汽车轻量化及镁铝合金在汽车上的应用

孙瑞霞 杨硕

摘 要：汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义。镁铝合金的材料特点及性能优势使其成为当今汽车轻量化的首选材料。本文主要阐述镁铝合金在汽车上的应用现状及生产现状，先进的制造工艺。

关键词：汽车轻量化；镁合金；铝合金；现代汽车

1前言

随着社会发展以及人们对高品质生活的追求，汽车已经成为了现代化物流以及提高生活质量的重要工具。而随着汽车工业的发展，汽车产量和保有量也在逐年增加。自2000年以来，中国汽车工业迅速发展，汽车的产量迅速增加。2009年，中国汽车产销量已达1364万辆，产销量均跃居世界第一。工信部发布的2014年全年汽车工经济运行情况数据显示，去年我国累计生产汽车2372.29万辆，同比增长7.3%，销售汽车2349.19万辆，同比增长6.9%，产销量保持世界第一。2014年年末全国民15447万辆（包括三轮汽车和低速货车972万辆），比上年末增长12.4%，其中私人汽车保有量12584万辆，增长15.5%。虽然汽车给人们出行带来了方便，但是同时带来了油耗、安全和环保这3个大问题[1]。从可持续发展的要求出发，汽车轻量化技术的研究已经成为未来汽车发展的必然趋势[2]。

2 汽车轻量化材料的应用

2.1铝合金在汽车上应用

随着铝合金在汽车上的使用量不断增加，一位美国的资深汽车工程师David Scholes对车用铝合金的发展曾预言：未来铝合金可能应用到汽车上的每一个零件，并且质量完全可能轻过塑料[3][4]。目前，车身有很大一部分部件都使用铝材如发动机、热交换器、车轮以及车身等，铝合金以其自身的特点使零部件达到很好的重效果。

铝合金钢铁相比，具有质量轻、耐腐蚀性好、易于加工等特点，是应用在汽车上相当成熟的材料。目前的汽车铝合金主要是铸铝、锻铝、铝板。材料和铝型材。快速凝固铝合金粉末冶金铝合金，新材料的开发，如超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材料铝合金在汽车中的应用和发展前景将进一步扩大。在目前的汽车铝合金中，铸造铝占最重要的部分，约占铝合金汽车80%。主要用于汽车各部分发动机零件、壳体类零件和底盘上的其他零件。

铝是地壳中分布最广而且是储存最多的金属之一。它有着很多的优良特性。它轻便，还有着很高比高刚度和比强度，是汽车实现轻量化必要的金属材料。铝价钱比较低，获取比较容易。可通过家里加工成各种型材和零件。其主要用于制造汽车的车身面板，散热系统及结构件和装饰件。车身板件用铝合金，可以减少车身重量增加车身抗撞击能力，对驾驶员有良好的保护性能。

2.2镁合金在汽车上的应用

镁合金在汽车的应用的发展很迅速，镁合金具有密度小，比强度高，抗冲击性能好，耐腐蚀，良好的加工性能，成为汽车轻量化最理想的材料，全球的汽车行业越来越注重汽车的轻量化，镁、铝等合金的应用成为各汽车制造厂的首要目标。镁是目前工业应用材料中最轻的一种金属，镁合金具有很高的比强度和比刚度，镁资源丰富。镁合金被公认为当今最有发展前景的汽车轻量化材料。1936年，大众公司生产的“甲壳虫”汽车，它的曲轴箱、传动箱壳体采用了镁合金。1982年，随着镁合金防腐蚀性能的提高和价格的降低，福特汽车公司再次将镁合金用于离合器、变速箱、转向性、制动系等零件上。

3汽车轻量化技术

3.1汽车轻量化技术概况

汽车轻量化技术可分为：结构设计、轻量化材料和制造工艺。其中，结构优化设计方面包括：尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化；轻质材料的应用包括：高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料；先进的制造工艺包括：液压成型和激光焊接。

