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【2012/01期】铝、镁合金材料在汽车工业中的应用
2012-3-1
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来源:汽车新材料网

铝、镁合金材料在汽车工业中的应用
党春梅1,谢卫东1,2
(1.重庆大学材料科学与工程学院 重庆 400044; 2.重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心 重庆 400045)


摘要:介绍了铝、镁合金材料在汽车零部件上的轻量化应用和优势性能,重点介绍汽车铝、镁合金材料零部件各种先进的制造技术,指出其工艺的优缺点并展望了其技术研究的方向,最后对铝、镁合金材料在汽车工业上的应用前景做了全面分析。
关键词:汽车工业;轻量化;铝、镁合金;制造技术
中图分类号:TG146.2+1;TG146.2+2  文献标识码:A  文章编号:1001-3814(2011)04-0001-04

      汽车工业正面临着前所未有的机遇与挑战,人类社会可持续发展战略对新一代汽车产品提出了更为苛刻的要求,即轻量化、智能化、节能、安全和环保,而这种严峻的挑战又为汽车工业的技术创新与发展提供了机遇[1]。世界汽车协会报告指出,汽车重量每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%,可见减轻汽车自重既可实现汽车节约能源,又可减少排放而满足环保要求。因此,汽车轻量化是当代汽车工业发展的一个重要方向,其要求为:①保证汽车质量和功能不受影响,最大限度地减轻各零部件质量,降低汽车的燃耗,以减少污染的排放。②应努力谋求汽车的高输出功率、低振动、良好的操纵性、高可靠性和高舒适性等。③汽车的轻量化技术必须是兼顾汽车质量、性能、价格指标,应保证汽车具有商业竞争能力[2]。

      汽车的轻量化对汽车材料提出了更高的要求,即要求零件材料的结构强度和刚度等满足其性能时,同时要求零件的质量越轻越好。铝、镁合金材料是汽车轻量化优良的材料,已获得世界汽车工业的广泛应用,成为制造汽车的重要材料。采用铝、镁材料是降低汽车排放、提高燃油经济性最有效的措施之一。表1是2001、2005与2009年1辆轿车的材料构成变化情况,可见汽车车身的自身质量及材料消耗量逐年降低,但钢铁、有色金属等材料仍然是车的主要材料。汽车金属材料中钢铁材料一直在减少,而有色金属材料,尤其是铝和镁用量一直在增加。材料专家预测,10年内,铝、镁合金材料将广泛应用于汽车零部件上,从而使小轿车瘦身一半。目前,铝、镁材料是国际公认的21世纪绿色工程结构材料,以铝、镁合金代替钢铁用于汽车制造,不仅能够实现减重、降低油耗和污染,还能够提高动力转动系统的性能。在此形式下,加速我国铝、镁轻质材料的开发和应用具有十分重要的意义[3-4]。

 
表1  一辆汽车的材料构成

1 铝、镁合金材料在汽车工业上的应用
1.1 铝、镁合金材料生产的汽车零部件
      随着现代汽车工业的发展,铝、镁合金成为制造汽车的重要材料。由于铝、镁合金提炼技术不断提高和加工工艺的成熟,越来越多的汽车零部件材料改用铝、镁合金。汽车上发动机罩、行李箱盖、保险杠、车身内外板件、散热器等现在都用铝、镁合金板制造。铝、镁合金铸件已经替代了部分铁铸件,如活塞、轮毂、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了质量轻的铝、镁合金材料。表2、表3列举了部分铝、镁合金代替铸铁和钢材零部件情况,从表中材料的质量比可知,使用铝、镁合金材料大大减轻了汽车的质量。在美国和欧洲,保险杠、油箱也开始由钢板改为铝、镁合金材料。未来汽车的材料构成比例中,铝、镁合金材料使用率将大大增加。未来的汽车工业,铝、镁合金仍将是汽车轻量化的首选材料[4]。

