变形铝合金在汽车轻量化中的应用和挑战分析.pdf

世界有色金属2023年8月上172变形铝合金在汽车轻量化中的应用和挑战分析孙文超，王明坤（山东兖矿轻合金有限公司，山东 邹城 2 7 3 5 0 0）摘 要：汽车作为人们日常出行的主要交通工具，在为人们提供出行便利的同时，也消耗了大量资源，并给环境带来了污染。在节能减排的趋势下，汽车轻量化成为了汽车领域发展的重要方向，以降低能量消耗，减少对环境的污染。变形铝合金的应用促使汽车轻量化并保证了汽车的使用性能，使其能够稳定发展。本文分析了变形铝合金在汽车轻量化中的具体应用及面临的挑战，并供参考。关键词：变形铝合金；汽车轻量化；环境；节能降耗中图分类号：U4 6 5.2 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 5-0 1 7 2-3Application and challenge analysis of wrought aluminum alloy in automobile lightweightSUNWen-chao,WANGMing-kun(S h a n g d o n g Y a n k u a n g L i g h t A l l o y C o.L t d,Z o u c h e n g 2 7 3 5 0 0,C h i n a)Abstract:A s t h e ma i n me a n s o f t r a n s p o r t a t i o n f o r d a i l y t r a v e l,a u t o mo b i l e s n o t o n l y f a c i l i t a t e p e o p l e s d a i l y t r a v e l,b u t a l s o l e a d t o a l a r g e c o n s u mp t i o n o f r e s o u r c e s,a n d a l s o c a u s e s o me p o l l u t i o n t o t h e e n v i r o n me n t.I n t h i s r e g a r d,u n d e r t h e t r e n d o f e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d e mi s s i o n r e d u c t i o n,v e h i c l e l i g h t w e i g h t h a s g r a d u a l l y b e c o me a n i mp o r t a n t d i r e c t i o n o f d e v e l o p me n t i n t h e a u t o mo t i v e f i e l d,s o a s t o r e d u c e e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d r e d u c e e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n.I n a d d i t i o n,w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f w r o u g h t a l u mi n u m a l l o y,n o t o n l y c a n t h e v e h i c l e b e l i g h t w e i g h t,b u t a l s o t h e p e r f o r ma n c e o f t h e v e h i c l e c a n b e g u a r a n t e e d t o p r o mo t e t h e l o n g-t e r m s t a b l e d e v e l o p me n t o f t h e v e h i c l e.B a s e d o n t h i s,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e