浅谈汽车材料的轻量化发展态势

中国汽车工程师之家 随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，可以说，从90年代开始，汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。本文将重点介绍汽车材料轻量化发展态势。

一、汽车轻量化成为汽车材料发展的方向

在汽车产业飞速发展的同时，汽车材料轻量化也成为汽车发展的必然趋势。轻量化不但可以减轻车身质量、节约能源、降低油耗、减轻污染，也可以降低成本、提高企业竞争力、增加企业利润。有关资料显示：汽车的一般部件质量每减轻1%，可节油1%；运动部件每减轻1%，可节油2%。近年来，各国汽车制造商都致力于探索、应用汽车新材料，在保证汽车综合性能的前提下减小汽车自身质量。所以，汽车轻量化已经成为汽车材料发展的主要方向。

无论从数量、质量还是从汽车零部件的技术要求看，金属材料在汽车中的使用都具有极其重要的地位。尽管使用非金属材料的数量在逐年增加，但金属材料在使用量上仍占有较高比例，传统汽车材料例如钢、铁等所占比例仍然比较高。

汽车轻量化的重要手段之一是在保证汽车综合性能的前提下，汽车材料向轻质材料方向发展，包括铝合金材料、高强度钢、镁合金材料、钛合金材料、塑料和复合材料等。

二、轻量化材料在汽车上的应用

1.铝合金

铝相对于钢、铁来讲，，质量轻许多，而且铝资源丰富，市场供应充足。铝加入合金元素后，具有密度小、质量轻、导热性能高、吸收冲击能力强、易于回收再生、耐腐性高等特点。铝合金的密度大约是钢铁的1／3，吸收冲击的能力大约是钢的2倍，导热性能大约比铁高3倍，所以铝合金是汽车轻量化的首选材料，在汽车上使用比较早，技术也相对成熟。20世纪80年代，美国在轿车上平均使用铝合金量为55kg，90年代达到130kg。日本在汽车上使用铝合金材料的进展很快，跑车用铝合金最多，每车使用铝合金达250kg，占整车质量的16.4%。铝合金在汽车上的应用主要为以下几种：

铸造铝合金。铸造铝合金具有优良的铸造性能，铸造方法很多，可根据使用目的、零件形状、数量、质量标准、机械性能等方面的要求和经济效益，选择最适宜的合金和铸造方法，生产效率比较高。铸造铝合金主要用于汽车发动机部件、离合器壳体、变速器壳体、后桥壳、转向器壳体、正时齿轮壳体等壳体类零件；也可用于制造保险杠、车轮、发动机框架、转向节液压泵总成、刹车钳等零部件。

形变铝合金。形变铝合金与铸造铝合金相比，强度、韧性都大为优越。形变铝合金在汽车上主要用于制造保险杠、发动机罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身构架、座位、车箱底板等零部件。美国汽车形变铝合金所占的比例较高。

锻造铝合金。由于价格昂贵，以前锻造铝合金只是在欧美高级轿车上有少量应用。由于锻造铝合金热锻时不氧化、表面光洁、机加工余量小、无加工缺陷，所以在汽车上的应用正在逐渐增加，主要用于汽车的托架和载货汽车的车轮等。

2.高强度钢

虽然汽车制造中铝等轻质材料不断增加，但钢铁仍是汽车制造的主要材料。铝等轻质材料由于受到自身性能、工艺要求以及价格等因素的限制，在汽车制造中仅能代替一部分钢铁。高强度钢相对于普通钢来说具有高强度、质量轻、成本降低等特点，而且能够提高安全性能，所以高强度钢已成为颇具竞争力的汽车材料轻量化的原材料。使用高强度钢板代替普通钢板制造汽车车身，汽车自身质量可减轻30%～40%；代替普通钢制成的传动轴质量可减轻约10%。北美开发的PNGV-Class轿车，车身全部采用高强度钢，其质量只有218kg，与全铝车身相当。所以高强度钢是汽车钢铁材料今后的主要发展方向之一。目前，汽车制造商用高强度钢取代普通的钢材和铸铁制造汽车车身、底盘、悬架、转向等汽车零部件，不仅有利于实现汽车轻量化，降低能耗和保护环境，而且可以大幅度地提高汽车的耐侵蚀能力，增加汽车使用寿命。

3.镁合金

全世界已知含镁矿物有60余种，镁是目前工业应用材料中最轻的一种金属，也是地壳中含量丰富的元素之一，镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性、导热导电性能好、吸振性和易于加工成型等特点，所以镁合金是具有竞争力的汽车轻量化材料之一。在汽车上使用镁合金至少已有60年的历史。早在1930年，Louris Chevrolet就在一辆赛车上首次使用镁合金制作活塞。1990年日本等国家在汽车压铸件上也都使用了镁合金。从汽车上使用镁合金零部件的数量看，平均用量不高，远不如铝合金。但是，近年镁合金在汽车上的应用一直以较快的速度增长。在汽车上使用镁合金制造的零部件目前绝大部分是压铸件，镁合金压铸件在所有压铸合金中是最轻的而且使用期限要比铝合金长。镁合金压铸件主要制作汽车仪表板、座椅骨架、变速器壳体、方向盘操纵系统部件、发动机零部件、车门框架、轮毂、支架、离合器壳体、车身支架等。

4.钛合金

钛合金是一种新型材料，它具有优异的综合性能，密度小、比强度和比断裂韧性高、低温韧性良好、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好。钛可以减轻汽车发动机的质量、提高汽车车速、降低噪声、降低平均油耗，在改善发动机工作性能上有很大的优势。另外，用钛合金制造发动机气门，要比钢制气门轻15%～20%。所以钛合金成为汽车轻量化考虑采用的材料。日本于1968年在赛车的发动机零件上使用了钛材料。目前，钛合金主要用于制造发动机零部件和车身零部件等，同时也考虑用钛合金制造汽车发动机气门、气门弹簧、气门座圈和连杆、排气管、车轮、高强度坚固件等。虽然钛的应用前景十分广阔，但是钛的缺点是成本高、加工性能差，切削、焊接和表面处理都较难。

5.塑料

塑料及其复合材料不仅可以减轻零部件约40%的质量，还可使成本降低40%左右。据有关资料统计，2000年世界平均每辆汽车上塑料的用量已达到105kg，约占汽车总质量的8%-12%。塑料零部件被用于汽车领域始于20世纪50年代，1959年福特公司首先将聚氯乙烯溶胶应用于汽车制造业。近些年，汽车上塑料用量的增长还在继续，且增长速度非常快。塑料在汽车上的应用主要为以下几种：

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