汽車輕量化用鋁合金材料及應(yīng)用技術(shù)探析

王卓

摘 要：隨著汽車燃油價(jià)格的不斷提高，汽車輕量化已經(jīng)成為有效降低汽車能耗、控制成本的關(guān)鍵舉措，這也是獲取更多汽車消費(fèi)者的關(guān)鍵所在。為此，加大對(duì)汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用的研究，采用更多的新材料，在確保汽車安全性的同時(shí)推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)降低能耗，推動(dòng)汽車節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化；鋁合金材料；應(yīng)用技術(shù)

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(qiáng)度高，而且易于成形，吸能效果好，耐腐蝕，循環(huán)利用價(jià)值大，因此被當(dāng)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(yīng)用，繼而用于汽車輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸活塞及缸體等部件。2012年以后，發(fā)達(dá)國(guó)家強(qiáng)化了行人保護(hù)法規(guī)，他們企業(yè)在汽車制造時(shí)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?shī)W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(dòng)了鋁合金板材在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。

1鋁合金特點(diǎn)

材料鋁的密度是鋼的1/3，質(zhì)量更輕，具有較高的比強(qiáng)度、很好的擠壓性、很強(qiáng)的耐腐蝕性和高可回收性。其特點(diǎn)是以鎂為主，耐熱性能好，焊接性能好，疲勞強(qiáng)度好，不可熱處理強(qiáng)化，能冷加工提高強(qiáng)度；6系特點(diǎn)是以鎂和硅為主，Mg2Si為主要強(qiáng)化相，目前應(yīng)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(yīng)用最廣的一種防銹鋁，這種合金的強(qiáng)度高，具有抗疲勞強(qiáng)度高，塑性與耐腐蝕性高，不能熱處理強(qiáng)化，在半冷作硬化時(shí)塑性尚好，冷作硬化時(shí)塑性低，耐腐蝕好，焊接性良好的特點(diǎn)，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(qiáng)度的可熱處理強(qiáng)化合金，Mg和Si是主要合金元素，是一種可熱處理的強(qiáng)化鋁合金型材，主要用在立柱、邊板等結(jié)構(gòu)件承載強(qiáng)度鋁板的基本特性。

2汽車輕量化中新材料應(yīng)用途徑

第一，各汽車制造企業(yè)要加強(qiáng)合作，特別是要帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行合作，不斷加大技術(shù)創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)。第二，國(guó)家要從政策上給予支持，以國(guó)家層面開展新材料技術(shù)研究，為研究新材料應(yīng)用于汽車輕量化的汽車制造企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)等提供政策資金，加大財(cái)政投入，確保有更多的科研機(jī)構(gòu)、高校投入到汽車新材料的研制工作中。第三，鼓勵(lì)汽車制造企業(yè)引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，加大推廣，同時(shí)做好自身的研發(fā)，不斷地掌握核心技術(shù)，壯大自身的新材料研發(fā)能力。

3汽車輕量化用鋁合金材料及應(yīng)用技術(shù)

3.1鋁合金汽車板的冷成形技術(shù)

成形極限圖（forminglimitdiagram，F(xiàn)LD）描述了板材在不同應(yīng)變條件下達(dá)到頸縮或斷裂的極限應(yīng)變，被用于評(píng)價(jià)板材的成形性能的優(yōu)劣，并作為鋁合金汽車板沖壓數(shù)值模擬的失效判據(jù)。獲取FLD的方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算方法實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yīng)用最廣泛，被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO12004和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15825.1—2008用；理論計(jì)算方法有Swift提出的擴(kuò)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(jì)算中應(yīng)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(gè)生產(chǎn)過程鋁合金均處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成形。整個(gè)生產(chǎn)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(yù)熱后的鑄棒放進(jìn)擠壓設(shè)備內(nèi)進(jìn)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(xué)性能，在擠壓過程或擠壓后進(jìn)行固溶處理，隨后再進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理后的力學(xué)性能根據(jù)不同的材料及時(shí)效制度各異。

3.3鎂合金材料

在運(yùn)用到汽車輕量化的材料中，鎂及其合金材料具有優(yōu)勢(shì)，可以作為一種理想的材料全面應(yīng)用。鎂合金材料的應(yīng)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(duì)性地進(jìn)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(tǒng)的鑄造加工成形也有增強(qiáng)其塑性成形的技術(shù)。當(dāng)前，應(yīng)用最多的鑄造技術(shù)是充氧壓鑄及真空壓鑄等，其中應(yīng)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(yīng)用范圍不廣。但是，通過塑性成形就可以避免這些問題的發(fā)生。

3.4碳纖維復(fù)合材料

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

結(jié)束語

今后，為推動(dòng)鋁合金汽車板在新能源汽車上更大規(guī)模的應(yīng)用，需要開展以下研究工作：①開展面向高成形性、高烤漆強(qiáng)度的基于“團(tuán)簇”的成分設(shè)計(jì)的研究，滿足新能源汽車零部件結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、重量更輕的要求；②開展先進(jìn)成形與連接、綠色表面處理等應(yīng)用技術(shù)的研究，提升鋁合金汽車零部件的制造能力與環(huán)境保護(hù)水平；③開展內(nèi)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(jí)回收技術(shù)、短流程制備技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)新能源汽車綠色發(fā)展。

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