鋁合金在現(xiàn)代汽車工業(yè)中的應(yīng)用.doc

鋁合金在現(xiàn)代汽車工業(yè)中的應(yīng)用班級：學(xué)號：姓名： 鋁合金在現(xiàn)代汽車工業(yè)中的應(yīng)用 近20多年來，世界性能源問題變得越來越嚴(yán)重，在世界汽車工業(yè)日益重視節(jié)能、環(huán)保的迫切形勢下，減輕汽車自重以降低能耗、減少廢氣排放、提高效率，改成為各大汽車企業(yè)提高競爭力的重要方向。有數(shù)據(jù)表明：，汽車質(zhì)量每減輕1%，可節(jié)省燃料消耗0.6%到1%。轎車每降100kg重量，100km可減少汽油消耗0.48L。汽車白車身約占汽車總重的30%，在汽車內(nèi)外板上用鋁合金板代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的鋼板可使白車身減重約40%-50%；如采用鋁合金覆蓋件可使整車減重10%-15%，可見采用鋁合金車身板的減重效果十分顯著。鋁具有密度小、耐蝕性好等特點，且鋁合金的塑性優(yōu)良，鑄、鍛、沖壓工藝均適用，最適合汽車零部件生產(chǎn)的壓鑄工藝。從生產(chǎn)成本、零件質(zhì)量、材料利用等幾個方面比較，鋁合金已成為汽車生產(chǎn)不可缺少的重要材料。目前，美國、日本、德國是汽車采用鋁合金最多的國家，如德國大眾AudiA8、A2，日本的NXS等車身用鋁合金量達(dá)80%。有資料表明，用鋁合金結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，可使汽車質(zhì)量減輕30%40%，制造發(fā)動機可減輕30%，制造車輪可減輕50%。采用鋁合金是汽車輕量化及環(huán)保、節(jié)能、提速和運輸高效的重要途徑之一。因此，研究開發(fā)鋁合金汽車目前顯得十分必要。 1 鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用背景最早把鋁材運用到汽車上的是印度人，據(jù)記載，1896年印度人率先用鋁制做了汽車曲軸箱。進(jìn)入20世紀(jì)早期，鋁在制造豪華汽車和賽車上有一定的應(yīng)用，鋁制車身的汽車開始出現(xiàn)，如亨利福特的Model T型汽車和二、三十年代歐洲賽車場上法拉利360賽車都是鋁制車身。汽車用鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多，占80%以上，其中又分為重力鑄造件，低壓鑄造件和其它特種鑄造零件。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材、鍛件等。世界各國工業(yè)用鋁合金材料的品種構(gòu)成雖然有一定的差異，但大體是相同的。其品種構(gòu)成：鑄件占80%左右，鍛件占1%3%，其余為加工材。美國汽車工業(yè)中變形鋁合金占較大比例，達(dá)36%。1.1 鑄造鋁合金的應(yīng)用鑄造鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性能?？筛鶕?jù)使用目的、零件形狀、尺寸精度、數(shù)量、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、機械性能等各方面的要求和經(jīng)濟效益選擇適宜的合金和合適的鑄造方法。鑄造鋁合金主要用于鑄造發(fā)動機氣缸體、離合器殼體、后橋殼、轉(zhuǎn)向器殼體、變速器、配氣機構(gòu)、機油泵、水泵、搖臂蓋、車輪、發(fā)動機框架、制動鉗、油缸及制動盤等非發(fā)動機構(gòu)件。