念车（如图2所示），在车体结构上大多数采取无骨架式结构和空间框架式结构，适用的材料有板材、挤压型材、钎焊蜂巢状夹层材料等。从设计的自由度（特性化）、成本、轻型化、安全性等方面考虑，制造小批量、多品种的汽车时，以铝挤压型材为主体的空间框架结构大有发展前途。这种铝空间框架结构特点如表10所示。

　　在空间框架中一般用现有的中国铝材便可满足要求，板材一般用5052、5251、5182和6009等耐蚀性优良、加工性能良好的合金．挤压型材主要的采用6005、6061、6063、7003、7005合金空心材。关键的问题是薄壁化、强度适当、与其它材料易组合，接合部断面形状设计合理等。蜂巢状夹层板有可能在不久的将来得到广泛应用，这种板是由涂有硬钎焊料的薄板作为蜂巢状夹层结构的芯材及面板组成，除重量轻、刚性高外，高温强度、耐热性、耐蚀性等也很好，而且可以进行焊接、表面处理和弯曲加工。

　　3　热交换器的铝材化

　　从铝的特性看，热交换器是最适于用铝制造的部件。铝散热器的重量比铜的下降37%-45%，铜材价格约9万元／t，铝材3.5万元／t。而两者的加工费几乎相当。因此，日本和美国的汽车空调器几乎完全采用铝材。散热器的铝化率，欧洲达到90%-100%，美国达到80%-90%，日本达到70%-80%。我国也开始使用铝制散热器。铝制内冷却器、油冷却器、加热器心部等也在迅速普及。

　　根据轻量化、小型化、提高散热性、保证防蚀等需要，热交换器在结构上积极进行改进，从带有波纹的蛇型改为薄壁并流型、德朗杯型、单箱型等。在材料方面也在积极进行改进，例如为改善因薄壁化导致的强度降低，采用Al-Cu-Mn-Cr-Zr系合金和Al-Mn-Si-Fe系合金；根据牺牲阳极保护作用改进化学成分来进一步提高耐蚀性；开发了多层复合材料（Al-Mn涂层结构）；用钎焊方法进行成分调整等达到防蚀目的。这些改进技术已达到实用阶段。

　　4　行走系统部件的铝化

　　(1)铝合金车轮

　　近年来，铝车轮的尺寸有大型化的倾向，直径从355.60毫米向381-531.80毫米发展。此外，从防滑、制动装置的安装普及率等来看，为了减少非悬挂重量，正在加速安装铝合金车轮，目前国外汽车的安装率达90%以上，我国的比率尚未达到70%。（特别是重型汽车运用甚少）。

　　现在车轮主要采用重力铸造、低压铸造。但是，为了实现轻量化，将来要向薄型化、刚性优良的压力铸造、挤压铸造法转移。另一方面，为了进一步减轻重量，用铝板冲压加工、旋压加工做成整体车轮和两部分组合车轮，已在实际生产中采用。这种用6061T6合金制成的车轮比钢板冲压车轮重量减轻50%，旋压加工所需时间不到90秒／个，不需要组装作业，适用大批量生产。对这种车轮进行评价的结果表明，它具有和轧材同样的强度，和铸件同样的经济性。重型车的铝车轮一般用模锻法制造。

　　(2)悬挂系零件的铝材化

　　减轻悬挂系重量时，要兼顾行驶性、乘座舒适性等，其相应部件的轻量化、铝材化应和其机构的改进同时进行。例如，下臂、上臂、横梁、转向节类零件。还有盘式抽动器卡爪等已用铝锻件（6061）、铝挤压铸造件（AC4C、AC4CH）等，重量比钢件轻40%?50%；动力传动框架，发动机安装托架等已用板材（6061）使其轻量化；对保险杠、套管等，已用薄壁、刚性高的双、三层空心挤压型材（7021、7003、7029和7129）；传动系中传动轴、半轴、差速器箱在采用铝材使轻量化和减少振动上，取得了很大进展，今后有进一步发展的倾向。

　　5　发动机部件的铝化

　　(1)铝合金发动机零件

　　占发动机重量25%的气缸体正在加速铝材化，据本田公司报道，用新压铸法（低压、中压铸造）成功地实现了100%铝化，减少壁厚10毫米，相当于减轻重量1-1.5kg。

　　过去已进行活塞、连杆、摇臂等发动机主要零件的铝材化工作，为了提高性能正在进行急冷凝固粉末合金、复合材料等的开发及实用化，此外还在开发耐热强度高的Ti-35%Al合金，用来制造进、排气阀和连杆等。

　　例如，日本某汽车厂的2.0L级汽车，每台发动机用铝量约26kg（发动机铝材率约17%），气缸体铝材化后，铝的使用量增加0.8倍，可减轻发动机重量20%左右。

　　(2)急冷凝固铝粉末合金（P/M）发动机零件

　　已开发出耐磨合金Al-20%?25%Si系、耐热耐磨合金Al-20%?25%Si-（Fe,Ni）系、耐热合金Al-7%?10Fe系。前两者线膨胀系数为(16～17)×10-6/℃，后两者杨氏模量为（9200-10600）×9.8兆帕，显示出原熔炼铝合金（I/M）所不具备的特性。正在用它们制造活塞、连杆、气缸套、气门挺杆等发动机零件和汽车空调设备的压缩机叶片、转子等。

　　(3)铝基复合材料(MMC)发动机零件

　　若用陶瓷纤维、晶须、微粒等增强铝合金，则比强度，比弹性模量、耐热性、耐磨性等可大幅度提高。例如SiC晶须强化的铝复合材料（基体为6061合金），随着强化体积百分率增加，若干特性均有提高．当Vf=30%时，强度为50×9.8兆帕，弹性模量为12000×9.8兆帕，是6061合金的1.6倍左右，高温强度、疲劳强度也得到提高；Vf=20%时，线膨胀系数约降低65%。柴油发动机用铝合金活塞头的顶角部分已采用复合材料，正在研究和试用的Al-不锈钢连杆、Al-石墨活塞等都将很快在工业生产上应用。