为汽车减负 汽车材料之铝合金

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较高的元素之一，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，是室温下强度较高的铝合金，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。

    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。