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汽車(chē)輕量化之鋁合金研究及應用一覽

汽車(chē)輕量化之鋁合金研究及應用一覽

發(fā)布日期:2023-11-29 作者: 點(diǎn)擊:

從高速、舒適、美觀(guān)、耐用、輕量化、節能、保護環(huán)境、降低綜合成本等綜合性能方面來(lái)看,鋁合金無(wú)疑是汽車(chē)工業(yè)現代化和輕量化的材料,世界許多國家都在致力于汽車(chē)用鋁合金的研究。汽車(chē)自重每降低100kg,油耗就可以減少0.7L/km。因此,以鋁合金代替鋼鐵材料,減輕汽車(chē)的自重也就成為當前的研究熱點(diǎn)。汽車(chē)用鋁合金主要分為鑄造鋁合金和變形鋁合金,鑄造鋁合金主要應用于發(fā)動(dòng)機氣缸體、氣缸蓋、輪轂、制動(dòng)器零件等。形變鋁合金在汽車(chē)上主要用于車(chē)身面板、車(chē)身骨架、發(fā)動(dòng)機散熱器零件等。從全鋁車(chē)身奧迪A8問(wèn)世,到捷豹的JaguarXJ,再到2012款新路虎極光攬勝發(fā)售,全鋁車(chē)身加工工藝及技術(shù)正在不斷走向成熟。不過(guò),運用鋁合金也面臨不少問(wèn)題,比如,鋁合金加工難度比鋼材高,成型性還需繼續改善;由于鋁導熱性好,導致鋁合金的焊接性能差;另外,成本控制對鋁合金的運用非常重要。隨著(zhù)能源和環(huán)境危機的不斷加劇,各國節能減排法規不斷提高規范要求,鋁合金作為汽車(chē)輕量化新材料將應用在更多的車(chē)型上,在工業(yè)化生產(chǎn)與設計中,鋼鋁混合車(chē)身的應用將成為主流。

1、汽車(chē)輪轂用鋁合金

車(chē)輪是車(chē)輛承載重要部件,它除了受正壓力外,還承受因車(chē)輛啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)扭矩的交互作用,以及行駛過(guò)程中轉彎、沖擊等來(lái)自各個(gè)方向的不規則受力,車(chē)輪在高速旋轉中,還影響車(chē)輛的平穩性、操作性等性能[6]。車(chē)輪的質(zhì)量與汽車(chē)的多種性能密切相關(guān),整車(chē)的安全性和可靠性很大程度取決于所裝車(chē)輪的性能和使用壽命。鋁合金汽車(chē)輪轂與鋼制汽車(chē)輪轂相比,能夠更好地滿(mǎn)足良好的耐磨耐老化和良好的氣密性,良好的均勻性和質(zhì)量平衡,較小的滾動(dòng)阻力和行駛噪聲,精美的外觀(guān)和裝飾性,尺寸精度高,質(zhì)量輕且不平衡度小,耐疲勞性好,折裝方便,互換性好等要求。目前轎車(chē)輪轂普遍采用鋁合金材料,但是,卡車(chē)、大巴等重載汽車(chē)由于重載汽車(chē)載重大、對車(chē)輪的綜合性能要求高,大部分仍采用鋼制車(chē)輪。

