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为汽车减负 汽车材料之铝合金

19-05-08 17:13  

水泊焊割铝厢线

水泊焊割铝合金厢式车线

    很多汽车品牌在宣传的时候,很多时候会把车身上使用铝合金材料当做一个卖点,比如铝合金悬挂、铝合金发动机缸体或铝合金的车架等等,给人感觉铝合金似乎很贵重。但其实,铝元素是地壳中的含量最高的元素之一,仅次于氧和硅,居第三位。不过,由于铝单质的化学性质活泼,所以在自然界它都是以化合物的形式存在,如铝硅酸盐矿石、铝土矿或冰晶石。正是由于这种特性,人类直到近代还原出铝单质,进而发现电解铝的方法,才逐渐形成了铝的工业体系。目前,铝在人类工业体系中是排在第二的金属,仅次于钢铁。由于铝的单质性质活泼,因此必须与其他金属或非金属物质合成才能成为稳定的材料,因此被称为铝合金。

    铝合金相比于钢铁的一个基本优势是质量更轻。为什么铝合金的质量更轻?因为铝的密度比较小,铝合金材料的密度在2.5-2.8g/cm3,而钢的密度则在7.8-8.7 g/cm3,在体积相同的情况下,铝合金的材料的重量仅为钢材的35-40%,能够有限降低车身自重。

    当然,对于工业材料,密度和轻质只是一方面,铝合金的优势还在于强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。为了改变材料的强度,铝合金根据材料硬度需求会添加不同的其他金属或矿物质。常见的有硬铝合金属Al—Cu—Mg(铝铜镁)系,含有少量的Mn(锰),可热处理强化,硬度大,但塑性较差。超硬铝属Al一Cu—Mg—Zn(铝铜镁锌)系,可热处理强化,是室温下强度最高的铝合金,但耐腐蚀性差,高温软化快。锻铝合金主要是Al—Zn—Mg—Si(铝锌镁硅)系合金,虽然加入元素种类多,但是含量少,因而具有优良的热塑性,适宜锻造,故又称锻造铝合金。

    根据不同的合金种类,铝合金被分为从1系到9系9个不同的类型,其中1系属于高纯度铝合金,含铝量超过99.5%。二系含铜元素较多,大约在3-5%,硬度很高,属于航空铝材。三系以锰元素为主要成分,含量1.0-1.5%,防锈功能较好。四系以硅元素为主,含量4.5-6.0%,具有耐热耐磨的特性,建筑材料和工业用较多。五系主要元素为镁,含量3-5%之间,特点是密度低,抗拉强度高,延伸率高,疲劳强度好,但不可做热处理强化。六系主要含有镁和硅两种元素,因此结合了四系和五系的优势,也是汽车材料中运用较多的。七系主要含锌元素,硬度高,也也属于航空铝材。八系主要是铝箔,电池行业运用较多。九系是备用材料。

挤压铝

    我们以上图中的某汽车品牌的副车架为例,它采用了6系的挤压铝,所谓挤压是指将铝合金锭坯装入挤压筒中,通过挤压轴对金属施加压力,使其从给定形状和尺寸的模孔中挤出,产生塑性变形而获得所要求的挤压产品的一种加工方法,这种加工方式出来的材料强度更好。

    而在转向节、发动机悬置骨架、悬挂连杆等位置,由于零部件的体积小、结构复杂,采用铸造工艺的铝合金成型方式。

    那么,使用铝合金材质的零部件,能减轻多少重量呢?

    我们以某车型的零部件为例,采用铝合金发动机盖的重量为8.61公斤,同类型钢制件重量约为16公斤。采用铝合金防撞梁的重量为4.2公斤,同类型钢制件重量约为7.8公斤。这两项的减重率都在46%,效果还是挺明显的。

    那么,为什么铝合金材料为什么大都用在副车架、防撞梁、发动机盖、车门或悬挂的摆臂连杆、轮毂等部位,而较少用在车架上呢?因为设计车架并不能仅仅只考虑轻量化的问题了,还要考虑材料的强度。以拉伸强度为例,高强度的铝合金可达480MPa,国产的超高强度铝合金可以达到740MPa,而超高强度的钢材可以高达1620MPa。在车架受力的核心部位,如A柱、B柱、前后纵梁等位置,只有高强度钢材才能胜任。


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