汽車輕量化鋁合金研究進(jìn)展

　　從高速、舒適、美觀、耐用、輕量化、節(jié)能、保護(hù)環(huán)境、降低綜合成本等綜合性能方面來(lái)看，鋁合金無(wú)疑是汽車工業(yè)現(xiàn)代化和輕量化的首選材料，世界許多國(guó)家都在致力于汽車用鋁合金的研究。汽車自重每降低100kg，油耗就可以減少0.7L/km。因此，以鋁合金代替鋼鐵材料，最大限度地減輕汽車的自重也就成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1]汽車用鋁合金主要分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、輪轂、制動(dòng)器零件等。形變鋁合金在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器零件等[2]從第一輛全鋁車身奧迪A8問(wèn)世，到捷豹的JaguarXJ，再到2012款新路虎極光攬勝發(fā)售，全鋁車身加工工藝及技術(shù)正在不斷走向成熟。不過(guò)，運(yùn)用鋁合金也面臨不少問(wèn)題，比如，鋁合金加工難度比鋼材高，成型性還需繼續(xù)改善；由于鋁導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致鋁合金的焊接性能差；另外，成本控制對(duì)鋁合金的運(yùn)用非常重要，因此，全鋁車身僅限于高端車型中[3]。隨著能源和環(huán)境危機(jī)的不斷加劇，各國(guó)節(jié)能減排法規(guī)不斷提高規(guī)范要求，鋁合金作為汽車輕量化新材料將應(yīng)用在更多的車型上，在工業(yè)化生產(chǎn)與設(shè)計(jì)中，鋼鋁混合車身的應(yīng)用將成為主流[4,5].

　　1汽車輪轂用鋁合金

　　車輪是車輛承載重要部件，它除了受正壓力外，還承受因車輛啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)扭矩的交互作用，以及行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)彎、沖擊等來(lái)自各個(gè)方向的不規(guī)則受力，車輪在高速旋轉(zhuǎn)中，還影響車輛的平穩(wěn)性、操作性等性能[6]。車輪的質(zhì)量與汽車的多種性能密切相關(guān)，整車的安全性和可靠性很大程度取決于所裝車輪的性能和使用壽命。鋁合金汽車輪轂與鋼制汽車輪轂相比，能夠更好地滿足良好的耐磨耐老化和良好的氣密性，良好的均勻性和質(zhì)量平衡，較小的滾動(dòng)阻力和行駛噪聲，精美的外觀和裝飾性，尺寸精度高，質(zhì)量輕且不平衡度小，耐疲勞性好，折裝方便，互換性好等要求。目前轎車輪轂普遍采用鋁合金材料，但是，卡車、大巴等重載汽車由于重載汽車載重大、對(duì)車輪的綜合性能要求高，大部分仍采用鋼制車輪。

　　鋁合金車輪的制造工藝主要有：鑄造法、鍛造法、沖壓法、旋壓法、半固態(tài)模鍛法等，其中較為常用的成型方法主要是鑄造法和鍛造法。低壓鑄造主要采用Al-Si-Mg系合金，其主要合金元素如表1所示。普通鑄造鋁合金輪轂?zāi)軌驖M足轎車用輪轂的性能要求，但不能滿卡車、大巴等重載汽車對(duì)輪轂的要求。馬春江[7]等將普通鑄造鋁合金輪轂和擠壓鑄造鋁合金的組織和力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示擠壓鋁合金輪轂的力學(xué)性能高于鑄造鋁合金輪轂，且擠壓鑄造鋁合金輪轂的彎曲疲勞性能、徑向疲勞性能、耐沖擊性能都能滿足重載汽車使用要求。鍛造法是應(yīng)用較早的鋁合金輪轂成形工藝之一。鍛造鋁合金輪轂的強(qiáng)度、韌性以及疲勞強(qiáng)度均顯著優(yōu)于鑄造鋁合金輪轂，并且還具有抗腐蝕性好、尺寸精確、加工量小、性能再現(xiàn)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8]。其主要采用Al-Mg合金和Al-Si-Mg合金，5xxx鋁合金是車輪鍛造中最常用的變形鋁合金，主要包括：5052-O、5154-O、5454-O、5083-O、5086-O，5xxx鍛造鋁合金車輪抗腐蝕性能高，適宜制造在極端環(huán)境下工作的車輪。車輪制造中另外一種常用的鋁合金是6061-T6，其Mg元素和Si元素形成的Mg2Si強(qiáng)化相可顯著提高其力學(xué)性能，6061合金鑄錠經(jīng)565℃/4h——6h均勻化處理可使其絕大部分Mg與Si固溶于鋁中，這樣不僅可降低鍛造溫度，同時(shí)可改善鍛造性能。龍偉[9]等采用三維有限元軟件Deform-3D模擬6061鋁合金輪轂的鍛壓過(guò)程，分析對(duì)比輪轂不同位置的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及與力學(xué)性能之間的關(guān)系，結(jié)果顯示輪轂中累積應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱蟮奈恢?，其力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)力應(yīng)變小的位置更佳。鍛造鋁合金具有比鑄造鋁合金更好的綜合性能，但由于其成形工藝復(fù)雜、良品率低、制造成本高等原因，當(dāng)前鋁合金車輪制造仍以鑄造為主。

