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铝合金型材在汽车轻量化中的应用

盖世汽车新材料2018-12-05 16:20:25

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随着全球汽车保有量的不断攀升,环境污染的日益严重,汽车轻量化所能带来的节能降耗效果已经日益深入人心,而铝合金材料在汽车轻量化中的应用也日益广泛,已经逐渐被行业内公认为汽车轻量化最有前途的金属材料,被誉为希望金属材料。尤其是铝合金型材,由于开发周期短,模具费用低,结构可以任意变化,从而越来越受到汽车行业的重视,应用也越来越广泛。

汽车轻量化的意义和途径

近年我国汽车产销突破2300万辆创历史新高,再次刷新全球记录,已连续六年蝉联全球第一。其中,乘用车产销1991.98万辆和1970.06万辆,同比增长10.15%和9.89%;商用车产销380.31万辆和379.13万辆,同比下降5.69%和6.53%。


汽车保有量的持续攀升,不仅给能源带来危机,同时传统汽车排放的尾气给环境带来了巨大的危害。去年及今年,全国大面积持续长时间被雾霾笼罩,空气质量已经达到了严重污染程度,如何控制和降低汽车尾气排放带来的污染也是亟需解决的一大课题。


二氧化碳排放量的25%来自于汽车排放,因此,汽车节能减排对整个社会的节能减排有重要的意义。


汽车工业发展、汽车产量增多、汽车保有量的加大带来了三大问题:油耗、环保和安全,针对这三大问题,各国都制定了相应的法规,以使人们更加关注汽车轻量化。


据统计,车重每减少100公斤,二氧化碳排放可减少约5克/公里,可见,汽车轻量化对节能降耗有着非常重要的意义。


当前,由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。


就重量而言,金属材料零部件占汽车整个零部件的85%以上,因此,如何使金属零部件轻量化成了汽车轻量化的关键,也就是说,金属材料零部件轻量化是实现汽车工业现代化最可靠的途径。


铝合金型材的优势

铝合金型材具有一系列优良特性,诸如密度小,比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色,良好的加工成型性以及高的回收再生性等,因此,在工程领域内,铝一直被认为是“机会金属”或“希望金属”,铝工业一直被认为是“朝阳工业”。


铝合金型材大量用于汽车工业,无论从汽车制造、汽车运营、废旧汽车回收等方面考虑,它都带来巨大的经济效益和社会效益,而且随着汽车产量和社会保有量的增加,这种效益将更加明显。


汽车用铝合金型材用量增加后所带来的效益主要体现在以下几方面:


(1)促进汽车轻量化,节能降耗,有利环保。通常使用1kg铝合金型材,汽车自重可以下降2.25kg。


对于1300kg重的轿车,若其重量下降10%,其燃料消耗可降低6%-8%。在一般情况下,每减轻1kg车重,1L汽油可使汽车多行驶0.11km,或者说每行驶100km,就可节省0.7kg汽油。


(2)可回收再利用,进一步节约能源,铝合金型材零部件,便于重熔回收,目前的回收率不低于85%。再生铝合金的能耗只有电解铝的3%-5%,因此可节约大量的能源。


(3)增加抗蚀性,延长使用寿命


铝合金型材在常温自然条件下,表面就可生成一层致密的氧化膜,此氧化膜可阻止铝合金基体进一步和空气当中的氧气发生反应,因而经表面处理的铝型材材其耐蚀性、耐氧化性能大大高于钢铁材料。


(4)有助于提高汽车行驶的平稳性、乘坐的舒适性和安全性


减轻车重,提高汽车的行驶性能。美国铝业协会提出,如果车重减轻25%,就可使汽车加速到60mph的时间从原来的10秒钟减少到6秒钟;由于使用铝合金型材是在不减少汽车容积的情况下减轻汽车自重,因而使汽车更稳定,在受到冲击时铝合金型材结构能吸收更多的能量,因而更安全和舒适。


(5)较强的标准化设计与制造适应性


在现代化大工业生产中,哪种材料具有更强的标准化设计与制造适应性,就会受到设计师与工艺师的欢迎,就会成为工程师与管理工作者的优选材料之一。铝型材在这方面的优点是工具与模具的投资较低,因而零部件的生产周期短,可缩短产品投向市场的周期,可减轻分期偿还成本。


可见,铝合金型材是促进汽车轻量化的最佳选择。


铝合金型材的应用现状和发展趋势

3.1 铝合金型材的特点


1)铝合金挤压型材较其他成型方式,具备以下的特点:


(1)在挤压过程中,被挤压金属在变形区内获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态,因此挤压可充分发挥被加工金属的塑性,可用于加工轧制锻造无法加工的难变形金属,同时可用于制作各种空心或实心的复杂截面构件。


(2)由于铝型材几何截面可变,因而其构件的刚度高,可提高车身的刚性、降低其NVH特性、提高车辆动态控制特性。


(3)由于铝型材截面可控制,可提高构件的功能集成程度,降低构件数量,同时通过截面匹配还可实现焊接精确定位。


(4)具有挤压效益的产品,在淬火时效后,纵向强度性能(Rm,Rp0.2),远比其他方法加工的同类产品要高。


(5)挤压后产品表面色泽好,耐腐蚀性能好,不需要做其他防腐性的表面处理。


(6)挤压加工灵活性大,工装模具成本低,设计变更费用低。


表3-1 汽车用挤压铝型材与普碳钢的性能对比


2)常用汽车用挤压铝合金


汽车用挤压铝材90%以上是用6XXX系合金生产的,用3XXX、5XXX系与7XXX系合金挤压的仅是少数。多以挤压型材与管材形式用于汽车零件制造。


汽车工业常用的挤压铝合金有3003、3103、5049、6005、6005A、6060、6061、6082、6063、6082、7001、7003、7005、7021、7029、7129合金等,它们的合金元素化学成分见表3-2,力学性能见表3-3。3XXX系合金用于挤压管材,而7XXX系合金多用于生产保险杠等。