1.1.1 發(fā)動機用鋁合金汽車發(fā)動機用鋁合金制造輕量化最為明顯，一般可減重30%以上，另外，發(fā)動機的氣缸體和缸蓋均要求材料的導(dǎo)熱性能好、抗腐蝕能力強，而鋁合金在這些方面具有非常突出的優(yōu)勢，因此各汽車制造廠紛紛進(jìn)行發(fā)動機鋁材化的研制和開發(fā)。目前國外很多汽車公司均已采用了全鋁制的發(fā)動機氣缸體和氣缸蓋。如美國通用汽車公司已采用了全鋁氣缸套；法國汽車公司鋁氣缸套已達(dá)100%，鋁氣缸體達(dá)45%；日本日產(chǎn)公司VQ和豐田公司的凌志IMZ-FEV6均采用了鑄鋁發(fā)動機油底殼；克萊斯勒公司新V6發(fā)動機氣缸體和缸蓋都使用了鋁合金材料。1.1.2 輪轂用鋁合金鋁輪轂因為質(zhì)輕、散熱性好，并具有良好的外觀，而逐漸取代了鋼輪轂。在過去的10年，全球鋁合金汽車輪轂以7.6%的年增長率增長，根據(jù)分析，到2010年時，汽車輪轂鋁化率可達(dá)72%78%4。A365是一種鑄造鋁合金，它具有良好的鑄造性能又具有高的綜合力學(xué)性能，世界各國的鑄造鋁合金輪轂都是此類合金生產(chǎn)的。我國西南鋁加工廠與日本輕金屬株式會合作開發(fā)了A6061鋁合金輪轂5。1.2 變形鋁合金的應(yīng)用 變形鋁合金在汽車上主要用于制造車門、行李箱等車身面板、保險杠、發(fā)動機罩、車輪的輪輻、輪轂罩、輪外飾罩、制動器總成的保護(hù)罩、消聲罩、防抱死制動系統(tǒng)、熱交換器、車身構(gòu)架、座位、車箱底板等結(jié)構(gòu)件以及儀表板等裝飾件。1.2.1 車身板件用鋁合金 板材在轎車上的應(yīng)用比重不斷上升，如經(jīng)熱處理（如：T4、T6、T8）的6000系（AI-Mg-Si系）鋁合金板材，能夠很好的滿足汽車對殼體的要求，可用做車身框架材料。Audi A8的車身鈑金件，即采用了本系合金鋁材。另外，2000系（AI-Cu-Mg系）、5000系（AI-Mg系）和7000系（AI-Mg-Zn-Cu系）鋁合金也可應(yīng)用于車身材料。近幾年，采用6000系和7000系高強度鋁合金開發(fā)了“口”、“日”、“目”、“田”字形狀的薄板和中空型材，不僅質(zhì)量輕、強度高、抗裂性能好，而且成型性能好，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。1.2.2 其它鋁合金結(jié)構(gòu)件 鋁合金也被廣泛應(yīng)用于汽車的其他部位，如：美國通用汽車公司用7021鋁板制造Smure轎車保險杠增強支架，福特公司用7021鋁板制造Lincoln Town轎車保險杠增強支架7。汽車懸掛件也應(yīng)用了鋁合金材料，有效減輕了相應(yīng)零部件的質(zhì)量，提高了汽車行駛的平順性、穩(wěn)定性，如用6061鍛件生產(chǎn)的盤式制動器卡爪、動力傳動框架等。此外，鋁合金也廣泛用于汽車空調(diào)系統(tǒng)，如日本用6595鋁合金做汽車散熱器和冰箱散熱器。2 新型鋁合金在汽車上的應(yīng)用2.1 快速凝固鋁合金快速凝固條件下（冷速達(dá)104109/S）,材料將引起一些組織結(jié)構(gòu)上的新特征：超細(xì)化的微觀組織；提高合金的固溶度極限；成分的高度均勻、少偏析或無偏析；形成新的亞穩(wěn)相等?；谶@些特征，快速凝固鋁合金必然會在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。Sumitomo電器公司利用快速凝固PM AI-Si-X高硅鋁合金代替燒結(jié)鋼，大批量制造汽車空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)子和葉片，使轉(zhuǎn)子重量減輕60%，整個壓縮機重量減輕40%；雅馬哈汽車制造公司生產(chǎn)的快速凝固高硅鋁合金活塞也投入市場，這種活塞與普通鑄鐵相比，重量減輕了20%，壽命提高了30%，而且顯著降低了噪音，減少污染；馬自達(dá)汽車公司利用噴射沉積Al-Si-Fe-Cu-Mg合金制造了一種新型發(fā)動機轉(zhuǎn)子，提高了發(fā)動機效率，能節(jié)油20%。