任麗宏　徐英

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染與能源短缺問題愈發(fā)突出，對(duì)汽車工業(yè)未來的發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。汽車工業(yè)要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，首先需要解決的一大問題就是節(jié)能減排，而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵就是汽車輕量化。汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑之一，就是使用輕質(zhì)金屬材料，它不僅可以達(dá)到節(jié)能減排的目的，部分材料還可以提高車身的安全性與耐久性?；诖?，本文主要探究了金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展，以供大家參考。

關(guān)鍵詞：金屬材料 汽車輕量化 應(yīng)用

Talking about the Application and Development of Metal Materials in Automobile Lightweight

Ren Lihong Xu Ying

Abstract：With the rapid development of social economy， the problems of environmental pollution and energy shortage have become more and more prominent， which has brought huge challenges to the future development of the automobile industry. If the automobile industry wants to achieve sustainable development， the first major problem that needs to be solved is energy conservation and emission reduction， and the key to achieving energy conservation and emission reduction is the lightweight of automobiles. One of the ways to achieve lightweight cars is to use lightweight metal materials， which can not only achieve the purpose of energy saving and emission reduction， but some materials can also improve the safety and durability of the body. Based on this， this article mainly explores the application and development of metal materials in automotive lightweight for reference.

Key words：metal materials， lightweight automobile， application

1 引言

近年來，隨著人們物質(zhì)生活水平的提升，汽車已逐漸成為每個(gè)家庭都可以消費(fèi)得起的一件商品，在此情況下，我國汽車保有量每年都在迅速增長，而隨之帶來的就是環(huán)境污染、能源短缺等問題。因此，如何制造出低排放、低成本、安全的汽車就成為了人們思考的重要問題，而在汽車生產(chǎn)制造中使用各種輕質(zhì)金屬材料，如鋁合金、鎂合金以及鈦合金等，就可以有效解決這類問題，適應(yīng)新時(shí)期人們對(duì)汽車的需要。

2 汽車輕量化的概念與意義

汽車輕量化指的是，汽車造價(jià)不發(fā)生變化的同時(shí)，不影響汽車原有的抗震性、安全性、舒適性以及抗撞性等條件的前提上，將汽車的重量進(jìn)行最大化降低，以此提升汽車行駛的速度、減少燃料消耗與尾氣排放。在此過程中，需要遵循的基本原則是確保汽車的穩(wěn)定性沒有受到影響的基礎(chǔ)上，可以通過節(jié)能化處理汽車的各類零部件，進(jìn)而優(yōu)化車型，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目標(biāo)，總之這就是一個(gè)降低重量、提高性能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)及價(jià)格合理密切結(jié)合的系統(tǒng)工程，對(duì)整個(gè)汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

相關(guān)實(shí)踐研究表明，汽車的油耗與自身的質(zhì)量有著直接的關(guān)系，通常汽車質(zhì)量越大，則油耗也會(huì)越大，所以通過對(duì)汽車進(jìn)行輕量化處理，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。從具體的數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)汽車的質(zhì)量降低1kg的時(shí)候，就可以讓1L汽油多驅(qū)動(dòng)汽車行駛0.011km，同時(shí)也會(huì)減少二氧化碳的排放。另外，汽車輕量化對(duì)提升汽車的性能也具有重要意義，根據(jù)相關(guān)研究表明，汽車質(zhì)量降低百分之二十五的時(shí)候，汽車的加速到96.56km/h的時(shí)間將縮短四秒，從原本的十秒降低到六秒，并且能大大減輕汽車動(dòng)力與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，使汽車表現(xiàn)出更好的行駛性能。

3 金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用

汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)，需要從設(shè)計(jì)、工藝及材料等多個(gè)方面進(jìn)行著手，其中材料的輕量化是十分關(guān)鍵的。關(guān)于汽車輕量化的材料，主要可以分成兩大類，即高強(qiáng)度材料與低密度輕質(zhì)材料，其中高強(qiáng)度材料主要是指高強(qiáng)度鋼，而低密度輕質(zhì)材料主要包括鈦、鎂、鋁以及復(fù)合材料等。在輕質(zhì)材料中還有聚合物類的塑料制品，但這種材料會(huì)帶來環(huán)境污染問題，所以在使用中會(huì)有限制。為此，目前在汽車輕量化中應(yīng)用最多的就是鈦、鎂、鋁等低密度的輕質(zhì)金屬材料，實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)將這些材料形成合金，這樣既能保證汽車輕量化的同時(shí)，讓汽車的安全性、舒適性不會(huì)受到影響，以下重點(diǎn)介紹了這些材料的應(yīng)用。