 
表2  铝、镁合金材料代替铸铁零部件表
 
表3  铝、镁合金材料代替钢材零部件表

1.2汽车铝、镁合金材料零部件的制造技术

1.2.1铸造技术
      一直以来发动机被认为是汽车的“心脏”,不仅因为发动机是汽车的动力装置,也由于发动机结构复杂,很难生产制造。开发汽车发动机生产工艺一直是企业追求的目标,掌握发动机生产技术就掌握了汽车制造技术。发动机和其他汽车重要零部件的生产工艺是铸造,因此铸造也是汽车制造业的重要生产工艺。目前,中国汽车生产企业基本没有发动机生产的自主知识产权,研究铸造技术对我国汽车制造发展具有重要的战略意义。
      (1)低压铸造 低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔,以形成铸件的一种方法。低压铸造的独特优点主要为:液体金属充型比较平稳,铸件成形性好,有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件,对于大型薄壁铸件的成形尤其有利,铸件组织致密,力学性能高。目前,低压铸造在汽车铝材轮毂生产中应用普遍。低压铸造还应进一步开发汽车大型复杂结构件的技术,提高熔体充填能力,采用高精度的砂芯和加速铸件冷却等方面的研究,以提高铸件结构复杂性、铸件质量和生产效率[5]。
      (2)压铸 压铸是使液态金属在高压作用下,以极高的速度充填模具型腔,并在压力作用下冷却凝固而获得铸件的一种成形工艺。该工艺的显著特点是能生产出高质量、复杂化的薄壁铸件。由于金属液以高速喷射状态充填型腔,型腔中的大部分气体来不及排出而不可避免地卷入到金属液中,并以气孔形式存留于铸件内,所以普通压铸件不能进行热处理和焊接,导致压铸件的力学性能得不到进一步的提高,限制了压铸件在重要或大型复杂的受力部件上的应用。消除铸件气孔、疏松等缺陷,获得高致密度产品,生产高强度、高延性压铸件,已成为现代轻合金压铸发展中急需解决的问题。长期以来,人们为拓宽压铸件的应用范围,提高压铸件的力学性能,研发了一些新的特殊压铸方法,比如高真空压铸。采用高真空压铸、局部加压、层流充填等措施防止金属型腔内卷入空气,能获得可进行热处理的高品质铸件。传统压铸正向着生产高强度、高韧性、高生产率及高品质压铸件的方向发展。
目前,压铸技术的主要发展趋势是大型压铸件和承力铸件生产,压铸生产自动化,以及开发各种新型合金,通过热处理手段,大幅提高材质特性和铸件可靠性,从而拓展压铸件的应用空间。压铸技术今后的研究方向主要为:①压铸自动化:发展各种检测自动化、做到自动化生产。②分型剂研究:分型剂的合理选取,利于压铸技术的应用。③缺陷原因研究:对于压铸生产,缺陷的产生需要科学地揭示其产生机理,降低成品的废品率[6-7]。
      (3)挤压铸造 挤压铸造是将液态和固态金属成形原理有机结合起来,使液态金属能够低速充型,最终获得致密的可热处理的铸件。挤压铸件的主要特点是尺寸精度高、无内部缩孔和气孔,力学性能与模锻件接近,生产效率与压铸差不多。挤压铸造技术在汽车上的应用主要是生产制动钳、转向节和复合材料活塞等。挤压铸造主要优点为:①挤压铸造可获得致密组织和高力学性能零件,生产高质量铸件,可取代锻件。②挤压铸造工艺被认为是一种理想的生产铝、镁基复合材料的工艺。③挤压铸造适于高强度、高韧性或高耐压性能的厚壁铸件,适用生产汽车安全性要求很高的零部件[8]。
      (4)金属型铸造 金属型铸造又称硬模铸造,它是将液体金属浇入金属铸型,以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成,可以反复使用多次。金属铸造与砂型铸造比较有许多优点:①金属型生产的铸件,其力学性能比砂型铸件高,同样合金,其抗拉强度和屈服强度平均可提高约20%,其抗蚀性能和硬度亦显著提高;②铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高,而且质量和尺寸稳定;③铸件消耗液体金属量少,一般可节约15%~30%材料。金属型铸造目前所能生产的铸件,在重量和形状方面还有一定的限制,如铸件的重量不可太大,壁厚也有限制,较小的铸件壁厚无法铸出。另外,金属型模制造成本高和金属型不透气等缺陷也影响其应用范围。因此,金属型铸造的主要发展方向为:①大型铝合金整体结构铸件的生产技术的研发。②模具温度精确控制技术[7]。
      (5)半固态铸造 自美国麻省理工学院的Spencer等首次提出金属半固态成形概念30年时间内,半固态铸造成形技术以其高效、节能、近净形生产以及成形件高性能等诸多优点,得到了人们的广泛关注。由于这种加工方法既能降低成本,同时还可以提高铸件质量,在一些工业发达国家已开始应用于汽车制造业,并显示出更为广阔的应用前景。目前半固态造研究主要集中在半固态合金制备、半固态合金的枝晶演变机理、半固态合金的流变行为、触变行为和半固态合金充型过程数值模拟等。与常规铸造技术相比,半固态铸造技术具有独特的优势,为推广这一新技术在我国铸造生产中的应用,今后应加强以下几方面的研究:①半固态坯料制备技术,包括制备工艺和设备的研究,重点解决成形过程温度及固相分离等控制问题。②基础理论的研究工作,重点是半固态金属流变性能的理论研究,为半固态铸造工艺的正确设计和优化提供理论依据。③加强半固态铸造中计算机应用研究,包括半固态铸造充型过程数值模拟,产品的质量预报,实际生产过程的自动化控制等[9]。