　　2汽車防撞梁用鋁合金

　　汽車防撞梁是撞擊時(shí)吸收和緩和外界沖擊力、保護(hù)車身及乘員安全功能的安全的重要裝置，在保證汽車碰撞安全性及舒適性的前提下，既能有效減輕汽車自重，又能控制成本成為熱門課題。通過(guò)合金成分優(yōu)化，熱處理工藝以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化可減輕車身質(zhì)量的同時(shí)滿足其安全性能的要求，并且鋁合金防撞梁有比鋼材料防撞梁更加優(yōu)異的吸能性能[10]。擠壓是制造防撞梁的典型方法，也可以用板材通過(guò)彎曲折疊等加工而成，型材多用6063、7021、7029、9129等合金擠壓。萬(wàn)銀輝[11]等采用有限元分析軟件LS-DYNA分析6061鋁合金防撞梁的碰撞性能，結(jié)果顯示在相同的碰撞試驗(yàn)條件下鋁合金橫梁相比鋼制防撞梁有更好的吸能性，且能夠在較大的速度范圍內(nèi)保持較高的吸能性能。楊鄂川[12]等采用有限元方法分析了汽車防撞梁沖壓工藝對(duì)性能的影響，并優(yōu)化其沖壓工藝參數(shù)，工藝優(yōu)化后板料成形的回彈及最小厚度均得到有效控制：防撞梁兩端嚴(yán)重回彈區(qū)域明顯減小，板料成形質(zhì)量得到改善，尤其是側(cè)壁和底面部分的拉延都更加充分，成型質(zhì)量顯著提升。

　　目前國(guó)內(nèi)鋁合金保險(xiǎn)杠剛剛起步，般橫梁為鋁合金吸能盒、底板等零部件多為鋼。要提高保險(xiǎn)杠橫梁的防護(hù)能力則須提高其吸收能量的能力，材料吸能量的能力與材料的強(qiáng)度和厚度都呈正比。但在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不可能通過(guò)無(wú)限增加鋼材厚度達(dá)到提高材料吸能量的目的[13]，因此，需要通過(guò)合理選材，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法達(dá)到質(zhì)量輕，便于拆裝更換，維修簡(jiǎn)便；制造工藝要簡(jiǎn)單，成本低等要求。研究表明經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的鋁合金保險(xiǎn)杠橫梁不僅比鋼制保險(xiǎn)杠橫梁更輕，而且可以吸收更多的能量。徐中明[14]徐等通過(guò)Hyperstudy和LS-DYNA優(yōu)化防撞梁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)梁吸能效果達(dá)到鋼制防撞1.9倍鋁合金防撞梁，且其減重效果達(dá)38.4%。馮源[15]等研究的保險(xiǎn)杠由橫梁和吸能支架兩部分組成，針對(duì)低速碰撞下保險(xiǎn)杠橫梁縱向抗彎性能不足的缺陷，通過(guò)優(yōu)化其截面形狀予以解決。汽車保險(xiǎn)杠是汽車中重要的安全防護(hù)構(gòu)件，制造商對(duì)保險(xiǎn)杠的各項(xiàng)機(jī)械性能的要求往往比較高，汽車上的鋁制保險(xiǎn)杠防護(hù)構(gòu)件的機(jī)械性能可通過(guò)熱處理技術(shù)將其改善提高。近年來(lái)隨著鋁合金技術(shù)的開(kāi)發(fā)，由于，具有很高的吸收沖擊能的能力，密度小耐高溫，防火性能強(qiáng)，易加工，可進(jìn)行表面涂裝處理等特點(diǎn)的泡沫鋁合金作為一種新型的鋁合金材料而被用于制造汽車保險(xiǎn)杠。固體泡沫鋁合金在汽車制造中的應(yīng)用多為三明治式的三夾板。用這種材料制造的汽車保險(xiǎn)杠，能夠?qū)绍囅嘧矔r(shí)產(chǎn)生的大部分碰撞能吸收掉,從而保護(hù)了汽車的安全[16]。

