1、铝合金在汽车中的应用与发展石其年1 2，熊惟皓1(1 华中科技大学模具技术国家重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 3；2 黄石理X-学院，湖北黄石4 3 0 0 3)摘要：介绍了铝合金在汽车工业中的应用优势，简述了国内外几类在汽车中具有应用前景的铝合金材料以及一些比较先进的铝合金加工与处理的工艺技术，并就铝合金在汽车中的应用前景进行了概括。关键词：铝合金；汽车；应用；轻量化中图分类号：T G l 4 6 2文献标识码：B1 铝合金在汽车生产中的优势近年来，世界性能源问题变得越来越突出，这使得减轻汽车自重，降低油耗成了各大汽车生产厂提高竞争能力的关键。减少汽车重量的主要途径就是使汽车材料轻量
2、化。在为数不多的轻量化汽车材料中，铝合金以其独特的性能优势成为汽车制造业中使用最多的轻量化金属材料。美国在8 0 年代，其轿车平均使用铝合金量为5 5k g，到9 0 年代就已达1 3 0k g，到2 0 0 5 年达到2 7 0k g 1 。每使用1k g 的铝，可降低汽车重量0 2 5k g。表1 所示为9 0 年代初期到末期车用材料的变化情况 2 。铝合金在汽车生产中的优势主要在于：表11 9 9 2 年、1 9 9 6 年、2 0 0 0 年美国汽车工业用材变化情况(百万吨)首先，在现有轻量化金属材料中，镁合金虽然密度比铝合金小，但镁锭成本较高，与铁易发生电偶腐蚀，且零件制造过程中还有
3、许多亟待解决的技术障碍。只有铝合金来源广，制造技术相对成熟，零件制造成本较低，且机械强度较高，有的可同中碳钢相比，因此，铝合金将成为未来汽车轻量化的首选金属材料。其次，随着铝提炼和合金化技术的进步、设备的更新、加工处理工艺的发展，铝合金零件的机械强度会进一步提高，价格会逐步下降，这将解决限制汽车铝材化的瓶颈问题。再次，铝来源丰富，市场供应充足。铝在地壳中的含量最多，占8 1，比铁多近1 3。另外，铝的良好再生性也可提供充足的原料，据统计，每年可从报废车中回收铝1 2 1 4 万吨。这两方面的因素使得铝在今后很长一段时期内价格会不断下降 3 。2 铝合金在汽车上的应用2 1 铸造铝合金铸造铝合金
4、具有优良的铸造性能，铸造方法也很多，可根据使用目的、零件形状、尺寸精度、数量等各方面的要求和经济效益，选择最适宜的合金和铸造方法。尤其是采用压铸法生产的铝合金零件，成品率高，能减少壁厚和后续加工量，表面质量好，尺寸精度高，很适合于大批量生产。因此铸造铝合金在汽车上的使用量最多，占8 0 以上。铸造铝合金主要用于制造离合器壳体、变速箱壳体、后桥壳、转业船业啦业：I 譬坐业盥业：I k 啦!k 业!j k 业业业逝业船：|：巨!业业姑姑业业9 妊坐业!譬螺重量始业船业逝!j 譬!旨业 妇=妊船：她业业!j 酱2)采用氢氟酸加硫酸作为粗化液，粗化效果优于以往单独采用盐酸、硫酸、氢氟酸作为粗化液的粗化
5、效果，可有效增加空心玻璃微球表面P d 的附着量，从而提高空心玻璃微球表面C o 镀层的致密性。参考文献 1 D a v i e s，G e o r g eE，J a n a t a，e ta t M a g n e t i cp a r t i c l e s o r i m m u n o a s s a y P U S：4 1 7 7 2 5 3，1 9 7 9 1 1-0 4 2 张秋禹，罗正平轻质磁性材料的制备及在磁流变液中的应用 J 化学物理学报，2 0 0 1，1 4(5)：5 9 7 6 0 0 3 M a r g i d aAJ M a g n e t i cs u s p
