為汽車減負 汽車材料系列之鋁合金

 

 

由于很多汽車品牌在宣傳的時候，很多時候會把車身上使用鋁合金材料當做一個賣點，比如鋁合金懸掛、鋁合金發動機缸體或鋁合金的車架等等，給人感覺鋁合金似乎很貴重。但其實，鋁元素是地殼中的含量最高的元素之一，僅次于氧和硅，居第三位。不過，由于鋁單質的化學性質活潑，所以在自然界它都是以化合物的形式存在，如鋁硅酸鹽礦石、鋁土礦或冰晶石。正是由于這種特性，人類直到近代還原出鋁單質，進而發現電解鋁的方法，才逐漸形成了鋁的工業體系。目前，鋁在人類工業體系中是排在第二的金屬，僅次于鋼鐵。由于鋁的單質性質活潑，因此必須與其他金屬或非金屬物質合成才能成為穩定的材料，因此被稱為鋁合金。

 

 

鋁合金相比于鋼鐵的一個基本優勢是質量更輕。為什么鋁合金的質量更輕？因為鋁的密度比較小，鋁合金材料的密度在2.5-2.8g/cm3，而鋼的密度則在7.8-8.7 g/cm3，在體積相同的情況下，鋁合金的材料的重量僅為鋼材的35-40%，能夠有限降低車身自重。

 

當然，對于工業材料，密度和輕質只是一方面，鋁合金的優勢還在于強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性。為了改變材料的強度，鋁合金根據材料硬度需求會添加不同的其他金屬或礦物質。常見的有硬鋁合金屬Al—Cu—Mg（鋁銅鎂）系，含有少量的Mn（錳），可熱處理強化，硬度大，但塑性較差。超硬鋁屬Al一Cu—Mg—Zn（鋁銅鎂鋅）系，可熱處理強化，是室溫下強度最高的鋁合金，但耐腐蝕性差，高溫軟化快。鍛鋁合金主要是Al—Zn—Mg—Si（鋁鋅鎂硅）系合金，雖然加入元素種類多，但是含量少，因而具有優良的熱塑性，適宜鍛造，故又稱鍛造鋁合金。

 

 

根據不同的合金種類，鋁合金被分為從1系到9系9個不同的類型，其中1系屬于高純度鋁合金，含鋁量超過99.5%。二系含銅元素較多，大約在3-5%，硬度很高，屬于航空鋁材。三系以錳元素為主要成分，含量1.0-1.5%，防銹功能較好。四系以硅元素為主，含量4.5-6.0%，具有耐熱耐磨的特性，建筑材料和工業用較多。五系主要元素為鎂，含量3-5%之間，特點是密度低，抗拉強度高，延伸率高，疲勞強度好，但不可做熱處理強化。六系主要含有鎂和硅兩種元素，因此結合了四系和五系的優勢，也是汽車材料中運用較多的。七系主要含鋅元素，硬度高，也也屬于航空鋁材。八系主要是鋁箔，電池行業運用較多。九系是備用材料。

 

 

我們以上圖中的某汽車品牌的副車架為例，它采用了6系的擠壓鋁，所謂擠壓是指將鋁合金錠坯裝入擠壓筒中，通過擠壓軸對金屬施加壓力，使其從給定形狀和尺寸的模孔中擠出，產生塑性變形而獲得所要求的擠壓產品的一種加工方法，這種加工方式出來的材料強度更好。

 

而在轉向節、發動機懸置骨架、懸掛連桿等位置，由于零部件的體積小、結構復雜，采用鑄造工藝的鋁合金成型方式。

 

 

那么，使用鋁合金材質的零部件，能減輕多少重量呢？

 

我們以某車型的零部件為例，采用鋁合金發動機蓋的重量為8.61公斤，同類型鋼制件重量約為16公斤。采用鋁合金防撞梁的重量為4.2公斤，同類型鋼制件重量約為7.8公斤。這兩項的減重率都在46%，效果還是挺明顯的。

 

 

那么，為什么鋁合金材料為什么大都用在副車架、防撞梁、發動機蓋、車門或懸掛的擺臂連桿、輪轂等部位，而較少用在車架上呢？因為設計車架并不能僅僅只考慮輕量化的問題了，還要考慮材料的強度。以拉伸強度為例，高強度的鋁合金可達480MPa，國產的超高強度鋁合金可以達到740MPa，而超高強度的鋼材可以高達1620MPa。在車架受力的核心部位，如A柱、B柱、前后縱梁等位置，只有高強度鋼材才能勝任。下一期，我們就重點介紹下鋼鐵材料。