摘 要

自20世纪末以来，随着全球变暖现象日益突出，世界各国政府和组织意识到需要控制温室气体排放，各国节能减排法律法规相继颁布。在实现节能减排的道路上，国际汽车行业都把汽车轻量化作为关键的手短，而在实现轻量化的过程中铝合金的应用发挥了重要的作用。近年来，国家出台了一系列的政策支持汽车铝合金的发展，鼓励汽车轻量化，促进了节能减排和环境治理问题的解决。

汽车轻量化的目的是降低汽车的整备质量，减少发动机的负担，从而实现节能减排、保护环境的目的。在实现轻量化的过程中轻量化材料的应用取得了良好的效果，但是也要保证汽车所需要的强度，保证驾驶人员的安全。

本文首先综述了轻量化的概念和意义；其次，详细描述了各种轻量化材料的优缺点，探究铝合金材料在汽车上的应用。最后通过国内外汽车铝化率的对比、差距分析来总结分析出未来车用铝合金的发展趋势和展望。

研究结果表明:从轻质汽车材料的实用性和性价比来看，铝合金是一种关键材料，其密度仅为传统钢的1/3，使用铝合金材料代替传统钢件可减轻约30％的重量。铝合金在乘用车和商用车上的应用越来越广泛。当前在汽车节能减排、轻量化的实际应用中铝合金拥有不可替代的地位。但是受到材料成本和高昂的技术研发费用的制约，铝合金在汽车上没有得到最大限度的应用。但是随着全球化进程的不断推进，各国车企有了广泛而密切的合作，共同促进了铝合金在汽车上的应用。各国政府也出台了一系列的政策来保证铝合金材料的发展。

关键词：轻量化 铝合金 节能减排

Abstract

Since the end of the 20th century, with the increasingly prominent phenomenon of global warming, governments and organizations around the world have realized the need to control greenhouse gas emissions, and laws and regulations on energy conservation and emission reduction have been promulgated in succession. On the way to achieve energy saving and emission reduction, the international automotive industry regards vehicle lightweight as a key shortage, and the application of aluminum alloy plays an important role in the process of realizing lightweight. In recent years, the state has issued a series of policies to support the development of automotive aluminium alloy, encourage the lightweight of automobiles, and promote the solution of energy saving, emission reduction and environmental governance problems.

The purpose of automobile lightweight is to reduce the quality of automobile and the burden of engine, so as to achieve the goal of energy saving, emission reduction and environmental protection. In the process of realizing lightweight, the application of lightweight materials has achieved good results, but also to ensure the strength required by the car, to ensure the safety of drivers.

The results show that the aluminium alloy is a key material in terms of practicability and cost-effectiveness. Its density is only 1/3 of that of traditional steel, but it will not reduce the performance of parts and the strength of automobiles with reasonable thickness and other strength assurance. Using aluminium instead of traditional steel can reduce the weight by about 30%. At this stage, aluminium alloy is the most widely used and lightweight material.

Firstly, the concept and significance of lightweight are summarized. Secondly, the advantages and disadvantages of various lightweight materials are described in detail. Finally, the development trend and Prospect of automotive aluminium alloys in the future are summarized and analyzed by comparing the Aluminization rate of automobiles at home and abroad.

Key Words：lightweight of automobiles aluminium alloy energy saving and emission reduction