6、e n s i o n sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e -M S i n g a p o r e：W o r l dS c i e n t i f i c，1 9 9 6 4 沈伟，沈晓丹A l：o。陶瓷表面金属化第六界全国化学镀会议论文集 c ，2 0 0 2 E 5 顾少轩，赵修建，胡军陶瓷的腐蚀行为和腐蚀机理研究进展 J 材料导报，2 0 0 2(6)作者简介：张弛(1 9 8 1 一)，男，硕士研究生，从事磁流变体阻尼特性的研究。收稿日期：2 0 0 6 年5 月2 9 日责任编辑王亚昆新技术新工艺材料与表面处理技术2 0 0 6 年第
7、1 2 期5 5 万方数据向器壳体、摇臂盖、正时齿轮壳体等壳体类零件，发动机部件以及保险杠、车轮、发动机框架、转向节液压泵总成、杀车钳、油缸及刹车盘等非发动机结构件4 I。铸造铝合金的种类很多，主要有A l S i 系、A 卜C u 系、A 1-M g 系、A l Z n 系、A l L i 系、A l R e 系等，可根据零件的结构和工作条件选用。下面仅介绍几种性能良好、适宜用于汽车零部件的新型铝合金。2 1 1Z L l l 9 合金Z L l l 9 合金是一种不需经过强化热处理即可获得高力学性能的铸态高强高韧性A 1 一S i 铸造合金，其铸态力学性能远高于其它铸造合金(见表2)，可广
8、泛用作汽车的汽缸体、汽缸头、变速器壳、制动器、操纵系统等 5 。由于节省了淬火、人工时效等热处理工序、设备投资少，又减少了污染，因此，可获得较大的经济效益和社会效益。表2 铸造A 1-S i 合金力学性能比较2 1 2Y Z l l 8 合金Y Z l l 8 合金属于A l S i C u 系压铸合金。由予其铸造流动，摊麓凝，热裂纹倾向小了耐蚀性商，具有良好的铸造和力学性能，翻?此在汽车r 和摩托车工业获得了广泛的应用。例如汽车发动机的汽缸体、汽缸盖，变速器壳、变矩器、变速器伸缩杆、转换箱，以及制动系统、操纵系统等，以减轻整车自重，达到节能、高效的目的。Y Z l l 8 合金可替代日本的1
9、 1 D C l 0，1 1 D C l 2 等合金，大大加速了我国轿车工业的国产化进程。表3 列出了Y Z l l 8 与1 1 D C l o 和1 1 D C l 2 合金的力学性能和成本比较 6 。2 1 3Z L l 2 0 合金Z L l 2 0 合金属于A 1-S i 系，采用A M-J 复合变质剂变质、T 6 热处理，其力学性能可达：4 0 0M P a，侥3。该合金与美、俄、日等国同类合金相比不相上下，如表3 所示 7 。表3Y Z l l 8 与A D C l 0 和A D C l 2 合金的性能和原料成本比较从表4 可看出，Z L l 2 0 合金的比强度达到1 4 5，
10、与高强度铸钢相当，比刚度达到3 1，超过了高强度铸钢，但韧性稍差。由于Z L l 2 0 合金的生产成本低，综合力学性能以及铸造成形性、加工性能较好，在汽车工业中具有广阔的应用前景。表4Z L l 2 0 与美、俄、日等国同类合金的性能比较中国Z L l l lT 63 0 521 1 52 6美国A 3 5 4T 63 5 521 3 22 9美国A 3 5 9T 63 2 531 2 02 8俄罗斯B 1 2 4T 63 9 021 4 53 0日本A C 4 CT 62 2 538 52 4日本A C 4 C HT 62 4 559 12 5中国Z I 1 2 0T 63 9 031 4
