汽车轻量化铝合金研究进展

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优选材料，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，较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]从靠前辆全铝车身奥迪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、尺寸准确、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较常用的变形铝合金，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。