3.1 鋁及鋁合金

鋁在諸多輕量化的材料中，屬于比較早被應(yīng)用于汽車輕量化中的，經(jīng)過不斷地發(fā)展，如今的生產(chǎn)與處理工藝都十分成熟。鋁與鋁合金的特點(diǎn)包括彈性好、密度小、比強(qiáng)度和比剛度高等，并且耐腐蝕與耐磨性能良好，加工成型和表面著色容易，所以也能進(jìn)行回收再利用，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，使得它在汽車制造領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。不過，與鋼相比鋁及鋁合金在力學(xué)性能、承載能力等方面還存在比較顯著的差距，這也是制約鋁及鋁合金在汽車制作中應(yīng)用的一大因素，此外由于生產(chǎn)技術(shù)局限、工藝負(fù)責(zé)的因素帶來的過高成本，也限制了鋁及鋁合金的應(yīng)用[1]。

目前，鋁及鋁合金在汽車制造中的應(yīng)用，主要是在車輪、動(dòng)力系與懸架系的零部件中，如在汽車底盤中的應(yīng)用，有變速器殼體、離合器殼體以及轉(zhuǎn)動(dòng)器殼體等。目前，在乘用車上鋁合金輪轂的應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)逐漸替代了鍛鋼與鑄鋼，其原因是在相同使用條件下，鋁合金輪轂的自身重量更輕，并且它的散熱性能更好，可以減少由于輪胎溫度過高而引起的爆胎危害。除此之外，由于其導(dǎo)熱性好，質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，也被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件制造中，對(duì)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化意義重大，相信未來它的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，預(yù)計(jì)未來汽車的鋁化界限能達(dá)到百分之三十到五十左右。

由于汽車輕量化中鋁及鋁合金是一種十分重要的金屬材料，所以對(duì)新的鋁合金材料及其加工技術(shù)，人們進(jìn)行了一系列研究，如“鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)”就是現(xiàn)階段較為先進(jìn)的一種鋁合金加工技術(shù)，其生產(chǎn)出來的鋁合金汽車零件組織致密、性能優(yōu)良，在汽車制造中有著重要的應(yīng)用。

3.2 鎂及鎂合金

鎂及鎂合金是一種很有開發(fā)潛力的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其特點(diǎn)主要有質(zhì)量輕、密度低等，相較于鋁合金而言，鎂合金更輕，屬于最輕的一種金屬材料。同時(shí)，它也有良好的比強(qiáng)度，比鋁合金與鋼還高，并在比剛度方面與這兩種材料并沒有多少差異。另外，在阻尼系數(shù)與消震性方面，其性能也十分優(yōu)異，與鋁合金相比有著更好的承受沖擊荷載的能力，所以這種材料可以被用于汽車殼體制造降低噪聲，將其用于輪圈則可以減少震動(dòng)，可見對(duì)提高汽車的舒適性與安全性方面，鎂及鎂合金具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。

在工藝性能、導(dǎo)熱性等方面，鎂合金的表現(xiàn)都非常優(yōu)異，其鑄造性能與尺寸穩(wěn)定性都比較高，所以加工相對(duì)簡(jiǎn)單與方便，并且廢品率較低。當(dāng)然，它并不是完美的，主要的缺陷在于抗蠕變能力與高溫疲勞性方面，所以鎂合金的廣泛應(yīng)用需要解決好這方面的問題，也是日后重點(diǎn)研究的課題。在汽車制造中，目前鎂及鎂合金的應(yīng)用主要還是在壓鑄件方面，它可以到鑄鐵、鋁合金與鋼制沖壓焊裝組合件等，支架類與殼體類是目前鎂及鎂合金在汽車零部件中主要應(yīng)用的兩個(gè)領(lǐng)域，其中支架類包括了剎車支架、方向盤以及車鏡支架等，殼體類則包括空調(diào)機(jī)外科、離合器殼體等。