11、 53 14 0 N i C r M n M o(铸钢)调质11 0 061 4 51 82 I 4A 3 5 6 合金A 3 5 6 系列铝合金是美国于7 0 年代研制的一种铝合金，成分如表5 所示 7 。随着汽车工业的迅速发展，到了8 0 年代末A 3 5 6 系列铝合金在汽车工业中得到了广泛应用。该合金为高硅合金，由于强化相M 9 2 S i 在温度场有较大溶解度的变化，因此具有良好的强化效果，特别是经人工时效后机械性能有显著变化，同时也有良好的塑性。另外，该合金中含有的T i 和S i 元素对晶粒细化变质效果明显，经实际应用机械性能很好：硬度H B 6 0、抗拉强度2 1 4M P a
12、,屈服强度1 1 4M P a、延伸率7 0。A 3 5 6系魏铝合金不仅应用于传统的零部件，如车轮、热交换器等，而且逐渐被应用于发动机、车身、底盘等关键部位 8 。表5A 3 5 6 系列铝合金的主要成分合金元素()杂质元素(不大于)S iM gT iS rA 1F eC UZ nM n0 1 0 0 1 0 0 0 50 0 57 5 O 3 O 0。0 8 0 一0 2 04 52 000 4 余量2 1 5 铸态铝合金(F Z L 一1)铸态铝合金是近年来开发的新材料，其主要特点是在铸态下直接使用，不需进行热处理(固溶强化)工序，解决了一般铝合金产品热处理时间长、耗电量大以及薄壁铝合金
13、铸件热处理变形和易产生裂纹等问题，同时大大缩短了产品生产周期，且产品质量能够得到保障。表6 给出了F Z L-1 铸态铝合金与常规Z L l 0 1 合金性能参数对比 9 ，可见用F Z L-1铸态铝合金替代Z L l 0 1 合金生产发动机气缸盖，不但使性能得到提高，而且省去了热处理工序，成品率大幅度提高，具有十分明显的经济效益。表6F Z L-1 合金与常规Z I，1 0 1 合金性能参数对比5 6 新技术新工艺材料与表面处理技术2 0 0 6 年第1 2 期冀 万方数据2 2 形变铝合金形变铝材(铝板材和挤压件等)在汽车上主要用于制造保险杠、发动机罩、车门行李箱等车身面板、车轮的轮辐、轮
14、毂罩、轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身构架、座位、车箱底板等结构件以及仪表板等装饰件。形变材料与铸件相比，强度、韧性都大为优越。变形铝合金的合金含量较低，可以通过压力加工制成各种型材及成形零件。按性能不同，可分为以下几种。一是防锈铝合金。主要有A 1 一M g，A 1-M n 系合金，其塑性及耐蚀性好，易于成形及焊接，强度低，适于要求抗蚀及受力不大的零部件，如油箱、油管、铆钉、轮毂罩、轮外饰罩、消声罩等。二是硬铝合金。主要为A I C u M g 系合金，其强度高，但抗蚀性及焊接性较差，主要用于制造中等强度的承力构件，如车门行李箱、车箱底板、硬铆钉等。三是超
15、硬铝合金。属A 1 一Z n M g-C u 系合金，为硬铝中再加锌、铬、锰等合金而制成，强硬度更高，为时效强化效果最高的铝合金，其热态塑性好，但耐蚀性差，主要用于工作温度较低，受力较大的车身构架、防抱死制动系统、保险杠等。四是锻铝合金。主要为A 1 一C u M g S i 系及耐热性突出的A l C u M g F e N i 系铝合金，具有良好的热塑性、铸造性、耐蚀性及焊接性，机械性能与硬铝相近，可锻压成形，故称锻铝。典型的锻铝合金有：6 0 6 1，6 0 5 1，2 0 1 4，7 0 7 5 等。锻造件由于价格昂贵，目前尚未大范围推广使用，只在欧美轿车上有少量使用，且多用于形状复杂
