浅谈金属材料在汽车轻量化中的应用与发展

任丽宏　徐英

摘 要：随着社会经济的快速发展，环境污染与能源短缺问题愈发突出，对汽车工业未来的发展带来了巨大挑战。汽车工业要想实现可持续发展，首先需要解决的一大问题就是节能减排，而实现节能减排的关键就是汽车轻量化。汽车轻量化的实现途径之一，就是使用轻质金属材料，它不仅可以达到节能减排的目的，部分材料还可以提高车身的安全性与耐久性。基于此，本文主要探究了金属材料在汽车轻量化中的应用与发展，以供大家参考。

关键词：金属材料 汽车轻量化 应用

Talking about the Application and Development of Metal Materials in Automobile Lightweight

Ren Lihong Xu Ying

Abstract：With the rapid development of social economy， the problems of environmental pollution and energy shortage have become more and more prominent， which has brought huge challenges to the future development of the automobile industry. If the automobile industry wants to achieve sustainable development， the first major problem that needs to be solved is energy conservation and emission reduction， and the key to achieving energy conservation and emission reduction is the lightweight of automobiles. One of the ways to achieve lightweight cars is to use lightweight metal materials， which can not only achieve the purpose of energy saving and emission reduction， but some materials can also improve the safety and durability of the body. Based on this， this article mainly explores the application and development of metal materials in automotive lightweight for reference.

Key words：metal materials， lightweight automobile， application

1 引言

近年来，随着人们物质生活水平的提升，汽车已逐渐成为每个家庭都可以消费得起的一件商品，在此情况下，我国汽车保有量每年都在迅速增长，而随之带来的就是环境污染、能源短缺等问题。因此，如何制造出低排放、低成本、安全的汽车就成为了人们思考的重要问题，而在汽车生产制造中使用各种轻质金属材料，如铝合金、镁合金以及钛合金等，就可以有效解决这类问题，适应新时期人们对汽车的需要。

2 汽车轻量化的概念与意义

汽车轻量化指的是，汽车造价不发生变化的同时，不影响汽车原有的抗震性、安全性、舒适性以及抗撞性等条件的前提上，将汽车的重量进行最大化降低，以此提升汽车行驶的速度、减少燃料消耗与尾气排放。在此过程中，需要遵循的基本原则是确保汽车的稳定性没有受到影响的基础上，可以通过节能化处理汽车的各类零部件，进而优化车型，实现汽车轻量化的目标，总之这就是一个降低重量、提高性能、优化结构及价格合理密切结合的系统工程，对整个汽车工业的持续发展有着深远的意义。

相关实践研究表明，汽车的油耗与自身的质量有着直接的关系，通常汽车质量越大，则油耗也会越大，所以通过对汽车进行轻量化处理，可以实现节能减排的目标。从具体的数据中可以看出，当汽车的质量降低1kg的时候，就可以让1L汽油多驱动汽车行驶0.011km，同时也会减少二氧化碳的排放。另外，汽车轻量化对提升汽车的性能也具有重要意义，根据相关研究表明，汽车质量降低百分之二十五的时候，汽车的加速到96.56km/h的時间将缩短四秒，从原本的十秒降低到六秒，并且能大大减轻汽车动力与动力传动系统的负荷，使汽车表现出更好的行驶性能。

3 金属材料在汽车轻量化中的应用

汽车轻量化的实现，需要从设计、工艺及材料等多个方面进行着手，其中材料的轻量化是十分关键的。关于汽车轻量化的材料，主要可以分成两大类，即高强度材料与低密度轻质材料，其中高强度材料主要是指高强度钢，而低密度轻质材料主要包括钛、镁、铝以及复合材料等。在轻质材料中还有聚合物类的塑料制品，但这种材料会带来环境污染问题，所以在使用中会有限制。为此，目前在汽车轻量化中应用最多的就是钛、镁、铝等低密度的轻质金属材料，实际的应用中会将这些材料形成合金，这样既能保证汽车轻量化的同时，让汽车的安全性、舒适性不会受到影响，以下重点介绍了这些材料的应用。

3.1 铝及铝合金

铝在诸多轻量化的材料中，属于比较早被应用于汽车轻量化中的，经过不断地发展，如今的生产与处理工艺都十分成熟。铝与铝合金的特点包括弹性好、密度小、比强度和比刚度高等，并且耐腐蚀与耐磨性能良好，加工成型和表面着色容易，所以也能进行回收再利用，正是因为这些特点，使得它在汽车制造领域得到了十分广泛的应用。不过，与钢相比铝及铝合金在力学性能、承载能力等方面还存在比较显著的差距，这也是制约铝及铝合金在汽车制作中应用的一大因素，此外由于生产技术局限、工艺负责的因素带来的过高成本，也限制了铝及铝合金的应用[1]。

目前，铝及铝合金在汽车制造中的应用，主要是在车轮、动力系与悬架系的零部件中，如在汽车底盘中的应用，有变速器壳体、离合器壳体以及转动器壳体等。目前，在乘用车上铝合金轮毂的应用十分广泛，已经逐渐替代了锻钢与铸钢，其原因是在相同使用条件下，铝合金轮毂的自身重量更轻，并且它的散热性能更好，可以减少由于轮胎温度过高而引起的爆胎危害。除此之外，由于其导热性好，质量轻的优点，也被应用于发动机的零部件制造中，对实现发动机轻量化意义重大，相信未来它的应用范围将会进一步扩大，预计未来汽车的铝化界限能达到百分之三十到五十左右。