s p e c i f i c a p p l i c a t i o n o f w r o u g h t a l u mi n u m a l l o y i n a u t o mo b i l e l i g h t w e i g h t a n d t h e c h a l l e n g e s i t f a c e s f o r r e f e r e n c e.Keywords:w r o u g h t a l u mi n u m a l l o y;A u t o mo b i l e l i g h t w e i g h t;e n v i r o n me n t E n e r g y s a v i n g a n d c o n s u mp t i o n r e d u c t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：孙文超，男，生于1 9 8 7 年，汉族，山东平度人，本科，工程师，研究方向：铝合金材料加工。在我国推动节能减排的理念下，汽车领域逐渐对行业进行了整顿，提出了轻量化发展的趋势，并将变形铝合金应用其中，以减少能源消耗，避免对环境造成较大影响。然而，变形铝合金在汽车轻量化应用中也面临着挑战，只有正视这些挑战并不断解决，才能有更好的发展。1 变形铝合金分析通过了解变形铝合金的概述和应用优势，可以更好地将其应用于汽车轻量化，并了解其应用中的挑战，以便更好地解决和完善1。1.1 概述变形铝合金主要通过冲压、弯曲、扎、挤压等工艺进行组合，具有较高的稳定性、强度和塑性等特点，在成分和内部结构上相对均匀和紧密。它在许多行业都有广泛的应用，尤其是在汽车领域的汽车轻量化方面。同时，变形铝合金主要分为不可热处理和可热处理两类，不可热处理变形铝合金主要有AL-Si系合金和纯铝系合金，可热处理变形铝合金主要有AL-Mg-Si系合金和AL-Cu系合金等。此外，变形铝合金目前广泛应用于汽车构件，如车门、发动机罩、热交换器、保险杠、座椅、行李箱和保护罩等。利用变形铝合金可以有效降低能耗，实现良好的节能效果。1.2 应用优势由于变形铝合金具有高强度、良好的焊接性和耐腐蚀性，并且易于回收利用，因此在汽车轻量化发展中拥有良好的应用前景2。下面将对变形铝合金在汽车轻量化中的应用优势进行分析和阐述。1.2.1 易回收变形铝合金的整体车身所需的焊接工艺相对较少，导致焊点较少，加工工序缩短，通常无需防锈处理，从而有效提高装配效率。同时，由于变形铝合金的熔点较低，在使用过程中腐蚀效率相对较低，且腐蚀程度较轻，便于后期回收利用，降低了材料消耗。1.2.2 提升汽车安全性能变形铝合金在汽车轻量化中能有效降低汽车自身重量，但一般不会影响汽车的容量，同时使汽车重心降低。因此，在行驶过程中，汽车的安全性和稳定性得到显著提升。此外，当汽车受到碰撞时产生能量，变形铝合金可以完全吸收此能量，并使汽车在碰撞后产生褶皱，最小程度地降低损伤程度，最大限度地保障乘车人员安全3。此外，变形铝合金还能适当降低汽车动力传动系统负荷，改善行车性能，以满足人们的出行需求。2023年8月上 世界有色金属 1732 变形铝合金在汽车轻量化中的应用为了在不影响汽车性能的情况下降低能源消耗，汽车轻量化逐渐将变形铝合金应用其中。具体应用包括铸造成形技术、半固态成形技术以及车身、底盘、发动机、轮毂等方面的制作。下面详细介绍如下。2.1 铸造成形技术铸造成形技术是变形铝合金在汽车轻量化应用中一项关键性技术形式，并且在汽车轻量化制作的时候，80%都是以该技术形式为主，主要分为精密铸造、重力铸造、低压铸造、压力铸造、挤压铸造等方面4。然而，低压铸造不仅制作效果相对较好，其应用频率也相对较高，主要是因为低压铸造技术在汽车轻量化制作的时候，废品率相对较低，制作的成品质量较高，尺寸参数准确度也较高，所以广泛适用于变形铝合金构件的制作，例如：汽车发动机缸盖、轮毂等方面。另外，挤压烛铸造技术属于新型的技术形式，一般是不需要进行切削加工的，即使需要进行切削，其加工量也相对较少，并且挤压铸造技术在汽车轻量化应用的时候，不仅轮廓相对较为清晰，内部结构也相对较为紧密，汽车门框装饰条、汽车保险杠通常是以该项技术为主，在保证制作质量的情况下，提升汽车的美观性。