16、厚薄不均的托架、货车的车轮、前轴和重型载重货车的主轴等重要零件。由于锻造铝合金具有比强度高、热锻时不氧化、表面光洁、机械加工余量小、无加工缺陷等优点，在汽车上的应用正在逐渐扩大。3先进的铝合金生产和处理工艺3 1 快速凝固铝合金此合金与用熔铸法生产的铝合金比，具有金属组织晶粒细、合金元素能过饱和固溶、能减少宏观偏析、可通过提高合金元素浓度来提高性能等优点。目前在汽车上得到应用的有耐磨性好、线膨胀系数小、刚度和强度高的A 1 一S i 系合金，其成分为A 1 一(1 7 2 0)S i 一(4 8)(F e-N i M n)-C u-M g 和A 11 7 S i 一6 F e，用此法还能研制出
17、A 1-F e 系耐热铝合金。主要用作生产汽车空调电动机转子、发动机活塞、气缸衬套、进气门及气门座等 1。3 2 超塑铝合金超塑铝合金在一定加工条件下，可产生异常大的延伸变形，如A 1 7 8 Z n 在2 5 0 时延伸率可达l5 0 0。利用超塑性，形状复杂的零件可一次冲压成型，尤其是能制成形状相当复杂的格子产品。过去需用板材冲裁、铆接或焊接而成的部件，需用数十个零件，上百个铆钉，而现在利用铝合金的超塑性一次冲压成型，可减轻1 5 的重量，节约3 0 的加工费D 1|。随着汽车结构一体化的发展，该铝合金将得到快速应用。3 3 纤维增强型铝合金纤维增强型铝合金具有较高强度、弹性模量、耐热性和
18、耐磨性等，其高温抗拉强度与传统材料(未复合)相比，其提高幅度从低到高，范围很宽。更为重要的是其强度、刚性和热胀系数等可以随意变化，而且能够预测。此材料已成功用于发动机、活塞环、连杆和气缸套等重要零件。美国目前正在开发铝基增强复合材料制造柴油机缸体。3 4 铝基复合材料铝基复合材料的基体可以是任何牌号的铝合金，研究最多的是铝硅合金。常用的增强剂有碳、碳化物、氧化物，形状有颗粒状、纤维状和晶须状等。通过调节铝合金的化学成分、增强剂的种类和形状，可在很大的范围内改变铝基复合材料的性能。铝基复合材料具有比铝合金更大的刚性、更高的耐磨性、更好的耐热性。这种材料已用于制造汽车传动轴，它的刚度比钢和铝提高3
19、 0，可使汽车最大扭矩提高1 5。还可用于制造汽车的制动盘、活塞、汽缸盖、阀门和气门挺杆等 1 引。3 5 非树枝晶铝合金铝合金由于成分过冷等原因，在冷却过程中会以树枝状的形式结晶，金属在室温时可观察到树枝状的组织。如果在液态金属凝固时，外部施加一个力场(可以是机械力场、电场、磁场)，使铝液在剧烈的搅动中凝固，最终形成粒状的非树枝状的结晶组织，具有这种组织的铝合金与树枝状组织的铝合金在力学性能上有明显的区别(见表7)，前者化学成分均匀、没有明显的偏析、力学性能波动小、材料在强度相当的前提下塑性明显提高口3|。表7A 3 5 6 铝合金不同组织材料的力学性能3 6 回归再时效l R R A)处理
20、技术铝合金经固溶和时效后，重新加热到比时效更高的温度，经快速冷却，材料性能恢复到固溶时的状新技术新工艺材料与表面处理技术2 0 0 6 年第1 2 期5 7 万方数据态，又可以进行时效处理，这种现象称之为回归。在高强度7 0 0 0 系列铝合金中采用R R A 处理，在回归处理中使呀和叩7 沉淀相的数量增多、尺寸减小，一方面提高了铝合金的强度，另一方而也提高了铝合金的耐应力腐蚀抗力 1“。3 7 最终形变热处理C F T M T)技术铝合金最终形变热处理是指铝合金经固溶处理+预时效+冷变形+终时效的处理技术，经F T M T 工艺处理的材料性能比单纯进行固溶+时效处理的要好。在F T M T
21、处理过程中由于溶质原子的分布和状态发生了变化、沉淀析出过程和形变位错运动过程交互影响，对铝合金的力学性能产生了很大影响，最终材料的强度极限可提高2 0 以上15。3 8 半固态成形及热处理技术铝合金半固态成形技术是将非树枝状结晶的铝合金材料加热到固一液相问的状态(固相百分比5 0)，然后用压铸、锻造、挤压、轧制等方法使半固态的坯料在受压的状态下凝固成形。半固态成形制品具有组织致密、缺陷少、力学性能高等优点。半固态压铸与液态压铸成形件在热处理后，两者的性能差异就更明显了。该技术在发达国家得到了迅速发展 16|，铝合金半固态成形技术可用于制造汽车的上下摇臂、转向节、拉杆、刹车油泵等众多零部件。4