3.3 鈦和鈦合金

鈦及鈦合金的綜合性能是十分優(yōu)異，對(duì)汽車實(shí)現(xiàn)高性能化起著重要的作用。其密度比較小，并且在韌性、強(qiáng)度、抗蝕性等方面有著非常良好的性能，即使在微氧化氣氛和氯離子侵蝕的海洋大氣環(huán)境中，抗蝕性也比較好。工作溫度區(qū)間比較寬，與鋁合金和鎂相比，耐熱性要明顯高于它們;同時(shí)具有良好的焊接性能與加工性能。

50年代，鈦及鈦合金就已經(jīng)進(jìn)入到汽車制造領(lǐng)域中，但由于價(jià)格等因素，發(fā)展十分緩慢。鈦金屬具有較高的熔點(diǎn)以及十分活潑的化學(xué)性質(zhì)，與H，O，C和N等元素都有著很強(qiáng)的親和力，所以提取純鈦的難度比較大[3]。不過，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這一問題也將得到有效解決，鈦及鈦合金在汽車制造領(lǐng)域中的應(yīng)用也會(huì)高度重視，尤其是作為結(jié)構(gòu)功能性材料的使用，是一種比較理想的選擇。

3.4 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼主要是屈服強(qiáng)度超過1370MPa，抗拉強(qiáng)度在1620MPa以上的合金鋼，它的主要合金元素有硅、錳、鉻以及鉬等，由于這種材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度都比較高，所以在汽車制造中主要被應(yīng)用于汽車車身，不僅可以降低車身的質(zhì)量，還可以提高汽車碰撞安全性。

鋼材是汽車白車身的主要構(gòu)成材料，而在減薄車身用板厚度與降低重量的過程中，就可以合理運(yùn)用高強(qiáng)度鋼板的方式來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)相關(guān)研究表明，與普通鋼板車身相比，高強(qiáng)度鋼板車身的質(zhì)量可以減少百分之十五到百分之二十左右，板材厚度可減少1.0-2.0mm，所以這種金屬材料對(duì)于減輕車身質(zhì)量與提高車身強(qiáng)度有著重要作用。為了可以保證汽車的安全性呢，通常要求其結(jié)構(gòu)梁類零件受到碰撞沖擊的話，變形量需要在比較小的范圍內(nèi)，而高強(qiáng)度鋼因?yàn)榫哂辛己玫目估瓘?qiáng)度，在車架、車身與橫縱梁等關(guān)鍵部位的制造中得到了應(yīng)用，如車頂加強(qiáng)梁、地板通道等，有效提升了汽車的安全性能。

現(xiàn)階段，一些轎車車型中使用高強(qiáng)度鋼的比例已經(jīng)達(dá)到了百分之四十五左右，超過了普通鋼材的用量，而之所以可以得到如此大量的應(yīng)用，主要是由于兩個(gè)方面的原因：一是，與普通鋼材相比，它的抗疲勞強(qiáng)度、剛度和強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能表現(xiàn)非常優(yōu)異，具有較高的安全性;二是，高強(qiáng)度鋼與鎂合金、鈦合金相比，原材料價(jià)格低，可以降低汽車生產(chǎn)成本[4]。所以，在汽車制造中應(yīng)用高強(qiáng)度鋼不僅可以達(dá)到減輕車身質(zhì)量，降低油耗的效果，還能在滿足安全性能的基礎(chǔ)上，降低使用與制造成本，在節(jié)能減排方面具有突出作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的數(shù)量與日俱增，但在帶給人們便利的同時(shí)，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的污染，同時(shí)在安全、能源等方面造成了不利影響。因此，未來汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向應(yīng)該是以降噪、節(jié)能減排與提高安全保障為目標(biāo)，而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化是達(dá)成這些目標(biāo)的重要途徑，在此過程中則需要在汽車制造中有效地應(yīng)用鋁、鎂、鈦與高強(qiáng)度鋼等輕質(zhì)金屬材料，最大化發(fā)揮它們的性能與特點(diǎn)，從而促進(jìn)汽車輕量化的良好發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄭傳寶， 李廣征. 談金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 工業(yè)C，2016，000（001）：P.264-265.

[3]盧振生，呂關(guān)想，史愛平，等. 淺談金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用[J]. 時(shí)代汽車，2020，No.331（07）：49-50.

[4]白彩盛，趙立杰. 金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用探討[J]. 世界有色金屬，2019，No.529（13）：306+308.