孙凤雨

摘 要：伴随汽车工业的快速发展，能源短缺和环境污染问题已成为汽车工业未来面临的主要问题。如何实现节能减排，已成为汽车工业亟待解决的问题。而汽车轻量化是实现节能减排的关键，是汽车工业可持续发展的关键。轻量化材料的应用是实现汽车轻量化的重要途径之一，可以有效地地实现节能减排，有些材料还可在一定程度上能提高车身的耐久性和安全性。本文主要研究铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢在汽车上的应用。

关键词：轻量化 铝及铝合金 镁及镁合金 高强度钢 钛合金

中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-00-02

1 引言

汽车轻量化是在保证原有性能（如安全性、舒适性）不受影响的前提下，减轻汽车整备质量。由于汽车质量的大小直接影响到汽车行驶的滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力，可见汽车质量的大小与燃油消耗率有着密切的关系。

据权威部门统计数据表明，汽车所用燃料的60%消耗于汽车质量，汽车每较小10%的质量，排放会减小约10%，油耗约减小7%，可见汽车轻量化，对节能减排具有重要的意义[1-2]。

实现汽车轻量化的途径有结构优化、应用轻量化材料、采用先进制造工艺3个方面。其中轻量化材料的应用起主要作用，轻量化材料分为金属材料和非金属材料两类，本文阐述几种主要的金属材料在汽车上的应用，如铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、高强度钢的应用。

2 几种主要的金属材料在汽车上的应用

2.1 铝及铝合金

金属铝的密度较小，大约为铁的1/3，导热性良好，仅此于铜；铝塑性较高，易于加工成型，同时具备良好的抗腐蚀性能。只是金属铝强度不高，不适合制成结构件，但金属铝的优良性能在于能够和众多金属元素组成性能不同的合金，称之为铝合金，在铝的基础之上，铝合金具备了密度小强度高的特点，铝合金的强度和优质钢相当。

铝合金主要添加的金属元素有铜、锌、锰、硅、镁等。铸造铝合金熔点低、流动性良好可以实现复杂形状零件的成型，适合铸造复杂的箱型零件、壳体零件等，如发动机的机体。变形铝合金可采用轧制、锻造、拉拔或挤压成型，如铝合金轮毂。铝合金在汽车车身、发动机、传动系、行驶系上均有广泛应用[3]。

目前，发动机上的主要零件已由早期的铸铁逐渐转换为铝合金，如机体、活塞、油底壳等零件，机体是铝合金用量最大的部件，与高强灰铸铁机体相比铝合金机体的具有诸多优点，铝合金质量轻、导热性好，有利于发动机散热，进而可以减小散热器的尺寸，有利于实现发动机轻量化。另外水泵壳体、油泵壳体、发电机壳体、起动机壳体，各类支架、支座类零件也多由铝合金制成。

铝合金在汽车底盘上的应用，主要有离合器壳体、变速器壳体、转向器壳体、制动器壳体、转向节、制动钳、轮毂等零部件。一部分汽车的刹车踏板、离合器踏板、方向盘骨架、轮毂也已采用铝合金制造。以铝合金轮毂为例，铝合金轮毂目前在乘用车上已经广泛应用，逐渐替代了铸钢与锻钢。这是因为在满足相同使用条件的情况下，铝合金轮毂自身重量比钢轮毂降低一半，另外，铝合金良好的散热性，可以减低轮胎的温度，降低爆胎的危害。

铝合金在车身各部件上的应用较多，某些高档轿车高端车型甚至采用“全铝车身”，早在1995年，奥迪公司采用了全铝车身打造了奥迪A8型轿车，这也是铝质材料车身最具代表性的应用。目前部分汽车的座椅、车厢底板、行李架、车身部分面板等部件均已采用铝合金，表1以德国产某轿车车身用铝为例，介绍了铝合金在车身上的主要應用。

虽然铝合金在车身轻量化中起着重要作用，但是仍存在一些不足，比如铝合金板材的局部拉延性不好，容易产生裂纹；撞击变形后，由于铝材的整形技术、表面处理喷漆技术难度大，导致维修成本高，钣金修复不如钢车身。