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2国内外汽车轻量化材料的应用和发展趋势 2

1.2.1高强度钢板 2

1.2.2铝、镁合金 3

1.3研究的主要内容和各种材料的比较 5

第2章铝合金材料在汽车轻量化中应用 9

2.1铝合金在乘用车上的应用 9

2.1.1铝合金在车身上的应用 9

2.1.2铝合金在发动机上的应用 11

2.1.3铝合金在底盘上的应用 14

2.1.4铝合金在车轮上的应用 14

2.2铝合金在商用车上的应用 18

2.2.1自卸车上铝合金的应用 18

2.2.2半挂车与房车上铝合金的应用 18

2.2.3大型客车上铝合金的应用 19

第3章国内外汽车铝合金材料发展 21

3.1国内外汽车铝合金材料应用的差异 21

3.2不同汽车厂商轻量化进程的发展现状 22

3.3汽车铝合金材料制备技术和应用技术 24

第4章铝合金在汽车上发展的制约因素与政策建议 26

4.1制约因素 26

4.2政策建议 26

4.3研究展望 28

4.4结论 28

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

现代汽车的发展要满足安全、节能、环保的要求，其中节能环保更是上升到法律层面，人们的生活水平和质量越来越好，对提升生活品质的物质需求也越来越大，汽车就是我们现在社会生活不可或缺的一部分，但是考虑到当前资源的日益枯竭和环境的污染越来越严重汽车必须做到节能环保。汽车节能有下图两个实现方法见图1.1

图1.1汽车节能方式图

从汽车节能方式图中，我们可以看出有两种方法可以减轻汽车的重量。第一种方式是通过优化车身结构来实现轻量化设计，利用工程模拟软件例如CAD等来进行绘图并进行力学分析优化结构，减少壁厚，减少零件数量等，例如：轻质材料汽车车身的设计和结构优化。另一种方法是将轻质材料应用于汽车。比如现在汽车市场表现良好的高强度钢，铝镁合金和碳纤维复合材料。从实用性和性价比的角度来看，碳纤维复合材料，铝、镁合金和先进的高强度钢是汽车未来可能的发展方向。

汽车轻量化研究已成为国内外汽车市场的热点问题。中国汽车行业进入21世纪达到了高速发展的时期，这也得益于全球化之后经济水平和科技水平的提高。同时由于SUV和MPV产品在中国市场的销售，2016年，SUV和MPV的销量几乎占乘用车总数的一半。在2009年至2016年国内乘用车的平均质量增加了163公斤，涨幅约为13%。在日常用车中，由于为了满足车辆自身设备和人员、储物的空间，乘用车不可避免的要合理的扩大空间，这就导致在尺寸一定的情况下为了发展，有必要生产更轻，更高性能的汽车，而轻质材料的应用是一个解决当前汽车轻量化问题的关键方法。目前，汽车轻量化应用有两种主要方法，一种是改进车辆的组织结构，试图减少一些不必要的配件从而达到减重的目的。另一种是对当前的零件采用新的更轻的材料制造。在当前的前者已经没有太大的潜力可以挖掘，各大车企的目光投入到开发轻质材料来解决这个问题。目前，所有汽车企业都在研究汽车轻量化，以保护环境，节约资源和节约能源。汽车的轻量化已成为未来汽车发展的潮流。

汽车的轻量化是在确保汽车的强度和安全性能的前提下尽可能降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性能，降低油耗，减少废气污染。^[1]结果表明，如果汽车降低自身质量的1%那么汽车的平均油耗就会降低0.7%，这将会对节能环保作出巨大的贡献。汽车轻量化技术的发展已经成为未来车企竞争的主要阵地。

1.2国内外汽车轻量化材料的应用和发展趋势

在当今的汽车制造业中，轻质汽车金属材料得到了广泛的应用。轻质材料的使用建立在其本身实用性和可行性上的。在汽车制造领域中常见的金属材料有：高强度钢板，铝镁合金和钛合金以及碳纤维复合材料和其他材料。然而，在国内外汽车制造领域，金属和非金属材料的使用存在显着差异和差异。国外汽车轻质材料的使用起步早，应用广，沉淀深，在汽车轻质材料使用的方面有丰富的经验和技术累积。虽然汽车轻量化在国内发展起步较晚，但各个领域和行业对于该技术投入了大量的人力和财力，发展势头迅猛。

1.2.1高强度钢板

高强度钢板是对钢板材料的改进。通过提高钢板的强度和性能，达到减少材料用量的目的，最终实现汽车制造的轻量化需求。汽车工业的发展推动了一系列配套行业的发展，同时促进了科技和经济的改革和发展。但是，由于能源短缺，环境污染等问题，行业发展的矛盾日益突出。展望未来，行业的发展只能在自然和生态环境的平衡中继续发展。在这种背景下，轻型车辆和新型汽车轻质材料的应用已成为重要的发展方向。高强度钢板的由于其在冷加工的过程中会出现断裂的情况，目前国际上大多已经抛弃高强度钢板的冷加工，转而研究热冲压加工技术。在研究热冲压技术的过程中利用电脑软件仿真模拟可能出现的问题，分析金相结构和力学特性。但是目前高强度钢板的热冲压技术被国外的厂商垄断，国内由于技术壁垒发展缓慢。