由于汽车轻量化中铝及铝合金是一种十分重要的金属材料，所以对新的铝合金材料及其加工技术，人们进行了一系列研究，如“铝合金半固态成形技术”就是现阶段较为先进的一种铝合金加工技术，其生产出来的铝合金汽车零件组织致密、性能优良，在汽车制造中有着重要的应用。

3.2 镁及镁合金

镁及镁合金是一种很有开发潜力的轻质结构材料，其特点主要有质量轻、密度低等，相较于铝合金而言，镁合金更轻，属于最轻的一种金属材料。同时，它也有良好的比强度，比铝合金与钢还高，并在比刚度方面与这两种材料并没有多少差异。另外，在阻尼系数与消震性方面，其性能也十分优异，与铝合金相比有着更好的承受冲击荷载的能力，所以这种材料可以被用于汽车壳体制造降低噪声，将其用于轮圈则可以减少震动，可见对提高汽车的舒适性与安全性方面，镁及镁合金具有明显优势[2]。

在工艺性能、导热性等方面，镁合金的表现都非常优异，其铸造性能与尺寸稳定性都比较高，所以加工相对简单与方便，并且废品率较低。当然，它并不是完美的，主要的缺陷在于抗蠕变能力与高温疲劳性方面，所以镁合金的广泛应用需要解决好这方面的问题，也是日后重点研究的课题。在汽车制造中，目前镁及镁合金的应用主要还是在压铸件方面，它可以到铸铁、铝合金与钢制冲压焊装组合件等，支架类与壳体类是目前镁及镁合金在汽车零部件中主要应用的两个领域，其中支架类包括了刹车支架、方向盘以及车镜支架等，壳体类则包括空调机外科、离合器壳体等。

3.3 钛和钛合金

钛及钛合金的综合性能是十分优异，对汽车实现高性能化起着重要的作用。其密度比较小，并且在韧性、强度、抗蚀性等方面有着非常良好的性能，即使在微氧化气氛和氯离子侵蚀的海洋大气环境中，抗蚀性也比较好。工作温度区间比较宽，与铝合金和镁相比，耐热性要明显高于它们;同时具有良好的焊接性能与加工性能。

50年代，钛及钛合金就已经进入到汽车制造领域中，但由于价格等因素，发展十分缓慢。钛金属具有较高的熔点以及十分活泼的化学性质，与H，O，C和N等元素都有着很强的亲和力，所以提取纯钛的难度比较大[3]。不过，随着科学技术的不断发展，这一问题也将得到有效解决，钛及钛合金在汽车制造领域中的应用也会高度重视，尤其是作为结构功能性材料的使用，是一种比较理想的选择。

3.4 高强度钢

高强度钢主要是屈服强度超过1370MPa，抗拉强度在1620MPa以上的合金钢，它的主要合金元素有硅、锰、铬以及钼等，由于这种材料的抗拉强度与屈服强度都比较高，所以在汽车制造中主要被应用于汽车车身，不仅可以降低车身的质量，还可以提高汽车碰撞安全性。

钢材是汽车白车身的主要构成材料，而在减薄车身用板厚度与降低重量的过程中，就可以合理运用高强度钢板的方式来实现，根据相关研究表明，与普通钢板车身相比，高强度钢板车身的质量可以减少百分之十五到百分之二十左右，板材厚度可减少1.0-2.0mm，所以这种金属材料对于减轻车身质量与提高车身强度有着重要作用。为了可以保证汽车的安全性呢，通常要求其结构梁类零件受到碰撞冲击的话，变形量需要在比较小的范围内，而高强度钢因为具有良好的抗拉强度，在车架、车身与横纵梁等关键部位的制造中得到了应用，如车顶加强梁、地板通道等，有效提升了汽车的安全性能。

现阶段，一些轿车车型中使用高强度钢的比例已经达到了百分之四十五左右，超过了普通钢材的用量，而之所以可以得到如此大量的应用，主要是由于两个方面的原因：一是，与普通钢材相比，它的抗疲劳强度、刚度和强度等综合力学性能表现非常优异，具有较高的安全性;二是，高强度钢与镁合金、钛合金相比，原材料价格低，可以降低汽车生产成本[4]。所以，在汽車制造中应用高强度钢不仅可以达到减轻车身质量，降低油耗的效果，还能在满足安全性能的基础上，降低使用与制造成本，在节能减排方面具有突出作用。

4 结束语

综上所述，随着汽车工业的飞速发展，汽车的数量与日俱增，但在带给人们便利的同时，对环境产生了较为严重的污染，同时在安全、能源等方面造成了不利影响。因此，未来汽车工业发展的主要方向应该是以降噪、节能减排与提高安全保障为目标，而实现汽车轻量化是达成这些目标的重要途径，在此过程中则需要在汽车制造中有效地应用铝、镁、钛与高强度钢等轻质金属材料，最大化发挥它们的性能与特点，从而促进汽车轻量化的良好发展。

参考文献：

[1]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]. 南方农机，2017，48（005）：139-139.

[2]郑传宝， 李广征. 谈金属材料在汽车轻量化中的应用与发展[J]. 工业C，2016，000（001）：P.264-265.

[3]卢振生，吕关想，史爱平，等. 浅谈金属材料在汽车轻量化中的应用[J]. 时代汽车，2020，No.331（07）：49-50.

[4]白彩盛，赵立杰. 金属材料在汽车轻量化中的应用探讨[J]. 世界有色金属，2019，No.529（13）：306+308.