2.2 镁及镁合金

金属镁是目前工业用金属材料中密度最小，比强度最高的材料，其密度在20℃时仅1.73g/cm3，比铝的密度低36%，比铁的密度低78%，镁合金作为轻质合金，普遍应用于交通工具中。镁合金不但质量轻，而且抗震性能也很好，是一种理想的减振材料；另外，镁合金有良好的压铸成型性能，可铸造薄壁件及复杂零件[4]。

镁和镁合金在汽车上的应用主要以压铸件为主，大体可分为两类，一类是壳体类零件，一类是支架类零件，如变速箱体发动机前盖、离合器壳体、刹车支架、方向盘、转向支架等。镁合金零件的轻量化效果十分明显，表2所示为一汽铸造公司目前生产的部分镁合金零部件及单重表。

镁合金虽然有诸多优良性能，但是也存在一些缺点，如抗高温、抗疲劳破坏能力差等，若要提高镁的利用率，应进一步完善镁合金的耐高温性能和抗疲劳破坏的能力。

2.3 钛及钛合金

钛及钛合金具备优异的综合性能，钛合金的应用，对汽车实现节能环保具有重要作用，也是汽车实现高性能化的基础。钛合金是一种新兴材料，备受汽车工业的关注。

钛的密度小，界于铝和铁之间，钛的比强度高，韧性与钢铁相当，应用钛及钛合金制造的汽车零部件，轻量化效果十分明显，是车体框架材料的良好选材。

钛及钛合金的抗腐蚀性能好，优于不锈钢，工作温度范围较大，其工作温度在-253℃～550℃之间，因此，钛及钛合金在排气系统中的用量较大。钛合金排气系统使用寿命长、可靠性高；与传统钢制排气系统相比质量轻，据相关研究表明，钛合金排气系统比钢排气系统质量减轻约40%，轻量化效果明显[2]。

钛及钛合金弹性模量低，适合制作弹性元件，与钢制汽车弹簧相比，性能相同的情况下，弹簧高度可减小60%，质量可减小60%～70%，利于车体设计，钛合金优异的抗疲劳性能和耐蚀性可提高钛弹簧的使用寿命[2]。

2.4 高强度钢

一般屈服强度在1370MPa以上，抗拉强度在1620MPa以上的合金钢称超高强度钢，高强度钢主要的合金元素有镍、铬、钼、锰、硅等。由于高强度钢的屈服强度、抗拉强度较高，应用于汽车车身，可降低车身质量，提高汽车碰撞安全性。

汽车白车身主要由钢材组成，那么合理的应用高强度钢板可以达到减薄车身用板厚度和重量的目的，研究表明与普通钢板车身相比，高强度钢车身板材厚度可减少1.0～2.0mm，质量可减轻15%-20%左右，高强度钢对提高车身强度减轻车身质量具有重要作用。因此高强度钢的应用可以减轻汽车质量，降低燃油消耗，同时满足安全性能的要求，降低了制造成本和使用成本，对实现节能减排具有重要意义[5-6]。

为了满足安全性，要求结构梁类零件受到碰撞冲击后变形量很小，高强度钢具有较高的抗拉强度，主要用于车身、车架、横纵梁等关键部位，如A柱、B柱、C柱加强板、车顶加强梁、地板通道等。高强度钢的应用对提高汽车安全性也起着重要的作用等。

目前，部分轿车车型高强度钢的用量可达45%左右，用量非常大，已经超过普通钢材，高强度钢之所以在汽车上大量应用，一方面，与铝合金、镁合金相比，高强度钢的原材料价格较低，能够降低成本；另一方面，与普通钢板相比，高强度钢的强度、刚度、抗疲劳强度等综合力学性能较好，安全性高。

参考文献

[1] 李中.钛合金在汽车上的应用[J].中国有色金属学报，2010（10）：1034-1038.

[2] 祝明明，张庆帅，石旭.金属材料在汽车轻量化中的应用与发展[J].车辆与动力工程，2017（3）：138-141.

[3] 李景坤. 浅谈铝合金在汽车上的应用[J].内燃机与配件， 2017（18）：32-33.

[4] 陈元华，杨沿平.轻合金在汽车轻量化中的应用研究[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2008（1）：20-22.

[5] 赵汉兴，黄宜贤.高强度钢在车身轻量化中的应用研究[J].技术与市场，2016（6）：169-170.

[6] 刘文华.高强度钢在汽车轻量化中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.