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技术帖 汽车轻量化铝合金研究进展

日期:2018-11-20 20:27

  本文对汽车轻量化铝合金材料的研究进展进行了综述,重点介绍了铝合金轮毂、铝合金防撞梁、铝合金车身的研究及应用情况。

  从高速、舒适、美观、耐用、轻量化、节能、保护环境、降低综合成本等综合性能方面来看,铝合金无疑是汽车工业现代化和轻量化的首选材料,世界许多国家都在致力于汽车用铝合金的研究。汽车自重每降低100kg,油耗就可以减少0.7L/km。因此,以铝合金代替钢铁材料,最大限度地减轻汽车的自重也就成为当前的研究热点[1]汽车用铝合金主要分为铸造铝合金和变形铝合金,铸造铝合金主要应用于发动机气缸体、气缸盖、轮毂、制动器零件等。形变铝合金在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器零件等[2]从第一辆全铝车身奥迪A8问世,到捷豹的JaguarXJ,再到2012款新路虎极光揽胜发售,全铝车身加工工艺及技术正在不断走向成熟。

  不过,运用铝合金也面临不少问题,比如,铝合金加工难度比钢材高,成型性还需继续改善;由于铝导热性好,导致铝合金的焊接性能差;另外,成本控制对铝合金的运用非常重要,因此,全铝车身仅限于高端车型中[3]。随着能源和环境危机的不断加剧,各国节能减排法规不断提高规范要求,铝合金作为汽车轻量化新材料将应用在更多的车型上,在工业化生产与设计中,钢铝混合车身的应用将成为主流[4,5]。

  车轮是车辆承载重要部件,它除了受正压力外,还承受因车辆启动、制动时扭矩的交互作用,以及行驶过程中转弯、冲击等来自各个方向的不规则受力,车轮在高速旋转中,还影响车辆的平稳性、操作性等性能[6]。车轮的质量与汽车的多种性能密切相关,整车的安全性和可靠性很大程度取决于所装车轮的性能和使用寿命。铝合金汽车轮毂与钢制汽车轮毂相比,能够更好地满足良好的耐磨耐老化和良好的气密性,良好的均匀性和质量平衡,较小的滚动阻力和行驶噪声,精美的外观和装饰性,尺寸精度高,质量轻且不平衡度小,耐疲劳性好,折装方便,互换性好等要求。目前轿车轮毂普遍采用铝合金材料,但是,卡车、大巴等重载汽车由于重载汽车载重大、对车轮的综合性能要求高,大部分仍采用钢制车轮。

  铝合金车轮的制造工艺主要有:铸造法、锻造法、冲压法、旋压法、半固态模锻法等,其中较为常用的成型方法主要是铸造法和锻造法。低压铸造主要采用Al-Si-Mg系合金,其主要合金元素如表1所示。普通铸造铝合金轮毂能够满足轿车用轮毂的性能要求,但不能满卡车、大巴等重载汽车对轮毂的要求。马春江[7]等将普通铸造铝合金轮毂和挤压铸造铝合金的组织和力学性能进行对比,结果显示挤压铝合金轮毂的力学性能高于铸造铝合金轮毂,且挤压铸造铝合金轮毂的弯曲疲劳性能、径向疲劳性能、耐冲击性能都能满足重载汽车使用要求。锻造法是应用较早的铝合金轮毂成形工艺之一。锻造铝合金轮毂的强度、韧性以及疲劳强度均显著优于铸造铝合金轮毂,并且还具有抗腐蚀性好、尺寸精确、加工量小、性能再现性强等优点[8]。其主要采用Al-Mg合金和Al-Si-Mg合金,5xxx铝合金是车轮锻造中最常用的变形铝合金,主要包括:5052-O、5154-O、5454-O、5083-O、5086-O,5xxx锻造铝合金车轮抗腐蚀性能高,适宜制造在极端环境下工作的车轮。车轮制造中另外一种常用的铝合金是6061-T6,其Mg元素和Si元素形成的Mg2Si强化相可显著提高其力学性能,6061合金铸锭经565℃/4h——6h均匀化处理可使其绝大部分Mg与Si固溶于铝中,这样不仅可降低锻造温度,同时可改善锻造性能。龙伟[9]等采用三维有限元软件Deform-3D模拟6061铝合金轮毂的锻压过程,分析对比轮毂不同位置的应力应变状态以及与力学性能之间的关系,结果显示轮毂中累积应力应变越大的位置,其力学性能相对应力应变小的位置更佳。锻造铝合金具有比铸造铝合金更好的综合性能,但由于其成形工艺复杂、良品率低、制造成本高等原因,当前铝合金车轮制造仍以铸造为主。