2.2 鋁基復(fù)合材料以陶瓷纖維、晶須、微粒等為增強材料，生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料，其比強度、比彈性模量、耐熱性、耐磨性等大幅度提高，可用做發(fā)動機零件，如用粉末冶金法研制成功的Al2O3或SiC顆粒（晶須）增強的Al-Si系合金活塞，在保留Al-Si合金活塞優(yōu)點的同時，可進(jìn)一步改善活塞的強度、耐磨性、耐熱性和抗疲勞性能，用于汽車發(fā)動機上；此外，顆粒增強鋁基復(fù)合材料還可用于制造車輛發(fā)動機的汽缸體、活塞和連桿等部件。2.3 泡沫鋁合金泡沫鋁合金是一種在金屬基體中分布有無數(shù)氣泡的多孔材料，這種材料的質(zhì)量更輕、強重比更高，并具有高的吸能特性、高的阻尼特性和吸振特性。將泡沫鋁填充于兩個高強度外板之間制成的三明治板材，在用于車身頂蓋板時，可提高剛度、輕量化并改善保溫性能，用在保險杠、縱梁和一些支柱零件上時，可以增加撞擊吸能的能力，在輕量化的同時，提高了撞擊安全性。3 鋁合金在汽車上的發(fā)展前景在輕量化金屬中，鎂合金密度雖比鋁合金小，但鎂錠成本較高，且零件制造過程中還有許多技術(shù)障礙，如缺少高溫壓鑄合金和設(shè)計數(shù)據(jù)，表面處理技術(shù)粗劣，結(jié)合水平低等，所以目前在汽車上的使用量相當(dāng)有限；而航空航天用的鈦合金雖有高的機械強度，但制造工藝?yán)щy和制造成本昂貴，導(dǎo)致鈦合金無法大批量的應(yīng)用于汽車生產(chǎn)。鋁合金在成本、制造技術(shù)、機械性能、可持續(xù)發(fā)展（地殼中鋁含量最多，占8.1%）等方面綜合性能好，因此鋁合金是現(xiàn)在及將來汽車工業(yè)中的首選輕金屬材料。4 再生鋁板在汽車工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 4.1 汽車減重 顯而易見，汽車輕量化是改善燃料經(jīng)濟性和減少二氧化碳排放的最有效途徑。汽車每行駛1千米的二氧化碳排放量和汽車控制重量呈線性關(guān)系，研究表明，汽車重量每減輕10%，可以提高燃料利用率的6%8%。汽車輕量化為減輕全球為使氣體排放量貢獻(xiàn)顯著。 在2000年至2005年之間，汽車用鋁增長37%，聚合物基復(fù)合材料增長38%，汽車用鎂增長150%，在汽車減重方面全球已經(jīng)有接近30個主要研究開發(fā)計劃。和鋼結(jié)構(gòu)相比，由汽車鋼合作伙伴關(guān)系組織提供的高強度鋼強化車體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)重量減輕20%30%。在JAQUAR XJ車型，奧迪A8和A2車型上采用鋁強化車體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)汽車重量減輕30%40%，采用多種材料車體結(jié)構(gòu)汽車減輕重量為42%，超過鋁37%，鎂30%和聚合物基材復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)21%。然而與鋼鐵相比，采用先進(jìn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料使汽車制造成本不斷增加，這就使汽車制造商對新材料望而卻步。