22、汽车工业中铝合金的应用前景汽车工业的发展是与能源、环保和安全这三方面紧密联系在一起的。进入2 l 世纪后，面对资源与环境问题的严峻挑战，继续推进汽车轻量化以降低油耗，依然是汽车工业的发展关键。铝合金在成本、制造技术、机械性能、可持续发展等方面具有其他材料元可比拟的优越性，因此铝合金将成为汽车工业中的首选轻量化材料。汽车轻量化的重要途径是提高单台汽车的用铝量，未来汽车工业用铝量的增长将由汽车工业对铝化率的需求和铝合金生产制造成本的平衡来决定。高强度汽车用铝合金、铝基复合材料、超塑性铝合金、粉末冶金铝合金等新型铝合金材料的开发和应用，势必进一步扩大铝合金材料在汽车工业用材中的使用份额。目前，我国汽
23、车总产量位居美国、日本、德国之后，居全球第四位。而与此形成强烈对比的是我国汽车用材的铝化程度还很低。当前发达国家轿车用铝量平均已达1 3 8k g，铝化率达1 2。而我国汽车上铝材的使用与国外差距很大，平均用铝量仅为6 0k g，铝化率不到5，因此，我国汽车用铝合金市场发展前景是非常广阔的m 3。参考文献 1 关绍康，姚波，王迎新汽车铝合金车身板材研究现状及发展趋势 J 机械工程材料，2 0 0 1(5)：1 2 1 8 2 黄佩贤轻质材料铝合金在汽车上的应用 J 上海汽车，2 0 0 2(3)：3 7 3 8 3 袁序弟轻金属在汽车上的应用C J 汽车工艺与材料，2 0 0 2(8)：3 0
24、 一3 3 4 徐维新现代汽车新技术 M 上海：上海科学技术出版社，1 9 9 9 5 刘静安汽车工业用铝材的开发应用趋势与对策 J 铝加工，2 0 0 2(5)：4 5 4 8 6 邱庆荣，孙宝德，周尧和铝合金铸件在汽车上的应用口 铸造，1 9 9 8，4 7(1)：4 6 4 9 E 7 3 张译中国外汽车用非钢材料的开发及应用 J 汽车工艺与材料，2 0 0 2(1 0)：3 7 3 8 8 潘坚，裴晓亮美国的先进汽车材料计划 J 汽车工艺与材料，2 0 0 2(1 0)：1 1-1 3 9 雷健，魏伯康汽车发动机缸盖铸态铝合金成分优化设计E J 特种铸造及有色合金，2 0 0 1(3)
25、：2 4 2 5 1 0 N a r g e s sS h a h m a n e s h L i g h t e n i n gt h em a t e r i a l J A u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g，2 0 0 3(9)：7 0 7 7 u 赵鸿铝在在汽车上的应用 J 汽车工艺与材料，1 9 9 7(1)：1 9-2 4 1 2 邵光杰，张恒华，许珞萍汽车用铝合金材料及热处理进展 J 金属热处理，2 0 0 4，2 9(1)：2 9 3 1 1 3 D o n l o nWT，P a i g eC，M o r r i sCJ，e ta
26、1 E f f e c t so fc a s t i n gd e f e c t s8 Lm i c r o s t r u c t u r eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i ec a s tA M 5 0m a g n e s i u ma n d 3 5 6a l u m i n u m C P r o c e e d i n g so ft h eT M SM a t e r i a l sW e e k9 5S y m p o s i u m，1 9 9 5(1 0)：1 7 2 7 1 4 谷亦杰，林建国，张永刚，等
