汽车用铝合金
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1 2011,Vo.l39,l2
收稿日期:2010-05-18 第一作者简介:王祝堂(1930-),男,湖南双峰人,教授。汽车用铝合金
王祝堂1,张新华2
(11中国有色金属加工工业协会,北京100814;21东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060)
摘要:铝是制造汽车的重要材料,也是汽车轻量化的首选材料。系统介绍汽车用铝合金的牌号、化学成分及其典型的力学性能。在汽车上应用的铝合金主要为铸造铝合金,约占总用铝量的80%,而其中的65%左右以压铸件的形式使用。铝在轿车中应用的减重效果:每轻量化1%可降低油耗016%~110%。关键词:汽车工业;铝合金;轻量化;轿车;专用车中图分类号:TG146121 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2011)02-0001-14
Aluminumalloyforautomobileusage
WANGZhu-tang1,ZHANGXin-hua2
(11ChinaNonferrousMetalFabricationAssociation,Beijing100814,China;21NortheastLightAlloyCo.,Ltd.,Harbin150060,China)
Abstract:Aluminumisanimportantmaterialandthefirstchoiceofautomobilemanufac-
turingforitslightweigh.tThebrand,chemicalcompositionandmechanicalpropertiesofthe
aluminumalloyusedforautomobileindustryhavebeenintroducedsystematically.Thealum-i
numalloytobeusedmainlyforautomobilearecastingswhichtakes80%ofthewholealum-i
nummaterialeandabout65%ofthecastingsarediecastings.Astheresultofusingalum-i
num,thefuelconsumptionisreduced,1%lighterofacar0.6%to1%offuelconsumption
willbereduced.
Keywords:automobileindustry;aluminumanditsalloy;lightening;specia-lpurposeve-
hicle
铝材(板、带、管、棒、型、线、锻件、粉)及压铸件、
铸件在汽车上都有应用,铝粉用于制作铝漆。铝在
汽车上的应用源于19世纪末,1896年印度最先用铝
制造曲轴箱。以后美国用铝制油箱发动机零部件、
传动装置、壳体等零件,20世纪20年代用铝板做汽
车结构件,1925年开始用铝材做散热器。后来,由于
钢材深冲性能的提高与深冲工艺的改善,汽车用铝
量停滞不前。1968年~1973年汽车的平均用铝量
21kg/辆,1974年用量增加到38kg/辆。2008年美
国汽车工业的用铝量占全部铝消费量25%以上。1984年型的小汽车平均每辆用铝量62114kg,1990年用铝量90172kg,2003年用铝量115kg,2009年上
升到用铝量145kg。
由于真空钎焊技术的发展,1986年美国生产的
汽车几乎有一半装上铝散热器,2009年汽车散热器
的铝化率达90%,因为铝的价格比铜的低,而铝散热
器质量又比铜的轻50%左右。
近些年来,美国、德国、日本等相继推出了全铝
轿车,如奥迪A8以及2010年4月在北京国际车展
上全球首次展出其旗舰全铝轿车A8LQuattro,车身2 2011,Vo.l39,l2
继续采用ASF空间框架结构,比同尺寸钢车身的质
量轻40%,刚性则进一步提升。该车配备了顶级W12发动机,经过全新设计,不仅排量从原来的6L
升到613L,更重要的是首次在12缸机型上采用了
FSI燃油直喷技术,在提升动力的同时降低了油耗。
该发动机的最大输出功率368kW,最大扭矩625kN#m,百公里加速仅需419s,动力性能全面超
越上一代车型的,平均油耗1210L/(100km),降低
了12%。当前,汽车工业的发展面临三次挑战:节约能
源,保护环境与提高安全性、乘坐舒适性、美观性。
这些性能的改善除在设计方面加以改进外,最主要的就是采用新材料减轻汽车的自身质量。实践证
明,在这方面铝是最具潜力的,也就是说它的综合性能或者说它的性价比优于镁合金、钛合金、钢及复合
材料等的。铝合金有明显的减重效果、节能减排效
果,提高车的平衡性、乘坐舒适性。
1 汽车用铝合金
铸造铝合金及变形铝合金都在汽车中获得了应
用,但以前者为主。除标准的铝合金外,一些铝业公司与汽车制造者还研发了一批有某些特殊性能的非
标准铝合金。在汽车制造中获得应用的变形铝合金
如表1所列。
表1 在汽车制造中获得应用的变形铝合金牌号用 途 牌号用 途
1100车内装潢件、铭牌、镶饰件5657装潢
1200挤压冷凝管和热传输翅片5754内壳板、挡泥板、隔热屏蔽、空气清洁器盘和罩、结构和焊接零件、承载地板2008内外覆盖件(壳板)、结构件6591热交换器、散热器(radiator)
2010内外覆盖件、结构件6009车身钣金件(横托架、前翼板、滑动翼板、外翼板)、天窗内板、发动机盖内外板、内门板、栅栏内板、前闸板(frontflashboard)、承载地板、座架、减震器加强筋、结构和焊接零件2011螺钉6010壁板、天窗板、门内板、栅栏内板、备用轮架、轮毂、座架和轨道