這類材料局限用于高性能和高價汽車使用，而投入較少，進(jìn)入到大批量生產(chǎn)的汽車卻很難普及。幾乎全球所有低碳汽車（LCV）計劃中都沒有考慮到材料的回收，沒有在從原材料制造的汽車使用階段集中關(guān)注二氧化碳排放。 原始結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)所需能源總要比二次再加工（回收）材料生產(chǎn)所需的能源多得多。例如，采用原鋁加工路線的每千克鋁平均釋放9.7Kg二氧化碳，而1Kg再生鋁僅排放0.6Kg二氧化碳，詳細(xì)的生命周期分析已表明：原鋁強化汽車和鋼結(jié)構(gòu)汽車相比僅僅能超過2萬千米之后才能節(jié)省能源，而再生鋁強化汽車從汽車投入使用時就能節(jié)省能源。還有非常重要的是原鋁的碳排放負(fù)擔(dān)取決于冶煉所用的電力資源，可以通過水電或者核電作為電力資源。 4.2 開環(huán)or閉環(huán) 廢鋁回收可以是開環(huán)（ Open Loop）也可以是閉環(huán)（Closed Loop）。開環(huán)是指一個廢料回收進(jìn)入一個新產(chǎn)品或材料內(nèi)在性能發(fā)生改變的系統(tǒng)，閉環(huán)回收適合于回收的產(chǎn)品用來生產(chǎn)一樣的產(chǎn)品或者材料性能沒有發(fā)生改變。目前，報廢車輛的回收是開環(huán)，因為報廢車輛包括一些有限的拆卸，危險材料的去除，通過機械破碎來生產(chǎn)混合廢料，然后采用空氣分級來去除汽車破碎殘渣，磁法分離鋼，渦流分離去除有色金屬，也可采用浮選法分離有色金屬。 汽車的機械破除僅僅用時15秒，但是材料損耗高，通常降低了回收材料的質(zhì)量。破碎從本質(zhì)上限制了報廢車輛材料的閉環(huán)回收，對于鋁主要問題是最終回收廢料是同時混雜有可鍛鋁合金和鑄造鋁合金的混合物，這只適合加工二次鑄造鋁合金，而不適合用來加工汽車結(jié)構(gòu)件。 目前，汽車所用全部鑄造結(jié)構(gòu)件都采用原鋁為材料，是汽車鋁結(jié)構(gòu)件中價格最貴的部件。盡管對于材料回收的社會態(tài)度正在發(fā)生改變，從一個國家和全球來看，報廢車輛的潛在積聚正在持續(xù)增大，已有預(yù)測，到2030年全球汽車數(shù)量將達(dá)到150億輛，在2007年到2030年之間汽車報廢產(chǎn)生的廢料將達(dá)36.5億噸。重要的是采用了控制拆卸而不是破碎從報廢車輛來回收材料。盡量要求為便于拆卸來設(shè)計汽車，要求按公共政策來做出重大改變，如何用符合法規(guī)的方法來處置報廢汽車。簡單的說，汽車制造商或者汽車破碎廠應(yīng)當(dāng)逐步進(jìn)入拆解廠行列，以此來解決這一重要的低碳材料在將來汽車制造中的使用問題。 4.3 飲料罐 世界上每年都有大量的廢鋁罐，Jaguar land Rover (JLR)車型是英國一家鋁強化汽車制造商生產(chǎn)的車型，汽車結(jié)構(gòu)件有60%采用AA5754鋁合金板，這一合金可以采用回收廢料生產(chǎn)。Jaguar land Rover (JLR)車型是引領(lǐng)一個TSB支持項目， Realcar (再生鋁汽車）目標(biāo)是采用75%的再生鋁來生產(chǎn)AA5754鋁合金板（再生鋁的構(gòu)成是50%的工藝廢料和25%后消費廢料）。Jaguar land Rover 車型正考慮用以合金制造商的鋁廢料用以制造汽車的可能性，采用連續(xù)鑄造來提高雜質(zhì)公差。目前損失在回填土地的廢鋁罐4.5萬噸，用于二次鑄造合金所用或成為混合廢料1.5萬噸。出口的廢鋁罐則是AA5754鋁合金板材生產(chǎn)的高質(zhì)量合金化廢料的重要原料。從較長的時期來看，汽