鋁合金車(chē)輪的制造工藝主要有:鑄造法、鍛造法、沖壓法、旋壓法、半固態(tài)模鍛法等,其中較為常用的成型方法主要是鑄造法和鍛造法。低壓鑄造主要采用Al-Si-Mg系合金,其主要合金元素如表1所示。普通鑄造鋁合金輪轂能夠滿(mǎn)足轎車(chē)用輪轂的性能要求,但不能滿(mǎn)卡車(chē)、大巴等重載汽車(chē)對輪轂的要求。普通鑄造鋁合金輪轂和擠壓鑄造鋁合金的組織和力學(xué)性能進(jìn)行對比,結果顯示擠壓鋁合金輪轂的力學(xué)性能高于鑄造鋁合金輪轂,且擠壓鑄造鋁合金輪轂的彎曲疲勞性能、徑向疲勞性能、耐沖擊性能都能滿(mǎn)足重載汽車(chē)使用要求。鍛造法是應用較早的鋁合金輪轂成形工藝之一。鍛造鋁合金輪轂的強度、韌性以及疲勞強度均顯著(zhù)優(yōu)于鑄造鋁合金輪轂,并且還具有抗腐蝕性好、尺寸精確、加工量小、性能再現性強等優(yōu)點(diǎn)。其主要采用Al-Mg合金和Al-Si-Mg合金,5xxx鋁合金是車(chē)輪鍛造中常用的變形鋁合金,主要包括:5052-O、5154-O、5454-O、5083-O、5086-O,5xxx鍛造鋁合金車(chē)輪抗腐蝕性能高,適宜制造在此類(lèi)環(huán)境下工作的車(chē)輪。車(chē)輪制造中另外一種常用的鋁合金是6061-T6,其Mg元素和Si元素形成的Mg2Si強化相可顯著(zhù)提高其力學(xué)性能,6061合金鑄錠經(jīng)565℃/4h——6h均勻化處理可使其絕大部分Mg與Si固溶于鋁中,這樣不僅可降低鍛造溫度,同時(shí)可改善鍛造性能。龍偉[9]等采用三維有限元軟件Deform-3D模擬6061鋁合金輪轂的鍛壓過(guò)程,分析對比輪轂不同位置的應力應變狀態(tài)以及與力學(xué)性能之間的關(guān)系,結果顯示輪轂中累積應力應變越大的位置,其力學(xué)性能相對應力應變小的位置更佳。鍛造鋁合金具有比鑄造鋁合金更好的綜合性能,但由于其成形工藝復雜、良品率低、制造成本高等原因,當前鋁合金車(chē)輪制造仍以鑄造為主。

2、汽車(chē)防撞梁用鋁合金

汽車(chē)防撞梁是撞擊時(shí)吸收和緩和外界沖擊力、保護車(chē)身及乘員安全功能的安全的重要裝置,在保證汽車(chē)碰撞安全性及舒適性的前提下,既能有效減輕汽車(chē)自重,又能控制成本成為熱門(mén)課題。通過(guò)合金成分優(yōu)化,熱處理工藝以及結構優(yōu)化可減輕車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)滿(mǎn)足其安全性能的要求,并且鋁合金防撞梁有比鋼材料防撞梁更加優(yōu)異的吸能性能。擠壓是制造防撞梁的典型方法,也可以用板材通過(guò)彎曲折疊等加工而成,型材多用6063、7021、7029、9129等合金擠壓。采用有限元分析軟件LS-DYNA分析6061鋁合金防撞梁的碰撞性能,結果顯示在相同的碰撞試驗條件下鋁合金橫梁相比鋼制防撞梁有更好的吸能性,且能夠在較大的速度范圍內保持較高的吸能性能。采用有限元方法分析了汽車(chē)防撞梁沖壓工藝對性能的影響,并優(yōu)化其沖壓工藝參數,工藝優(yōu)化后板料成形的回彈及厚度均得到有效控制:防撞梁兩端嚴重回彈區域明顯減小,板料成形質(zhì)量得到改善,尤其是側壁和底面部分的拉延都更加充分,成型質(zhì)量顯著(zhù)提升。

