应用于汽车业的新金属

newmaker    来源：美国Automotive Engineering International杂志

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 以前曾经被认为无法应用到汽车上的一些金属材料目前都已经广泛用于批量的汽车生产中，主要目的是降低车重，提高燃油经济性和行车性能。 随着油价的不断上升，消费者追求节能型轿车的需求越来越大，世界各汽车厂商也逐渐把产品开发重心偏向小型车。但是市场对节能型小型车需求的提升是否就意味着消费者可以接受放弃他们在过去二十年中所享受的在安全性和便捷性方面带来的技术进步呢？ 在降低车身重量的同时保持车型尺寸和安全性，汽车制造商目前越来越倾向于采用质轻的高性能钢以及铝、镁材料，甚至是以前不被接受的钛金属，以此来达到降低车身重量的目的。2008年4月期刊登的《高强度钢在汽车制造中的应用》讲述了高强度钢的应用，本文将介绍其他一些金属材料的应用情况。 根据美国权威机构IBIS Associates的最新报告，通过铝车身结构降低重量，柴油车和混合动力车的燃油效率可以分别提高46%和51%，高于传统汽油车可以提高的效率。 铝的应用较广泛 铝是最常用的有色金属，北美生产的轻型车辆平均每辆采用157kg的铝，预计到2015年会增长到181kg。十年前每辆车上铝的含量是110kg，而1973年这个数据仅仅是37kg。 据美国市场研究公司Ducker Worldwide调查显示，目前车辆上采用铝的含量最多的部件按多到少分别为：车轮、发动机盖、悬架臂、变速箱、制动钳、转向节和发动机缸体。此外，2006年北美大约有1300万件车身挡板和10万件白车身采用了铝金属，有9900万个全铝车轮和5500万个全铝气缸盖。 “铝在汽车上的应用越来越多，大有超过其他替代性材料的趋势，这主要是因为一些大型汽车制造商都认识到了铝不仅可以提高燃油经济性、整车性能以及安全性，还可以降低排放，”美铝公司高级运输系统总裁Misha Riveros-Jacobson表示。“在今天油价不断攀升、全球气候变暖以及消费者对安全性要求不断提升的情况下，铝无论在今天还是在未来都将是一个很好的解决办法。” 由于各大厂商对铝使用量的增加，2006年，铝含量超过227kg的车型超过了50辆，总产量数量约为200万辆。 美国铝金属协会（Aluminum Association）轿车与轻卡部门总裁Buddy Stemple表示，挡板是在一辆车上采用铝金属部件的最简单方式，因为这些挡板都是卯上的。不过，车身结构件所占的比重更大，因此在这些部件上采用铝金属对降低车身重量的意义更大。“车身结构给整车减重带来了很多机会，但是同时也带来很大的挑战，”捷豹公司车身结构工程师Mark White指出。 对结构性部件来说，汽车制造商一般只是在较大的二次设计中用铝来代替钢。在结构件组装过程中，焊接往往会带来某些部件强度和稳定性的问题，这使制造商不得不考虑其他一些连接技术。 “目前的发展趋势是化学键接，”Stemple表示。“这是一项成熟的应用技术，比如在马车上，铝板与结构件之间的结合就是采用这种技术，而且已经应用了多年。”在某些应用方面，也许铆接可以达到最好的效果，但是对有些应用，焊接却是更好的，只是要解决焊接中遇到的一些问题。 将一些结构铸件（比如动力系统和悬架底座的隔板）直接焊接到钣金部件上一般都是类似奥迪A8和捷豹XK/XJ这样的高产能车辆生产方式，而低产量制造商如莲花和阿斯顿•马丁往往采用铝制挤压件来连接铸件，就如同框筒（frame tube）的作用一样。但是Stemple表示这种方式虽然重量轻而且强度高，但是比较耗时而且只适合限量式的生产。 加工技术的进步 据White表示，捷豹还在改进铝部件的制造工艺，针对在产车型定期进行一些测试和更改。通过与加拿大铝业公司Alcan旗下钣金公司Novelis的合作，捷豹公司研发出了一种新型材料——该材料在中间有强度更高的合金，而外表是柔软且可以塑形的材料。White说，“这样就获得了两种不同合金的机械属性。” 这意味着捷豹公司可以将铝车身部件的厚度从以前的0.93mm降低到0.88mm。相比较来说，以前钢车身部件的厚度为0.70mm，而其他制造商的铝制面板的厚度为1.05~1.20mm。采用这样的技术生产出来的前翼子板重量比以前的铝制合金件降低了5%。 部件厚度的降低减少了铝的使用量，同时也缩小了铝与钢部件之间的成本差距。White说，“成本依然是铝在汽车上广泛应用的最大障碍。” 此外，捷豹公司还在努力降低铸件的重量。“我们目前采用的是第三代铸造技术，”White说。除了可以将铸件壁厚从4.0mm降低到2.0mm，捷豹公司还可以降低每一个铸件生产所需要的人力。 这样的话，铸件就要采用退火处理而不是耗时耗能的热处理。“目的都是要生产出非热处理的铸件，”White说。 要想达到这个目的，必要采用高质量的合金，而且生产流程也要非常仔细，不能在处理过程中接触空气中的氢。