2.2 半固态成形技术作为一种新型的技术形式，半固态成形技术制作的零件与理想的变形铝合金构件非常接近。该技术在应用时需要经过固态和液态两个阶段，并且当变形铝合金处于半熔形态时，即介于这两种形态之间，填充物能够更平稳地填充并保持稳定性，确保良好的成形效果和高精度的构件。此外，该技术还能降低构件的凝固收缩程度，延长使用寿命5。总体而言，半固态成形技术在汽车轻量化中具有良好的应用前景。2.3 车身制作车身在汽车总重量中占据约30的比例，而燃油消耗约占70，因此在汽车轻量化制造过程中，车身方面至关重要。通过使用变形铝合金，可以有效实现轻量化目标4。以特斯拉为例，早在90年代就认识到了变形铝合金的优势，并通过持续研究和发展逐渐将其应用于车身制作，以降低汽车的重量。随着越来越多的汽车制造品牌利用变形铝合金进行车身制造，不仅可以实现轻量化，还能降低能耗。因此，变形铝合金可以有效降低车身重量，且不会对车辆使用产生任何影响。2.4 底盘制作其实，在汽车结构中，底盘是轻量化中难度相对较低的一个构件，可以很好的实现汽车轻量化目标。同时，随着汽车轻量化的发展，变形铝合金在底盘制造中，得到了良好的应用，以小鹏汽车为例，在汽车底盘制作的时候，以变形铝合金材料为主，自重得以下降，并且利用变形铝合金做做悬挂系统的部分构件，其自重可以继续降低，不仅缩减汽车制作成本，实现良好的经济效益，底盘的使用寿命也有所提升，原来底盘使用寿命的2倍6。总的来说，在汽车底盘在制作的时候，通过利用变形铝合金材料，不仅可以实现汽车轻量化的制作目标，可以不断优化底盘的使用性能，增强其使用寿命。2.5 发动机制作发动机是汽车运行的核心。稳定的发动机可以有效提升汽车的驾驶性能和舒适性。随着汽车轻量化的发展，许多汽车制造企业已经开始使用变形铝合金制作发动机的主要部件，包括油底壳、连杆、散热器和活塞等。在这些部件中，活塞对于变形铝合金的应用最为广泛。它不仅可以减轻活塞本身的重量，还可以适当减少曲轴的配重。此外，在制造轻量化活塞时，通过使用变形铝合金材料，它的导热性和膨胀性相对较低。在环境温度达到350时，它仍然可以保持良好的力学性能。当变形铝合金应用于其他发动机部件的轻量化制造时，可以有效降低震动频率和油耗，并减少汽车运行期间的噪音，从而降低对环境的影响。2.6 轮毂制造轮毂的轻量化制造可以有效减轻汽车的重量。将变形铝合金应用于轮毂的制造中，不仅可以降低轮毂的重量，还可以实现节能降耗的目标。同时，减轻轮毂自身重量1kg可以延长1L汽油的行驶距离约800m，从而降低油耗。此外，将变形铝合金应用于轮毂中可以增强抗腐蚀性和耐久性，减少环境对汽车的影响。3 变形铝合金在汽车轻量化中的应用挑战尽管变形铝合金在汽车轻量化制造方面得到了广泛应用和推广，但伴随着其发展也面临着许多应用挑战。主要体现在以下几个方面。3.1 材料参数积累不完善目前，随着汽车轻量化制造的不断推进，对变形铝合金的应用展开了研究。然而，对变形铝合金材料的相关知识还不够全面，加之变形铝合金的生产技术和加工技术还有待完善，导致变形铝合金数据库不够完善、系统性不高。尤其是变形铝合金部件的设计、结构计算、加工工艺和使用性能等方面仍有不足。同时，在汽车轻量化应用中，一些相关技术仍需改进，汽车轻量化的评估和测试方法也缺乏明确的标准和规范，面临着一定的挑战。3.2 连接技术汽车车身中多数工件的连接一般都是依靠焊接技术为主，然而变形铝合金的焊接技术难度相对较大，对此变形铝合金在汽车轻量化应用中，如何有效提升变形铝合金的使用性能，提升变形铝合金的焊接质量，成为应用中重点面临的世界有色金属2023年8月上174一项挑战。同时，随着汽车行业领域的发展，逐渐朝向多材料结构方向发展，这时在汽车轻量化制作的时候，就需要对不同种类的材料进行连接，可以利用冷金属过渡焊接以及激光焊接技术，实现不同种类变形铝合金的连接。但是，就目前情况来说，冷金属过渡技术应用范围相对较小，主要是因为金属过渡技术在进行变形铝合金焊接的时候，溶滴很容易与熔池相互接触，并且两者接触以后，就会产生短路，进而影响变形铝合金焊接的稳定性，其质量下降。另外，激光焊接技术在变形铝合金焊接的时候，焊缝内的气体不容易溢出，这样也会影响变形铝合金的焊接质量。再加上传统的焊接技术，无法满足不同种类变形铝合金的焊接要求，经常存在应力、界面硬脆相、电化学腐蚀等问题，这样严重影响了汽车的使用性能9。