表3-2 常用汽车铝合金的国际标准合金元素成分(质量%)


表4-3 常用汽车铝合金型材的国际标准力学性能




3.2 铝合金型材在汽车上的应用实例


汽车用铝合金型材应用有:保险杠防撞梁、吸能盒、车门防撞梁、仪表盘支架、底盘件、车身结构件、油管、导轨、行李架、热交换器等截面一致且形状复杂的构件。


1)铝合金防撞梁


铝合金防撞梁已经在合资品牌的中高端车型上基本普及,正在向低端车型以及国产车型发展。由于减重效果明显,在为了几年内,有望全面替代钢防撞梁。横梁主要材料有6082、7003,吸能盒有6060,底板和拖钩套为6082。

图4-1 铝合金防撞梁

图4-2 铝合金防撞梁零件


2)仪表盘支架


仪表盘支架主用到的型材有6061和6063,结构相对简单,减重效果好,对整车的降噪有明显的作用,越来越多的车型开始采用。

图4-3 铝合金仪表盘支架


图4-4 铝合金仪表盘支架零件



3)底盘件


底盘零件已经有越来越多进行了铝化,并且逐渐从铸件改成了型材件,材料主要有6061和6082。

图4-5 铝合金减震支架


图4-6 铝合金摆臂



4)车身结构件


传统的钢结构车身在主要的力传递。


图4-7 铝合金纵梁


图4-8 铝合金结构件


5)导轨和行李架



图4-9 铝合金天窗导轨


图4-10 铝合金管路


6)热交换器

图4-11 铝合金热交换器


图4-12 铝合金管路


7)全铝车身

目前乘用车采用全铝车身结构的车型都是一些国外的高端车型货超级跑车,如奥迪A8和A2、捷豹XJ等,为型材、板材和铸件相结合。而国内的轿车全铝车身主要应用于新能源电动车上,主要由型材做成框架。材料有6063、6061和6082等合金。


图4-13 特斯拉全铝底盘


图4-14 电动车全铝车身


3.3 铝合金型材在汽车上的发展趋势


由于铝合金挤压型材可以简单地生产出钢铁无法生产的各种复杂断面结构的型材,作为汽车轻量化的有效手段之一备受关注。挤压型材由于其重量轻,刚性好,作为结构材料广泛应用在汽车的各个部位。


随着铝加工技术的发展,型材的高精度三维弯曲加工技术,以及6XXX系合金材料的组织控制和均一性屈服强度控制热处理技术的确立,使挤压型材在汽车上的应用空间得到了极大的发展。部分车型的铝型材使用量已经从90年代的百分之几上升到百分之二十几,甚至百分之三十以上了。


由于铝合金框架的车体无论从减重,还是从刚性对比上,都比钢制车体有很大的提高,因此,给全铝车身框架的发展提供了很好的发展空间。


4 存在的问题及对策

4.1 整零之间的战略关系需进一步优化


现在,整车厂对零部件提出越来越高的要求,未来整车厂所要求的零部件企业,不是传统意义上的单纯零部件供应商,而是能够给整车厂提供系统解决方案的供应商,特别对供应商系统的集成能力、创新能力有非常高的要求,这就需要零部件企业在先进技术开发的早期,就与整车厂进行非常紧密的合作,在经营发展上,互相支撑。从长远战略上,他们之间是共创未来的关系,为整零企业创造了和谐发展环境和广阔空间。


4.2 进一步提升核心技术水平


产品技术实力是企业参与市场竞争的核心要素。国外零部件企业的实力来自于巨额的研发投入和持续不断的技术创新,国内企业在这方面一直有所欠缺。目前,国内汽车零部件供应商普遍采用“来图加工”的模式,即汽车厂商将产品数据和图样提供给供应商,后者按照图样进行生产制造。多数企业没有完全产品掌握核心技术,产品市场大多为中、低端,高端很少;面对未来汽车能源多元化发展的趋势,以及节能、环保、安全要求的日益严格,要求铝合金零部件企业不仅拥有基本的开发能力,还应拥有超前技术开发能力。因此,铝合金零部件企业应该加大研发力度与投入,以进一步提升企业自身的核心技术水平。


4.3 借助新能源汽车的发展大力推广铝合金的应用


中国财政部等部委于2014年2月8号联合发文明确,将现行新能源汽车补贴推广政策执行到2015年12月31日,并对2014年和2015年的补助标准作出调整。中央财政继续实施补贴政策,以保持政策连续性,加大支持力度,以此推广新能源汽车应用,促进节能减排。


目前的新能源汽车主要以电动汽车为主,而电动汽车的电池能量密度在短期内很难有大的突破,导致电池重量难以下降。因此,车身轻量化就成了必然的选择。而铝合金作为最佳的轻量化材料,自然就会迎来很好的发展机遇。


把握好这一政策,将积极促进铝合金汽车零部件产业转型升级,向节能型、环保型、高技术型和高质量型发展。

(来源:铝加工)


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