White表示铝合金技术的发展可以效仿高强度钢合金技术的不断进步。 目前捷豹车型车身结构普遍采用的是5754号合金，而新的合金还可以在此基础上再降低10~15%的重量。因此，在目前合金相对钢可以节省40%重量的基础上，新的铝合金又可以再降低5%的重量。 日产公司采用真空压铸方法使GT-R跑车上的铝铸件最薄的壁厚达到了2.3mm，比传统的4mm降低了1.7mm。这款跑车分别在后隔板、前横向连杆和车门框架上采用了铝铸件。 White指出，铝在汽车工业中无法得到广泛应用的最大障碍是其价格的不稳定性。如果铝行业可以与汽车制造商签订长期供应合同，这样就可以稳定价格，而汽车制造商就可以投入更多的关注度。 镁应用的延伸 此外还有一个引起汽车工业兴趣的轻量化金属是镁。镁一直都应用在改装车轮制造上，最近几年也逐渐延伸到其他应用领域，比如宝马公司在最新推出的一款直列六缸发动机上就采用了镁铝合金汽缸。 “这款发动机并不是限量版的，”宝马公司先进材料部门高级工程师Azita Khalili指出。她还表示，宝马公司一直在努力通过将铝应用到某些车身部件如副车架和车身面板上来降低整车重量，事实上这家以车辆操控性能享誉全球的公司更倾向于减少前车轮上的车身重量，因为这样可以提高车辆的操控性能，与其一向的追求目标是一致的。 这就是为什么宝马公司要用镁来制造发动机的原因。据Khalili介绍，采用镁铝制造的这款发动机比传统的全铝发动机重量减轻了13.6kg。 这款发动机的气缸体是在970bar高压下将700°C的镁挤压到模具中制造而成。金属液体10秒钟后固化，然后20秒后就可以从模具中取出。宝马公司采用的是诺兰达铝业（Noranda Aluminum）公司生产的AJ62产品，因为这款专利产品热强度和机械强度都比较高，此外铸造、防侵蚀及抗蠕变性能都较强。 宝马公司还在旗下的Mini Cooper、X5和劳斯莱斯Phantom等车型的仪表板隔板上采用了压铸镁件。而对Mini车型来说，因为受到空间的限制，镁也是唯一的选择。 此外，法拉利公司也一直是将轻质材料应用在汽车生产上的先行者。在F430 Scuderia车型上，除了一些基本的车身部件如单排座车身（与美铝公司合作开发）之外，该车型还在悬架臂上采用了镁金属，来进一步降低车身重量。 钛的发展空间 除了铝和镁之外，法拉利Scuderia跑车甚至还采用了钛金属，主要应用在悬架弹簧和固定车轮和轮毂的螺母上。但是曾经领导过美国钛金属公司（TiMET）汽车部门，目前为Faller Consulting Group执行合伙人的Kurt Faller认为钛金属在汽车上的应用不仅仅局限于此。 据Faller称，TiMET公司后来解散了汽车部门，不是因为汽车工业对钛没有需求，而是因为来自航空业的需求太大。 的确如此，国际钛协会（International Titanium Association）此前向日本制铁公司颁发了2008年度之奖，奖励该公司将钛运用到汽车和摩托车行业所做的努力。 钛业公司（Titanium Industries）总裁兼COO Brett Paddock认为，这些努力让人们逐渐认识到用钛金属来生产汽车部件的想法不再像之前那么遥不可及了。他说道，“钛金属产品的制造十年前看来还是个谜，而现在这种观念已经完全改变了。”他还指出对钛工业来说，除了消费和医学领域，汽车也是同样重要的应用领域。 Faller指出，在汽车领域，钛主要适用于五个领域，分别为悬架弹簧、气门弹簧、阀、连杆和排气系统。 Faller说，全球目前有2500万个发动机气门采用了钛金属，基本上都是应用在摩托车上。在汽车方面，日产公司在其4.5L V8发动机的气门及气门弹簧上采用了这种金属。采用钛金属的气门在重量上比空心的钢制气门轻60~65%。 发动机连杆采用钛金属可以带来更显著的效果，除了可以使每个连杆的重量减轻200~300g，还可以使凸轮轴平衡轴的重量降低200~300g。 这些减重效果相对整车来说可能是微不足道的，但是因为这些都是往复运动的组件，因此在提高车辆耐久性和NVH性能方面还有具有一定意义。Faller指出，相对其他领域，排气系统方面还有很大的减重空间。 对于悬挂弹簧来说，每辆车可以降低的重量约为20~25kg。相对其他系统或部件来说，采用钛金属的排气系统有一个好处就是不用置换加工的工具，因此不必额外投入资金购入新的设备，此外排气系统采用新的材料后也不必像结构件那样需要再进行碰撞测试。 Faller表示，在不久的将来，柴油涡轮增压机叶轮有望能够采用钛金属。“到2012年，北美市场每辆柴油车上都有可能配备采用钛金属制造的压缩机，”他说。 但是同铝一样，镁金属可以在汽车工业领域得到广泛应用的最大障碍也是其价格的不稳定性，Faller指出。每年，镁金属行业为汽车工业（包括赛车行业）供应约5000吨的镁。如果可以签订长期的供货合同，镁在汽车领域的应用还会增长。他认为，如果行业提供支持的话，这个数字在五年内会翻番。(end)

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