1.2.2表面涂层技术
      表面涂层是利用现代技术在零件的表层加入新的物质,从而有效改变材料的表面特性,使材料表面获得最优的综合性能,扩大材料的应用范围。表面涂层技术有利于开发新的铝、镁合金材料,使铝、镁材料能代替更多的钢铁材料,更利于汽车的轻量化发展。
      (1)埋覆扩散法 用一种物质将铝、镁合金表面覆盖,并在惰性气氛和一定的温度下保温进行热处理,然后在炉内冷却,在铝、镁合金表面形成一定厚度的中间过渡层。中间过渡层具有很好的综合性能,能有效改变铝、镁合金材料的力学性能。但是扩散温度过高会影响涂层结构的致密性,扩散时间也不容易掌握,因此这些方面是埋覆扩散法需要研究的重点方向[10]。
      (2)火焰喷涂热扩散法 该方法是通过火焰热喷涂技术,在不同的温度下进行热扩散,使Mg、Al原子的界面发生扩散,以获得致密、均匀且与基体结合良好的涂层。火焰喷涂热扩散法和自动化控制的结合是目前需要研究的重点[10-11]。
      (3)高能束熔覆涂层 高能束处理技术是近十几年发展起来的一种表面处理方法,即利用激光、电子束等高能束对金属表面进行处理。近年来研究人员开始将此类技术应用在铝、镁材料的涂层制备上,目前已经取得了一定的进展。采用高能束熔覆可得到高性能表面,但是涂层结合强度难以控制,特别在进行多层熔覆时,裂纹和应力集中也很难控制,因此关于这方面的研究对高能束熔覆涂层技术推广有着重要的意义[11]。

2 铝、镁合金材料在汽车上的应用前景
      全球汽车工业和铝、镁合金工业都在积极努力开发新型铝、镁合金。新型铝、镁合金将能够满足汽车非结构件和结构件的性能和使用要求,具有耐高温、抗蠕变和抗腐蚀性能。世界上已经有几家公司引入新型抗蠕变铝、镁合金生产技术,可以使用特殊抗腐蚀冷却液生产汽车发动机。全球汽车使用铝、镁合金的未来前景一片光明,铝、镁合金在汽车非结构件上的应用已经被世界上大多数汽车生产企业认可,并且在逐渐扩大市场份额,将来能取代汽车上更多的钢铁材料的零部件。以后的重点是开发铝、镁合金在汽车结构件方面的应用,特别是在车体主要部件方面的应用。研究开发新型铝、镁合金用于汽车结构件是关键,比如用于汽车悬挂、动力等部件。我们有理由相信,未来每辆汽车用铝、镁合金量达到汽车总重80%~85%是可能的,铝、镁合金材料全车在路行驶将不再遥远。

3 结束语
      目前,汽车工业正面临来自能源、环境等方面的压力,以及汽车业内日趋激烈的市场竞争,以轻质材料逐渐代替钢铁材料用于制造高性能、复杂的动力结构零部件是汽车轻量化的必然趋势。汽车工业对铝、镁合金零部件的需求绝非简单的低水平的数量增加,而是对品质更高要求的延伸,即汽车铝、镁合金零部件向着高性能、高气密性、形状复杂化、薄壁化、精密化、技术复合化、高生产率和低成本等方向发展。为了发展我国落后的汽车工业,在国际上树立自己的汽车品牌,中国铝、镁合金材料制造业需从技术、资源角度进行全面的整合,提升铝、镁合金生产技术水平,扩大市场规模,以适应21世纪高新技术产业的发展要求。

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