目前國內鋁合金保險杠剛剛起步,般橫梁為鋁合金吸能盒、底板等零部件多為鋼。要提高保險杠橫梁的防護能力則須提高其吸收能量的能力,材料吸能量的能力與材料的強度和厚度都呈正比。但在車(chē)身結構設計中,不可能通過(guò)無(wú)限增加鋼材厚度達到提高材料吸能量的目的,因此,需要通過(guò)合理選材,優(yōu)化結構設計等方法達到質(zhì)量輕,便于拆裝更換,維修簡(jiǎn)便;制造工藝要簡(jiǎn)單,成本低等要求。研究表明經(jīng)過(guò)合理設計的鋁合金保險杠橫梁不僅比鋼制保險杠橫梁更輕,而且可以吸收更多的能量。徐中明徐等通過(guò)Hyperstudy和LS-DYNA優(yōu)化防撞梁設計,設計梁吸能效果達到鋼制防撞1.9倍鋁合金防撞梁,且其減重效果達38.4%。馮源等研究的保險杠由橫梁和吸能支架兩部分組成,針對低速碰撞下保險杠橫梁縱向抗彎性能不足的缺陷,通過(guò)優(yōu)化其截面形狀予以解決。汽車(chē)保險杠是汽車(chē)中重要的安全防護構件,制造商對保險杠的各項機械性能的要求往往比較高,汽車(chē)上的鋁制保險杠防護構件的機械性能可通過(guò)熱處理技術(shù)將其改善提高。近年來(lái)隨著(zhù)鋁合金技術(shù)的開(kāi)發(fā),由于,具有很高的吸收沖擊能的能力,密度小耐高溫,防火性能強,易加工,可進(jìn)行表面涂裝處理等特點(diǎn)的泡沫鋁合金作為一種新型的鋁合金材料而被用于制造汽車(chē)保險杠。固體泡沫鋁合金在汽車(chē)制造中的應用多為三明治式的三夾板。用這種材料制造的汽車(chē)保險杠,能夠將兩車(chē)相撞時(shí)產(chǎn)生的大部分碰撞能吸收掉,從而保護了汽車(chē)的安全。

3、車(chē)身用鋁合金

在車(chē)體結構上,大多數采用無(wú)骨架式結構和空間框架式結構。這種結構零部件數量少,不需大型沖壓設備,適用于多品種小批量生產(chǎn),可縮短生產(chǎn)周期降低制造成本。汽車(chē)車(chē)身由框架、剛性材料、接頭和罩殼板組成,用鋁合金擠壓型材和連接真空壓鑄接頭自動(dòng)焊接形成,比傳統的鋼體車(chē)身輕40%,機械強度提高40%。鋁合金在白車(chē)身及覆蓋件上的應用能夠有效減輕整車(chē)重量,從而達到節能減排,優(yōu)化整車(chē)性能的目標。全鋁車(chē)的車(chē)身主要由擠壓型材和鋁板殼體組成,轎車(chē)主要是板材,公共汽車(chē)主要用型材。對于車(chē)身板鋁材除了要滿(mǎn)足其性能和耐腐蝕性能要求之外還需具備良好地成型性能、表面平整性強、良好地焊接性能、優(yōu)良的烘烤強化性。

轎車(chē)車(chē)身板鋁合金可用2xxx、5xxx、6xxx及7xxx合金軋制,除5xxx鋁合金外其他三種鋁合金的強度都在涂裝烘烤時(shí)進(jìn)一步提高。采用不同的工藝對汽車(chē)用鋁合金進(jìn)行熱處理,并進(jìn)行了力學(xué)性能和耐腐蝕性能的測試與分析。結果表明,分級均勻化處理和自然時(shí)效后強化烘烤,可以明顯提高汽

車(chē)用鋁合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。與常規均勻化處理相比,分級均勻化處理可使其室溫抗拉強度增加14Mpa,自然時(shí)效后強化烘烤能提高其力學(xué)性能和耐腐蝕性能。通過(guò)對6系鋁合金預時(shí)效處理工藝的研究,開(kāi)發(fā)出能同時(shí)顯著(zhù)改善6xxx系鋁合金車(chē)身板沖壓成形性和烤漆硬化性的熱處理工藝技術(shù)。結果顯示:在固溶工藝550℃×10min處理后水淬,室溫停放10min的鋁板,預時(shí)效制度為140℃×12min,鋁板經(jīng)上述工藝制度預時(shí)效處理后的σ0.2≤142MPa,再經(jīng)170℃×30min烤漆后其σ0.2≥225MPa。

4、結束語(yǔ)

(1)汽車(chē)用材料的更新?lián)Q代對提升汽車(chē)安全性能,節能減排降耗有著(zhù)重要的意義,在交通工具回歸自然的大趨勢下,開(kāi)高性能、輕質(zhì)、節能、環(huán)保的鋁合金材料將會(huì )得到更多的實(shí)際應用。

(2)我國汽車(chē)工業(yè)的持續高速發(fā)展,研制高性能汽車(chē)用鋁合金對提高汽車(chē)工業(yè)的國際競爭力具有舉足輕重的作用。

(3)鋁合金材料是汽車(chē)工業(yè)現代化的材料,相關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)也將得到越來(lái)越多的重視。

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