轻金属和轻量化材料在汽车中的实际应用

袁金磊

摘 要：在汽车制造业的发展历程中，新材料以及新技术具有十分重要的作用。而在汽车制造的生态、环保、绿色发展道路下，汽车轻量化是一种重要的发展趋势。通过轻金属或者轻量化材料的应用，替代传统的钢材，是汽车轻量化发展的重要方向。本文对轻金属和轻量化材料在汽车中的实际应用进行分析。

关键词：轻金属;轻量化材料;汽车;实际应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.051

在当前时代背景下，能源危机日趋严重，生态、绿色、环保的发展道路逐渐成为各个行业的重要发展趋势，汽车制造业也不例外。结合企业轻量化发展的需求来看，除了轻金属以及轻量化材料替代传统钢材外，还需要对制造工艺进行优化，解决实际应用中存在的技术难题。而汽车制造业的大规模生产需求，还需要从制造的性能、汽车的功能、资源的耗损以及轻量化的趋势等方面进行考虑。

1 汽车制造材料的现状

在我国早期的汽车制造中，所选用的材料大多是质量大、密度高的材料。近些年来，随着社会经济的发展以及制造技术的进步，汽车产业得到了高速发展。与此同时，更加安全、环保、节能的汽车越来越受到消费者的青睐，同时也成为汽车制造的重要发展方向。受到汽车制造的这一目标以及大规模生产需求的影响，汽车制造材料逐渐向低密度、轻金属材料转型。但鉴于轻量化材料在替代传统钢材过程中仍然存在较多的技术难题以及市场挑战，如工艺问题、成本问题以及新材料应用伴随的风险等，现阶段汽车制造的主要材料仍然是以钢材为主。由于钢铁具有工艺性能好、使用性能强、价格低廉等优势，在汽车制造业中，一直是应用最为广泛的工程材料。

除钢铁材料外，轻金属在汽车制造中也具有较为广泛的应用，如铝合金材料等。铝合金材料具有强度高、比重小、耐腐蚀、性能优良等优势，主要用于车身、车轮以及热交换器等部分。而锌合金、镁合金以及钛合金等轻金属材料，虽然在汽车制造行业中取得了一定的发展，但受限于工艺水平等因素，要取代传统钢材，仍然还有很多问题需要解决。

2 常见金属以及轻量化材料的实际应用

2.1 高强度钢板

高强度钢板实质上是对钢板材料的一种改良，通过提高钢板的强度以及性能，达到减少材料的用量的目的，最终实现汽车制造的轻量化需求。就高强度钢板的实现机理来看，主要包括析出强化、细晶强化、固溶强化、烘烤硬化等。高强度钢板中，双相钢是一种较为常用的材料，由铁素体以及马氏体相组织组成，具有较高的强度以及良好的冲压性能，主要用于汽车结构件以及安全部件的制造。此外，复相钢也是一种较为常用的材料，此种钢材的强度大，主要用于汽车车门防撞杆、中立柱以及保险杠等部件的制作。除了上述两种材料，诱导塑性钢也具有较好的发展潜力，是汽车制造材料研究以及未来发展的重要方向。以相变诱导塑性汽车用钢为例，Zackay等人在研究高合金奥氏体不锈钢时首次揭示了相变诱导塑性效应，根据这一效应生产的TRIP钢，在汽车制造中得到了应用，而得益于对TRIP钢相关影响因素进行的调控措施，TRIP钢的性能持续提高，逐渐满足了第三代汽车用薄板钢的性能要求。

2.2 铝、镁合金

与钢材相比，镁、铝合金的密度更低，更加符合汽车轻量化发展的实际需求，被称为汽车减重最具潜力的轻量化材料之一。以下分别对铝合金以及镁合金在汽车制造中的实际应用进行分析。

鋁合金是制造工业中应用最为广泛的一类有色金属结构材料，在机械制造、汽车制造乃至航空航天领域都具有大量的应用实例。而随着工业经济的发展，铝合金焊接结构件的生产需求也更加多元化。

镁合金材料具有强度高、散热性好、弹性模量大、密度小、消震性好等特点，与铝合金相比，镁合金材料可承受的冲击载荷能力更大，且对有机物以及碱性物质的耐腐蚀性较好。镁合金材料主要用于航空航天领域、运输领域以及化工领域等，是实用金属中最轻的金属之一。针对现代汽车制造行业，镁合金材料能够运用到汽车各个重要零部件的制造中，而随着压铸技术的进步，现阶段的生产工艺，已经能够制造出形状复杂、结构特殊的薄壁镁合金车身零件。此外，在实践应用中发现，镁合金材料的应用，能够在一定程度上确保汽车性能的稳定性，延长各个零部件的使用寿命。

2.3 泡沫金属

泡沫金属是含有泡沫气孔的一种特种金属材料，通过独特的结构，实现了隔热性能以及隔音性能的提升，降低了材料的密度，同时还具有吸收电磁波等特点。就汽车制造业的实际情况来看，大量的金属材料消耗是亟待解决的问题之一，虽然目前可生产的不同性能的钢材已超过2500种，有色金属材料也已达到上千中，但仍然不能满足汽车制造的实际需要，尤其是轻量化汽车的制造。而泡沫金属材料的出现，则为这一问题提出了有效的解决方案。一旦汽车用泡沫金属研制成功，实现大批量生产，将成为取代钢材的最佳材料。与传统钢材相比，泡沫金属零件以薄钢外表与泡沫金属中心构成，使得汽车结构材料更具韧性以及坚固性，极大的提高了汽车的安全性、舒适性以及可靠性。

2.4 钛合金

钛合金材料具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，主要用于飞机发动机压气机部件以及火箭、导弹和高速飞机的结构件制作。在汽车制造行业的应用中，钛合金主要用于汽车发动机的制作。此外，打造钛合金车身，将使得整个汽车可承受更大的作用力，极大地提高了汽车的安全性。但钛合金的实际应用存在较大的难题，如制造成本问题等，其实际应用也仅限于赛车制造等。

3 结语

在汽车制造业迅猛发展以及环境问题、能源问题日益突出的大背景下，汽车制造的轻量化发展成为重要的发展趋势之一。在保证汽车碰撞安全性的情况下尽可能减轻车身的整体质量，提高汽车的动力，是轻量化材料取代传统钢材的重要前提，同时也是实现环境友好型汽车制造的重要途径。结合当前轻量化材料在汽车制造中的应用来看，仍然需要对轻量化材料的机械稳定性以及热稳定性等作进一步研究，对制造工艺等作进一步优化。而随着研究的不断深入以及实践应用经验的积累，汽车的轻量化发展必将成为现实。

参考文献：

[1]王瑛喆，刘传值，汪俊辰.轻金属材料在汽车行业中的应用[J]. 南方农机，2017，48（07）：139.