27、回归再时效处理对7 0 7 5铝合金的影响 J 金属热处理，2 0 0 1，2 6(1)：3 1 3 5 1 5 胡治流，曹乃光，沈燕L Y l 2 铝合金F T M T 强化工艺的探讨 J 中国有色金属学报，1 9 9 5，5(1)：7 2 7 5 1 6 3S i e g e r tKa n dL e i b e rR T h i x o f o r m i n go a l u m i n u m C S E AS p e c i a lP u b l i c a t i o n s 1 9 9 8，1 3 5 0(2)：3 9 4 6 1 7 张屹林，闫汝辉，朱利民汽车工业中的铝合金
28、J 山东内燃机，2 0 0 4，8 1(3)：2 6 3 1 作者简介：石其年(1 9 6 0)，副教授，工学硕士，华中科技大学访问学者，主要从事金属材料成形工艺和工程应用的研究。收稿日期：2 0 0 6 年6 月7 日责任编辑王亚昆5 8 新技术新工艺材料与表面处理技术2 0 0 6 年第1 2 期 万方数据铝合金在汽车中的应用与发展铝合金在汽车中的应用与发展作者：石其年，熊惟皓，SHI Qinian，XIONG Weihao作者单位：石其年,SHI Qinian(华中科技大学,模具技术国家重点实验室,湖北,武汉,430073;黄石理工学院,湖北,黄石,43003)，熊惟皓,XIONG We
29、ihao(华中科技大学,模具技术国家重点实验室,湖北,武汉,430073)刊名：新技术新工艺英文刊名：NEW TECHNOLOGY&NEW PROCESS年，卷(期)：2006(12)参考文献(17条)参考文献(17条)1.张屹林;闫汝辉;朱利民 汽车工业中的铝合金期刊论文-山东内燃机 2004(03)2.Siegert K;Leiber R Thixoforming of aluminum 1998(02)3.胡治流;曹乃光;沈燕 LY12铝合金FTMT强化工艺的探讨期刊论文-中国有色金属学报 1995(01)4.谷亦杰;林建国;张永刚 回归再时效处理对7075铝合金的影响期刊论文-金属热处
30、理 2001(01)5.Donlon W T;Paige C;Morris C J Effects of casting defectsµstructure on mechanical propertiesof die cast AM50 magnesium and 356 aluminum 19956.邵光杰;张恒华;许珞萍 汽车用铝合金材料及热处理进展期刊论文-金属热处理 2004(01)7.赵鸿 铝在在汽车上的应用 1997(01)8.Nargess Shahmanesh Lightening the material 2003(09)9.雷健;魏伯康 汽车发动机缸盖铸态铝合金
31、成分优化设计期刊论文-特种铸造及有色合金 2001(03)10.潘坚;裴晓亮 美国的先进汽车材料计划 2002(10)11.张译中 国外汽车用非钢材料的开发及应用期刊论文-汽车工艺与材料 2002(10)12.邱庆荣;孙宝德;周尧和 铝合金铸件在汽车上的应用 1998(01)13.刘静安 汽车工业用铝材的开发应用趋势与对策期刊论文-铝加工 2002(05)14.徐维新 现代汽车新技术 199915.袁序弟 轻金属在汽车上的应用期刊论文-汽车工艺与材料 2002(08)16.黄佩贤 轻质材料铝合金在汽车上的应用期刊论文-上海汽车 2002(03)17.关绍康;姚波;王迎新 汽车铝合金车身板材研究现状及发展趋势期刊论文-机械工程材料 2001(05)本文链接：http:/