复相钢也是一种相对常见的材料，复相钢是指含有铁素体 马氏体 贝氏体三种金相组织的钢种，其某些性能比如成形性要比双相钢要强。此种钢材的强度大，主要用于汽车车门A、B柱和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。

1.2.2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。以下是铝合金和镁合金在汽车轻量化制造中的实际应用分析。

铝合金是制造业中使用最广泛的有色金属材料之一，并且在机械制造，汽车制造甚至航空航天领域都有大量的应用。有研究表明，目前全球的大气污染物有60%是来自汽车的尾气。汽车的铝化率越高，其整备质量就越轻，节油效果就越好，可以减少汽车尾气的排放和节约化石资源，对环境保护有重要的意义。铝具有良好的再生性能。铝产品在使用过程中几乎不会腐蚀。在工业中常用的材料中，铝具有最高的回收率。在再生铝锭的铝-铝产品-再利用-再加工到铝中，铝的损失仅为约5％，并且其再生性能显着高于普通金属。其次，铝化率高的汽车可提高乘客的舒适度和安全性，铝化率高的汽车具有更高的稳定性，并且由于铝具有良好的能量吸收性能，因此在碰撞安全性方面具有显着优势，在突发情况下可以更好的保护驾驶员和乘客。例如如果汽车车身是铝合金材料制成的，在发生碰撞的过程中，铝合金材料由于其特性会发生较大的变形，吸收碰撞产生的能量，从而减少驾驶员和乘客受到的冲击达到保护人员安全的目的。铝及其各种合金材料是现代科学发展不可或缺的材料。铝合金材料具有比强度大、可塑性好、耐腐蚀、废品易于回收二次利用的特点并且具有更好的散热性和耐磨性，上述的诸多优点使铝合金材料在汽车行业越来越受到重视，不论在提高发动机的性能提高汽车的动力性还是在汽车节能减排方面都发挥了重要作用。汽车用铝的优点见下图

图1.2汽车用铝的优点

镁和铝在元素周期表中相邻，这就可以得到镁合金和铝合金在很多特性方面很类似或者相同，和铝合金相同具有强度大，密度小等特点并且对于有机物和碱性物质该材料具有良好的耐腐蚀性。但是镁合金材料主要用于航空航天，运输和化学工业，是实用金属中最轻的金属之一。 在现代汽车制造业中，镁合金材料可以应用于汽车的重要部件的制造，并随着压铸技术的进步和生产工艺的进步， 制造具有复杂形状和特殊结构的薄镁合金车身零件已经没有问题。 此外，在实际应用中已经发现，镁合金材料的应用可以在一定程度上提高汽车性能的稳定性并延长每个部件的使用寿命。然而，镁合金由于其在制造零件的过程中成本过高，性价比低和废品率高的原因迄今尚未广泛应用于汽车零部件制造。除了制造工艺难度高之外，镁合金的在汽车上的使用也需要一定的技术和经验的积累。

