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(jí)：學(xué)號(hào)：姓名： 鋁合金在現(xiàn)代汽車工業(yè)中的應(yīng)用 近20多年來(lái)，世界性能源問(wèn)題變得越來(lái)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(shì)下，減輕汽車自重以降低能耗、減少?gòu)U氣排放、提高效率，改成為各大汽車企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)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(jiàn)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(diǎn)，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(gè)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(guó)、日本、德國(guó)是汽車采用鋁合金最多的國(guó)家，如德國(guó)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(dòng)機(jī)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(yùn)輸高效的重要途徑之一。因此，研究開(kāi)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(yùn)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(kāi)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(chǎng)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(guó)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(guó)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(jī)械性能等各方面的要求和經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)氣缸體、離合器殼體、后橋殼、轉(zhuǎn)向器殼體、變速器、配氣機(jī)構(gòu)、機(jī)油泵、水泵、搖臂蓋、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)框架、制動(dòng)鉗、油缸及制動(dòng)盤等非發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(qiáng)，而鋁合金在這些方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)，因此各汽車制造廠紛紛進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)鋁材化的研制和開(kāi)發(fā)。目前國(guó)外很多汽車公司均已采用了全鋁制的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和氣缸蓋。如美國(guó)通用汽車公司已采用了全鋁氣缸套；法國(guó)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(dòng)機(jī)油底殼；克萊斯勒公司新V6發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)橘|(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(guò)去的10年，全球鋁合金汽車輪轂以7.6%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，根據(jù)分析，到2010年時(shí)，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(guó)的鑄造鋁合金輪轂都是此類合金生產(chǎn)的。我國(guó)西南鋁加工廠與日本輕金屬株式會(huì)合作開(kāi)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(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車輪的輪輻、輪轂罩、輪外飾罩、制動(dòng)器總成的保護(hù)罩、消聲罩、防抱死制動(dòng)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(duì)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(qiáng)度鋁合金開(kāi)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(qiáng)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(guó)通用汽車公司用7021鋁板制造Smure轎車保險(xiǎn)杠增強(qiáng)支架，福特公司用7021鋁板制造Lincoln Town轎車保險(xiǎn)杠增強(qiáng)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(dòng)器卡爪、動(dòng)力傳動(dòng)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(wú)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(huì)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(jī)轉(zhuǎn)子和葉片，使轉(zhuǎn)子重量減輕60%，整個(gè)壓縮機(jī)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(chǎng)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)材料，生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比彈性模量、耐熱性、耐磨性等大幅度提高，可用做發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如用粉末冶金法研制成功的Al2O3或SiC顆粒（晶須）增強(qiáng)的Al-Si系合金活塞，在保留Al-Si合金活塞優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可進(jìn)一步改善活塞的強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性和抗疲勞性能，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上；此外，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料還可用于制造車輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)數(shù)氣泡的多孔材料，這種材料的質(zhì)量更輕、強(qiáng)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(gè)高強(qiáng)度外板之間制成的三明治板材，在用于車身頂蓋板時(shí)，可提高剛度、輕量化并改善保溫性能，用在保險(xiǎn)杠、縱梁和一些支柱零件上時(shí)，可以增加撞擊吸能的能力，在輕量化的同時(shí)，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(guò)程中還有許多技術(shù)障礙，如缺少高溫壓鑄合金和設(shè)計(jì)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(jī)械強(qiáng)度，但制造工藝?yán)щy和制造成本昂貴，導(dǎo)致鈦合金無(wú)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(jī)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(lái)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(jiàn)，汽車輕量化是改善燃料經(jīng)濟(jì)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?yàn)槭箽怏w排放量貢獻(xiàn)顯著。 在2000年至2005年之間，汽車用鋁增長(zhǎng)37%，聚合物基復(fù)合材料增長(zhǎng)38%，汽車用鎂增長(zhǎng)150%，在汽車減重方面全球已經(jīng)有接近30個(gè)主要研究開(kāi)發(fā)計(jì)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(qiáng)度鋼強(qiáng)化車體結(jié)構(gòu)實(shí)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(qiáng)化車體結(jié)構(gòu)實(shí)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(guò)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(duì)新材料望而卻步。這類材料局限用于高性能和高價(jià)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(jì)劃中都沒(méi)有考慮到材料的回收，沒(méi)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(qiáng)化汽車和鋼結(jié)構(gòu)汽車相比僅僅能超過(guò)2萬(wàn)千米之后才能節(jié)省能源，而再生鋁強(qiáng)化汽車從汽車投入使用時(shí)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(guò)水電或者核電作為電力資源。 4.2 開(kāi)環(huán)or閉環(huán) 廢鋁回收可以是開(kāi)環(huán)（ Open Loop）也可以是閉環(huán)（Closed Loop）。開(kāi)環(huán)是指一個(gè)廢料回收進(jìn)入一個(gè)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(lái)生產(chǎn)一樣的產(chǎn)品或者材料性能沒(méi)有發(fā)生改變。目前，報(bào)廢車輛的回收是開(kāi)環(huán)，因?yàn)閳?bào)廢車輛包括一些有限的拆卸，危險(xiǎn)材料的去除，通過(guò)機(jī)械破碎來(lái)生產(chǎn)混合廢料，然后采用空氣分級(jí)來(lái)去除汽車破碎殘?jiān)欧ǚ蛛x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(jī)械破除僅僅用時(shí)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(bào)廢車輛材料的閉環(huán)回收，對(duì)于鋁主要問(wèn)題是最終回收廢料是同時(shí)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(lái)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(jià)格最貴的部件。盡管對(duì)于材料回收的社會(huì)態(tài)度正在發(fā)生改變，從一個(gè)國(guó)家和全球來(lái)看，報(bào)廢車輛的潛在積聚正在持續(xù)增大，已有預(yù)測(cè)，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(bào)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(bào)廢車輛來(lái)回收材料。盡量要求為便于拆卸來(lái)設(shè)計(jì)汽車，要求按公共政策來(lái)做出重大改變，如何用符合法規(guī)的方法來(lái)處置報(bào)廢汽車。簡(jiǎn)單的說(shuō)，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(lái)解決這一重要的低碳材料在將來(lái)汽車制造中的使用問(wèn)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(guó)一家鋁強(qiáng)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(gè)TSB支持項(xiàng)目， Realcar (再生鋁汽車）目標(biāo)是采用75%的再生鋁來(lái)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(fèi)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(lái)提高雜質(zhì)公差。目前損失在回填土地的廢鋁罐4.5萬(wàn)噸，用于二次鑄造合金所用或成為混合廢料1.5萬(wàn)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(zhǎng)的時(shí)期來(lái)看，汽