2017紧固件6111车身钣金件、壁板等
2117紧固件6005A车身零部件
2024紧固件6022内外壳板
2036内外覆盖件、承载地板、座位架6051热交换器3002装潢件、铭牌、镶饰件6016车身钣金件
3003钎焊热交换器管、加热器和蒸发器翅片、加热器内外管、油冷却器及空调管等6063挤压结构材料(传动系统零件、连接件、发动机零件等)、门框、窗框、附件等3004外用覆盖板和部件6463挤压结构材料(传动系统零件、连接件等)、门框、窗框等
3005钎焊散热器管、加热器和边部支撑、蒸发器零件6053紧固件
4002复合钎焊板6061车身挤压材、托架挤压材和板、悬架锻件、驱动轴管、冲挤的与锻造的驱动轴轭、备用轮架、减震器加强筋、紧固件、制动缸(挤压材)、轮毂、油料输送系统、保险杠、热交换器
4032锻造活塞6151结构零件(如传动系统、发动机系统、连接件等)、轮辐、各种支架
4044复合钎焊板6262结构零件,如传动系统、发动机系统零件与连接件等
4104复合钎焊板6082一般结构,制动箱零件4043焊接线、复合钎焊板6262结构零件,制动箱零件、制动活塞、阳极氧化的一般螺钉
5005装潢、铭牌、镶饰6181A车身板
5052覆盖件和零件、卡车减震器7003座位轨道、减震器加强筋
5252装潢7021减震器用平面规则多边形棒材、托架板、减震器用平面规则多边形光亮棒、减震器用平面规则多边形阳极氧化棒、减震器加强筋
5182内壳板、挡泥板、隔热屏蔽、空气清洁器盘和罩、结构和焊接零件、承载地板7029光亮的或阳极氧化的减震器用平面规则多边形棒
5454各种零件、车轮、发动机辅助托架和发动机座、特种车(自卸车、油罐车、拖车油罐)焊接结构件7072冷凝器和散热器翅片
5457装潢7129减震器用平面规则多边形棒、减震器加强筋、挤压头枕棒、座位轨道挤压材、空气袋充气机零件3 2011,Vo.l39,l2
铝合金铸件可用各种铸造工艺特别是压铸法生
产,它们的成分范围宽,使用的工程性能差异大。特殊铸造铝合金的选择取决于铸造工艺(砂型、金属
型、压铸、精密铸造)和产品设计、产品要求的性能及
相关因素。在汽车制造中获得应用的铸造铝合
金有:A38010用于制造托架罩、发动机零件、转向器;
38310用于制造气缸体、传动箱及部件、燃料测
量仪;31910用于制造歧管、气缸盖、缸体、发动机零
件;
35610用于制造汽缸盖、歧管;
A35610用于制造车轮毂;B39010用于制造耐磨性强的内啮合齿轮和内
传动零部件。
2 铝合金与汽车轻量化[1]
轻量化是当代汽车发展的必然趋势与一个重要
课题,反过来汽车轻量化对其技术的发展也起了重要作用。
211 轻量化的基本要求与效果
在保证汽车品质和功能不受影响的前提下,最大限度地减轻零部件的质量,以达到节能减排目标;
在使汽车满足节能减排要求的同时,努力谋求它的
高输出功率、高响应性、低噪声、低震动、良好的操纵
性,高可靠性和舒适性等;价格应有所下降或保持在合理的水平,具有强的商业竞争力。
轻量化的效果:汽车轻量化使车的滚动阻力、加
速阻力、爬坡阻力减小,它们都会使油耗降低,同时如果驶动性能不变,通过恰当的齿轮传动比也可以
使油耗降低,轿车每轻量化1%可降低油耗016%~
110%;汽车轻量化有利于改善车的行驶、转向、加
速、制动等运动性能和排气性能等,其中发动机的轻量化还可以改善前轮荷重分担率,进而改善汽车的
操纵稳定性,还可以降低噪声、振动,为实现大功率
化创造条件;另一效果是波及效果,汽车各部分的质量是相互关联的,例如发动机质量的减轻使有关底
盘部分也可以相应地减轻,即整车减少的质量大于
发动机减少质量,又如车身零部件的轻量化使支承
它的行驶系(车架、车桥、车轮、悬架等)负荷下降;尺寸和质量即可适当减小,同时发动机和制动器也可
以相地减小、减轻,通常,当平衡系统中某个部位质
量减轻1kg,给予整个系统的波及效果是质量减轻
115kg~210kg。212 铝材的性能优势
铝是当今人类使用的第二大金属材料,在交通运输领域的用量已占其总消费量的28%以上,而且
大部分用于制造汽车。在汽车制造业铝材的广泛应
用是近30年来出现的事,从20世纪70年代起轿车
技术上最明显的变化之一是大量启用了轻型材料,出现了越来越多的铝制零部件,主要集中在车身、发
动机、保险杠、空调器、车轮毂、装饰件、车座等方面。
发动机零部件用铝制造的减重效果最为明显,通常可减轻30%以上。自1999年以来,铝在汽车中
的用量已成倍增长,制造赛车和轻型货车的用量增
长3倍多。以铝代钢与铸铁、铜等,可使汽车的自重
下降20%以上,节约燃料12%~16%;汽车上的铝制零部件几乎可全部回收,重新加工后一次又一次
使用,既节约资源与能源又减少温室气体排放,对建
设循环经济、低碳社会与生活十分有益;有些铝合金的物理性能与车用钢材的相等,具有相当的强度与
刚度,其成本日趋下降。因此,按照目前的技术实现
汽车轻量化,最有效的途径就是采用铝材代替钢材,
当然也可以用一部分镁合金,但加工镁材的成形性能不如铝材的,镁的抗蚀性与防火性能也与铝的相
差甚远,镁材的价格也比铝材的高。 目前,全铝车身还仅限于高档轿车和赛车,但随
着时间的推移,技术的提高,制造成本的不断下降,
节能减排呼声的日益加强,将会有更多型号的轿车
车身和零部件采用铝材。到21世纪中叶,铝将成为
制造汽车的主要材料,比铸铁的用量多,甚至与钢材的用量相当,届时轿车的平均质量将比2008型的减
重65%左右。
铝合金代替铸铁与钢材零件的质量对比见表2,
汽车惯性质量与油耗及NOx排放量的关系分别见图1和图2。