对此，变形铝合金在汽车轻量化制作中，就需要结合实际情况，不断探究和发现新的变形铝合金连接技术，这样才能提升变形铝合金的应用效果。3.3 涂装性能在未涂装之前，变形铝合金的性能与钢材基本相似。然而，在传统的磷化处理过程中，磷化液中含有的游离氟离子较少，无法对变形铝合金材料进行腐蚀，导致生成的磷化膜质量较差，无法满足汽车的使用需求。同时，通常情况下，涂装后的变形铝合金的腐蚀性和附着性与磷化膜的质量密切相关。而磷化膜质量较厚时，涂装后的耐水二次附着力会明显降低。由于变形铝合金的磷化膜质量较低，其腐蚀性能也会下降。根据相关研究表明，通过适当添加铜和镁元素可以有效提升变形铝合金的磷化膜质量，但添加后会导致变形铝合金的耐腐蚀性下降。因此，在面对不同种类的变形铝合金时，磷化膜的大小、质量、附着性、外观、硬度、光泽、耐水性、抗腐蚀性和抗冲击性等方面都可能有所区别。因此，我们需要进行全面的测试，分析测试参数是否满足轻量化汽车涂装性能的要求。如果不满足要求，就需要及时调整，避免对汽车的使用性能造成负面影响11。3.4 冲压成形技术汽车车身构件一般都采用成形技术，主要包括冲压成形技术等。然而，与钢材料相比，变形铝合金的冲压成形技术的成熟度还有待提高，并且存在许多问题需要解决。同时，与钢板相比，变形铝合金的塑性和延伸率较差，弹性模量也较低。因此，使用冲压成形技术时，由于倒角和间隙过小，导致金属流动困难，变形铝合金的受力情况不均匀，容易产生裂纹和起皱现象。此外，在成形后还会出现回弹现象，使得变形铝合金的精度与预期相比有较大偏差。与钢板材料相比，变形铝合金的氧化膜塑性较差，容易受到某些因素的影响而破碎，且在成形过程中无法有效润滑。因此，当应用变形铝合金进行汽车轻量化时，需要综合考虑成形后的各项性能，例如工艺参数、圆角大小、材料性能、压边力、摩擦系数、1吴兆辉.汽车轻量化及铝合金在现代汽车生产中的应用J.内燃机与配件,2022(23):106-108.2王 子 恺.新 材 料 在 汽 车 轻 量 化 技 术 中 的 应 用 J.汽 车 与 新 动力,2022,5(05):18-20.3赵显蒙,李长青,张庆霞,刘坤,孙淑伟.轻量化技术和材料在汽车工程中的应用J.机械工程师,2022(10):145-148+151.4黄娟,黄波,乔小兵,何铭雪,谢连庆,王学双.变形铝合金在汽车轻量化中的应用及挑战J.汽车工艺与材料,2022(09):15-18.5韦增磊.浅述铝合金零部件对汽车轻量化的影响J.中国设备工程,2022(06):139-141.6孙海洋.铝合金在现代汽车轻量化生产中的应用研究J.现代工业经济和信息化,2022,12(02):135-138.7钱余海,吴庆芳,雷浩.汽车轻量化材料及工艺的研究进展J.大众科技,2022,24(02):49-52.8刘 智 彬.新 材 料 在 汽 车 轻 量 化 技 术 中 的 运 用 探 讨 J.时 代 汽车,2021(12):15-16.9王浩,陈鹏,钟万泽.钢铝混合白车身在汽车轻量化中的应用及乘用车轻量化实例J.汽车实用技术,2021,46(06):80-82.10 王正科.铝合金在汽车轻量化中的应用J.时代汽车,2021(01):113-114.11 李光霁,刘新玲.汽车轻量化技术的研究现状综述J.材料科学与工艺,2020,28(05):47-61.12 陈文博,牛润泽,潘星,许帮柱,王晨,任冲.铝合金在汽车轻量化中的应用及重卡轻量化实例J.汽车实用技术,2020,45(16):49-51.13 焦登宁,王旭飞,谭飞,张重阳,王蒙.汽车铝合金材料的应用与发展J.山东工业技术,2020(06):5.润滑情况等，并结合现有情况不断研究和改进加工制造工艺，以解决和改善变形铝合金成形后出现的问题，提升其应用效果和品质13。4 结语综上所述，近年来环保和节能已逐渐成为重点发展趋势，避免对环境造成严重影响。因此，汽车轻量化成为汽车行业发展的重要举措。然而，变形铝合金作为汽车轻量化制造的核心材料，通过各种技术手段加强对其应力的调控，不断降低汽车自身重量，减少燃油消耗，缩减成本。另外，虽然在汽车轻量化应用方面，变形铝合金取得了良好效果，但仍存在一些应用技术挑战，如材料参数、连接技术、涂装性能和冲压成形技术等方面。因此，行业需要不断研究、创新和完善变形铝合金在汽车轻量化方面的应用，以提升其应用效果，实现节能降耗，避免对环境的影响。