  汽车防撞梁是撞击时吸收和缓和外界冲击力、保护车身及乘员安全功能的安全的重要装置,在保证汽车碰撞安全性及舒适性的前提下,既能有效减轻汽车自重,又能控制成本成为热门课题。通过合金成分优化,热处理工艺以及结构优化可减轻车身质量的同时满足其安全性能的要求,并且铝合金防撞梁有比钢材料防撞梁更加优异的吸能性能[10]。挤压是制造防撞梁的典型方法,也可以用板材通过弯曲折叠等加工而成,型材多用6063、7021、7029、9129等合金挤压。万银辉[11]等采用有限元分析软件LS-DYNA分析6061铝合金防撞梁的碰撞性能,结果显示在相同的碰撞试验条件下铝合金横梁相比钢制防撞梁有更好的吸能性,且能够在较大的速度范围内保持较高的吸能性能。杨鄂川[12]等采用有限元方法分析了汽车防撞梁冲压工艺对性能的影响,并优化其冲压工艺参数,工艺优化后板料成形的回弹及最小厚度均得到有效控制:防撞梁两端严重回弹区域明显减小,板料成形质量得到改善,尤其是侧壁和底面部分的拉延都更加充分,成型质量显著提升。

  目前国内铝合金保险杠刚刚起步,般横梁为铝合金吸能盒、底板等零部件多为钢。要提高保险杠横梁的防护能力则须提高其吸收能量的能力,材料吸能量的能力与材料的强度和厚度都呈正比。但在车身结构设计中,不可能通过无限增加钢材厚度达到提高材料吸能量的目的[13],因此,需要通过合理选材,优化结构设计等方法达到质量轻,便于拆装更换,维修简便;制造工艺要简单,成本低等要求。研究表明经过合理设计的铝合金保险杠横梁不仅比钢制保险杠横梁更轻,而且可以吸收更多的能量。徐中明[14]徐等通过Hyperstudy和LS-DYNA优化防撞梁设计,设计梁吸能效果达到钢制防撞1.9倍铝合金防撞梁,且其减重效果达38.4%。冯源[15]等研究的保险杠由横梁和吸能支架两部分组成,针对低速碰撞下保险杠横梁纵向抗弯性能不足的缺陷,通过优化其截面形状予以解决。汽车保险杠是汽车中重要的安全防护构件,制造商对保险杠的各项机械性能的要求往往比较高,汽车上的铝制保险杠防护构件的机械性能可通过热处理技术将其改善提高。近年来随着铝合金技术的开发,由于,具有很高的吸收冲击能的能力,密度小耐高温,防火性能强,易加工,可进行表面涂装处理等特点的泡沫铝合金作为一种新型的铝合金材料而被用于制造汽车保险杠。固体泡沫铝合金在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板。用这种材料制造的汽车保险杠,能够将两车相撞时产生的大部分碰撞能吸收掉,从而保护了汽车的安全[16]。

  在车体结构上,大多数采用无骨架式结构和空间框架式结构。这种结构零部件数量少,不需大型冲压设备,适用于多品种小批量生产,可缩短生产周期降低制造成本。汽车车身由框架、刚性材料、接头和罩壳板组成,用铝合金挤压型材和连接真空压铸接头自动焊接形成,比传统的钢体车身轻40%,机械强度提高40%[17]。铝合金在白车身及覆盖件上的应用能够有效减轻整车重量,从而达到节能减排,优化整车性能的目标。全铝车的车身主要由挤压型材和铝板壳体组成,轿车主要是板材,公共汽车主要用型材。对于车身板铝材除了要满足其性能和耐腐蚀性能要求之外还需具备良好地成型性能、表面平整性强、良好地焊接性能、优良的烘烤强化性。

  轿车车身板铝合金可用2xxx、5xxx、6xxx及7xxx合金轧制,除5xxx铝合金外其他三种铝合金的强度都在涂装烘烤时进一步提高。汪军[18]等采用不同的工艺对汽车用铝合金进行热处理,并进行了力学性能和耐腐蚀性能的测试与分析。结果表明,分级均匀化处理和自然时效后强化烘烤,可以明显提高汽车用铝合金的力学性能和耐腐蚀性能。与常规均匀化处理相比,分级均匀化处理可使其室温抗拉强度增加14Mpa,自然时效后强化烘烤能提高其力学性能和耐腐蚀性能。代陈绪[19]通过对6系铝合金预时效处理工艺的研究,开发出能同时显著改善6xxx系铝合金车身板冲压成形性和烤漆硬化性的热处理工艺技术。结果显示:在固溶工艺550℃×10min处理后水淬,室温停放10min的铝板,最佳的预时效制度为140℃×12min,铝板经上述工艺制度预时效处理后的σ0.2≤142MPa,再经170℃×30min烤漆后其σ0.2≥225MPa。

  (1)汽车用材料的更新换代对提升汽车安全性能,节能减排降耗有着重要的意义,在交通工具回归自然的大趋势下,开高性能、轻质、节能、环保的铝合金材料将会得到更多的实际应用。

  (2)我国汽车工业的持续高速发展,研制高性能汽车用铝合金对提高汽车工业的国际竞争力具有举足轻重的作用。

  (3)铝合金材料是汽车工业现代化的首选材料,相关技术的研究开发也将得到越来越多的重视。

  来源:中国铝业网、Lw2016论坛文集——作者:聂德键,黄和銮,罗铭强,陈文泗,李 辉,陈树钦,张小青(广东兴发铝业有限公司,广东 佛山 528061)

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