　　3車身用鋁合金

　　在車體結(jié)構(gòu)上，大多數(shù)采用無(wú)骨架式結(jié)構(gòu)和空間框架式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量少，不需大型沖壓設(shè)備，適用于多品種小批量生產(chǎn)，可縮短生產(chǎn)周期降低制造成本。汽車車身由框架、剛性材料、接頭和罩殼板組成，用鋁合金擠壓型材和連接真空壓鑄接頭自動(dòng)焊接形成，比傳統(tǒng)的鋼體車身輕40%，機(jī)械強(qiáng)度提高40%[17]。鋁合金在白車身及覆蓋件上的應(yīng)用能夠有效減輕整車重量，從而達(dá)到節(jié)能減排，優(yōu)化整車性能的目標(biāo)。全鋁車的車身主要由擠壓型材和鋁板殼體組成，轎車主要是板材，公共汽車主要用型材。對(duì)于車身板鋁材除了要滿足其性能和耐腐蝕性能要求之外還需具備良好地成型性能、表面平整性強(qiáng)、良好地焊接性能、優(yōu)良的烘烤強(qiáng)化性。

　　轎車車身板鋁合金可用2xxx、5xxx、6xxx及7xxx合金軋制，除5xxx鋁合金外其他三種鋁合金的強(qiáng)度都在涂裝烘烤時(shí)進(jìn)一步提高。汪軍[18]等采用不同的工藝對(duì)汽車用鋁合金進(jìn)行熱處理，并進(jìn)行了力學(xué)性能和耐腐蝕性能的測(cè)試與分析。結(jié)果表明，分級(jí)均勻化處理和自然時(shí)效后強(qiáng)化烘烤，可以明顯提高汽

　　車用鋁合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。與常規(guī)均勻化處理相比，分級(jí)均勻化處理可使其室溫抗拉強(qiáng)度增加14Mpa，自然時(shí)效后強(qiáng)化烘烤能提高其力學(xué)性能和耐腐蝕性能。代陳緒[19]通過(guò)對(duì)6系鋁合金預(yù)時(shí)效處理工藝的研究，開(kāi)發(fā)出能同時(shí)顯著改善6xxx系鋁合金車身板沖壓成形性和烤漆硬化性的熱處理工藝技術(shù)。結(jié)果顯示：在固溶工藝550℃×10min處理后水淬，室溫停放10min的鋁板，最佳的預(yù)時(shí)效制度為140℃×12min，鋁板經(jīng)上述工藝制度預(yù)時(shí)效處理后的σ0.2≤142MPa，再經(jīng)170℃×30min烤漆后其σ0.2≥225MPa。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　?。?）汽車用材料的更新?lián)Q代對(duì)提升汽車安全性能，節(jié)能減排降耗有著重要的意義，在交通工具回歸自然的大趨勢(shì)下，開(kāi)高性能、輕質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保的鋁合金材料將會(huì)得到更多的實(shí)際應(yīng)用。

　?。?）我國(guó)汽車工業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，研制高性能汽車用鋁合金對(duì)提高汽車工業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有舉足輕重的作用。

　?。?）鋁合金材料是汽車工業(yè)現(xiàn)代化的首選材料，相關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)也將得到越來(lái)越多的重視。