汽车轻量化用铝合金材料及应用技术探析

王卓

摘 要：随着汽车燃油价格的不断提高，汽车轻量化已经成为有效降低汽车能耗、控制成本的关键举措，这也是获取更多汽车消费者的关键所在。为此，加大对汽车轻量化技术应用的研究，采用更多的新材料，在确保汽车安全性的同时推动汽车轻量化发展，实现降低能耗，推动汽车节能减排。

关键词：汽车轻量化；铝合金材料；应用技术

引言

铝合金是地壳中含量最为丰富的绿色金属，不但轻、比强度高，而且易于成形，吸能效果好，耐腐蝕，循环利用价值大，因此被当作汽车轻量化的理想材料之一。铝合金最初是作为热交换器部件材料在汽车上应用，继而用于汽车轮毂、发动机汽缸活塞及缸体等部件。2012年以后，发达国家强化了行人保护法规，他们企业在汽车制造时覆盖件大量采用铝合金板材。2020年，北美汽车引擎盖铝化率接近75%，车门、行李箱盖、顶棚的铝化率超过25%。以奥迪、捷豹、F-150卡车、TESLA-S品牌的新能源汽车为代表的车身全铝化推动了铝合金板材在结构件上的应用。

1铝合金特点

材料铝的密度是钢的1/3，质量更轻，具有较高的比强度、很好的挤压性、很强的耐腐蚀性和高可回收性。其特点是以镁为主，耐热性能好，焊接性能好，疲劳强度好，不可热处理强化，能冷加工提高强度；6系特点是以镁和硅为主，Mg2Si为主要强化相，目前应用最广泛的合金以6063、6061、6005A最多；5052铝板为AL-Mg系合金铝板，镁是5052合金铝板中主要的合金元素，是应用最广的一种防锈铝，这种合金的强度高，具有抗疲劳强度高，塑性与耐腐蚀性高，不能热处理强化，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好的特点，主要用于边板皮、顶盖皮及门板皮等部件；6063铝合金是AL-Mg-Si系中具有中等强度的可热处理强化合金，Mg和Si是主要合金元素，是一种可热处理的强化铝合金型材，主要用在立柱、边板等结构件承载强度铝板的基本特性。

2汽车轻量化中新材料应用途径

第一，各汽车制造企业要加强合作，特别是要带动产业链上下游进行合作，不断加大技术创新，掌握核心技术。第二，国家要从政策上给予支持，以国家层面开展新材料技术研究，为研究新材料应用于汽车轻量化的汽车制造企业、科研机构等提供政策资金，加大财政投入，确保有更多的科研机构、高校投入到汽车新材料的研制工作中。第三，鼓励汽车制造企业引进先进的技术，加大推广，同时做好自身的研发，不断地掌握核心技术，壮大自身的新材料研发能力。

3汽车轻量化用铝合金材料及应用技术

3.1铝合金汽车板的冷成形技术

成形极限图（forminglimitdiagram，FLD）描述了板材在不同应变条件下达到颈缩或断裂的极限应变，被用于评价板材的成形性能的优劣，并作为铝合金汽车板冲压数值模拟的失效判据。获取FLD的方法有实验测量和理论计算方法实验测量方法包括缺口单向拉伸法、Marciniak法和Nakazima胀形法，其中Nakazima胀形法应用最广泛，被国际标准ISO12004和国家标准GB/T15825.1—2008用；理论计算方法有Swift提出的扩散颈缩模型、Hill提出的局部颈缩模型、Stören和Ｒice提出的分叉理论模型及Marciniak和Kuczynski提出的凹槽理论（M-K模型）等。迄今为止，M-K模型是FLD理论计算中应用最广泛的方法。

3.2挤压是铝合金重要的成形方法

铝合金挤压成形是一种热加工成形方法，并且整个生产过程铝合金均处于三向压应力状态下成形。整个生产过程可描述成如下：a.把铝及其他合金熔炼铸造成所需要的铝合金铸棒；b.把预热后的铸棒放进挤压设备内进行挤压，铝合金坯料在主缸挤压作用下，通过模具的型腔成为所需的型材；c.为了提高铝型材的力学性能，在挤压过程或挤压后进行固溶处理，随后再进行时效处理，时效处理后的力学性能根据不同的材料及时效制度各异。

3.3镁合金材料

在运用到汽车轻量化的材料中，镁及其合金材料具有优势，可以作为一种理想的材料全面应用。镁合金材料的应用也伴随一些问题，如它的性能与温度成反比而且还存在腐蚀问题，因此要针对性地进行研究。镁合金材料成形依靠良好的制造工艺，材料的成形既有传统的铸造加工成形也有增强其塑性成形的技术。当前，应用最多的铸造技术是充氧压铸及真空压铸等，其中应用最为广泛的是充氧压铸工艺。轮毂、方向盘可以通过真空压铸成形。镁合金材料成形都是通过铸造工艺完成的，这种成形方式不利于提高镁合金性能，造成其应用范围不广。但是，通过塑性成形就可以避免这些问题的发生。

3.4碳纤维复合材料

碳纤维是一种具有高强度、高模量、无蠕变、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳及热膨胀系数小的新型纤维材料，其含碳量在95%以上。碳纤维复合材料是指以碳纤维为增强相、以树脂、金属及陶瓷等为基体的复合材料的总称。汽车用碳纤维复合材料主要为树脂基碳纤维增强复合材料，与钢铁材料相比，能够减轻40%～60%的质量；与铝合金材料相比，能够减轻25%～30%的质量，是汽车轻量化进程中不可或缺的重要材料，主要应用的零部件有车顶横梁、引擎盖、翼子板、保险杠、车顶盖等。

结束语

今后，为推动铝合金汽车板在新能源汽车上更大规模的应用，需要开展以下研究工作：①开展面向高成形性、高烤漆强度的基于“团簇”的成分设计的研究，满足新能源汽车零部件结构更复杂、重量更轻的要求；②开展先进成形与连接、绿色表面处理等应用技术的研究，提升铝合金汽车零部件的制造能力与环境保护水平；③开展内外板用铝合金系列一体化的新材料研究，使铝合金汽车零部件容易回收；④开展铝制零部件的绿色同级回收技术、短流程制备技术的研究，实现新能源汽车绿色发展。

参考文献：

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