1.2.3钛合金

钛合金材料具有高强度，优异的耐腐蚀性和高耐热性的特点，主要用于飞机发动机的压缩机部件和火箭、导弹和高速飞机的结构部件的制造。在汽车工业中，钛合金主要用于汽车发动机的生产。此外，使用钛合金车身，可以使整个车辆承受更大的力量，并显着提高汽车的安全性。钛合金在汽车中的使用非常广泛，目前，钛合金在国内外汽车工业中的使用主要分为两类，第一类的目的是降低原有零件的质量。例如发动机的高速往复运动部件和汽车的重量。对于高速往复运动部件，即使几克的质量下降也会对部件性能产生巨大影响。降低汽车的整体质量是节能减排关键措施之一。第二类用于制造耐腐蚀部件，包括暴露在空气中的环境部件，如排气系统，底盘部件，悬架系统和其他苛刻的汽车部件，以提高汽车部件的使用寿命。但是到目前为止，钛合金还是主要用于发动机和底盘部件的主要部件的制造。在发动机系统中，钛合金可用于制造连杆，气门弹簧，阀门，气门弹簧座等零件。在底盘部件中，主要是消声器及其连接部件、缓冲弹簧和车轴。然而目前，汽车钛合金零部件的应用仍然相对较少，限制其在汽车中使用的因素仍然是成本。但是随着科学技术的不断进步,目前各种低成本钛合金不断地研发成功,在汽车上钛合金的成本将会越来越低,钛零件运用将会是有着很大的发展空间。

1.2.4碳纤维复合材料

汽车轻量化是未来汽车技术发展的必然方向，而碳纤维复合材材料凭借其他材枓不可比拟的密度、比强度（强度是钢铁的五倍）、比模量等全方位力学性能，在汽车领域的应用潜力巨大。碳纤维复合材料是由碳元素组成的一种特殊纤维， 由于其含有碳元素所以在导电、导热和耐摩擦方面具有很好的优势。由于该材料的优良性能，其在汽车市场已经得到了广泛推广，但是该材料成本较高，最初仅在超级跑车、F1赛车、小批量车型上应用，在汽车中的应用有限。^[2]据试验数据可知碳纤维复合材料具有良好的耐热性，可以耐受2000摄氏度的高温，并且其热膨胀系数很低，在高温的条件下工作变形量小所以碳纤维复合材料在制造刹车片，刹车系统方面可能会有比较大的突破。而且碳元素作为构成物质世界的基本元素，在地球的存储量是很大的，但是受限于开发技术和加工工艺流程的复杂与高成本，在如今的汽车市场的使用量很是很少，但是有部分豪华车企已经做出全碳的概念车，售价惊人。从上面我们可以看出碳纤维复合材料在汽车上的应用还是处于起步阶段，需要大量的技术支持。

1.3研究的主要内容和各种材料的比较

本节主要研究了在实现汽车轻量化的问题上，各种材料的优缺点、力学特性和现阶段的发展状况，讨论了当前阶段各种材料的市场表现和技术阶段。主要以铝合金材料为例较为全面的总结了铝合金材料在汽车上的应用和发展趋势。

表1.1 材料种类可行性分析

表1.2 各类汽车轻量化材料力学特性对比

表1.3 各类汽车轻量化材料在汽车产品中的应用对比

从上表1.1、表1.2、表1.3中可以得知在车用轻质金属中，钛合金虽然比强度很高，力学性能优良但是由于其的储量不多在生产成本高、工艺难度复杂等方面综合考虑来说钛合金目前在汽车生产中不能大量使用。镁合金和铝合金相比具有更低的密度和更高的比强度，但是由于镁合金在生产的过程中成本比生产铝合金的的成本平均多2-3倍，而且在镁合金的冲压成型、热加工方面存在很多的技术障碍所以目前镁合金材料也无法在汽车上大量的使用。铝合金具有良好的综合性能在成本，制造技术，机械性能和材料开发可扩展性方面达到了市场可以接受的平衡。因此，铝合金材料将在现在和未来实现汽车轻量化的问题上作为最主要的解决手段，是首选的轻金属材料。^[3]铝材对汽车结构的适应性对比传统材料有很多明显的优点：

（1）具有高强度-质量比。表2显示了铝合金和钢材的力学性能的比较。可以看出，铝合金材料的比强度高于高比强度。

（2）由于它具有良好的可塑性，因此可以进行冲压，其和原来的高强度钢板相比只是增加了厚度或者使用加强筋这就省去了模具设计和制造的费用而且可以快速投入生产。

（3）它具有良好的耐腐蚀性。暴露在空气中可以长时间保持其物理化学性质。

（4）良好的回收利用。因为铝具有低熔点的特点，所以需要少量的能量来回收废物