对比汽车质量的下降相比，汽车轻量化技术在不断的发展，表现在以下几个方面：

（1）轻质性材料的使用正在增加。铝合金，镁合金，钛合金，高强度钢，塑料，粉末冶金，生态性复合材料和陶瓷的应用也越来越多。

（2）零件的优化不断完善，如采用前轮驱动，高刚性结构和超轻悬挂结构实现轻量化目的。还开发了计算机辅助集成技术和结构分析技术。

（3）汽车的照明使得汽车制造业在成形方法和连接技术上不断创新。

3.2液压成型

液压成型技术是典型的轻量化技术。相对于传统的冲压焊接工艺，液压成型可以减少12%的成本，15%的设备成本。目前采用计算机为主要的技术手段，建立液压成形液的数学模型为中心，采用人机相互结合，进行汽车板料液压成形的工艺技术的设计、计算、制造减压、生产的过程，已经连成一个有机的整体，使汽车板料的液压成形的工艺技术进入到推广和综合应用的新阶段。

目前使用的液压成形汽车零件主要包括：

（1）悬挂系统零件：如前后副车架、发动机支架，前后桥，驱动桥壳，保险杠，梯形臂，牵引杆，控制臂，水平安定杆、从动连杆、转向柱等。

（2）身体结构部分：如屋顶横梁，车顶纵梁，纵梁，挡风玻璃支架，后纵梁，门槛梁，在梁的后面。

（3）发动机系统部件：如进气歧管、排气歧管。轴、曲轴、三元催化转换器，等等。

（4）支架，框架部件：如仪表板支架，散热器支架，座椅框架等。

3.3热处理强化

镁铝合金在铸态下的力学性能不能满足使用要求，通过人处理的方法可以提高零件的力学性能和应用性能。热处理强化分为以下方面：

（1）加强铸件的力学性能，提高其可塑性。

（2）减少由于铸件不均匀、冷却过快所产生的内应力。

（3）稳定铸件尺寸和性能，防止高温的影响发生相变产生体积膨胀现象。

热处理能改善镁铝合金的力学性能，主要方法是淬火。铝合金以获得时效强化的前提条件是其中一个或多个元素的固溶度随温度降低。

3.4优化结构设计

随着计算力学和计算机硬件的发展，美国通用汽车公司等汽车公司探讨了将有限元法应用于汽车设计的可行性。自2000年以来，CAI在汽车零部件和车辆结构设计中得到了广泛的应用。基于CAE分析的汽车结构优化设计已被应用并逐步发展成为汽车轻量级的首选。

3.5制造工艺

汽车的环保、能源、安全是汽车发展的三大课题。现代化的汽车正在向轻量化、高速、安全、低成本及低排放与节能的方向发展。镁铝合金的加工材料具有密度小、比强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、良好的加工成型性，成为实现轻量化最理想的材料。

4 结语

随着轻量化材料技術，包括生产工艺、装配、连接、材料性能的不断发展和成熟。未来汽车的轻量化必然成为各国科技发展的一大目标。基于我国国情，汽车轻量化有很大的发展的前途。但是也存在不足之处，比如轻量化技术不纯熟，不能达到行业日益增长的发展需要，而且镁铝合金的知道技术还不够完善，不能完全发挥其效用。应该加强这方面技术的质量，以满足发展需要。

[参考文献]

[1]刘静安.大力发展铝合金零部件产业促进汽车工业的现代化进程 [J].铝加工，2005，（ 3） ： 8 -17

[2]陈一龙.汽车轻量化技术发展状况及展望 [J].汽车工艺与材料，2012，（ 1） ： 1-4.

[3]Binghan Lora J A.Materials odyssey [J].Automotive Industries，2000，（ 10） ： 83 - 89.

[4]范子杰，桂进良，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展.汽车安全与节能学报，2014 年， 第 5 卷第 1 期.

（作者单位：黄河交通学院，河南 焦作 454950）