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铝合金轻金属材料在汽车上的开发应用前景 肖永清 内容提要： 本文阐述了铝合金、铝基复合材料等轻金属材料的性能、特点， 以及它们 在现代汽车及其零件上的应用实例。 关键词： 铝合金 性能、特点 应用实例 随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料 的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，有色轻金属的应用范围在不断扩大，可以说， 从90年代开始，汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。构成汽车的零件 约有两万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料。其中约86%是金属材料，而在金属材 料中，90年代日本的消费量铝铸材料中的83%都是用于汽车制造上， 这对日本经济界的发展 产生了很大的影响。 现代汽车越来越多地使用轻合金材料。如铝质发动机体、铝质缸盖、铝质进气歧管、铝 皮车身、铝质制动鼓，甚至还有铝车架等。总的发展趋势是将铸铁件用铝来代替。美国1977 年每辆汽车的平均用铝量约在45kg以下。1978年每辆客车用铝量约51kg。到1980年，每辆汽 车的平均用铝量达67.5kg。据国外经验每公斤铝约能代替2.25～2.5kg铸铁。所以大量采用铝 制件是减轻汽车质量的一个方面。除铝制件外，汽车用镁合金制件也越来越引起人们注意。 镁在汽车上的应用已有40多年的历史，它比铝更轻。近年来，已用镁合金制造曲轴箱壳、变 速器壳、车轮、各种阀体、盖板、衬套等多种零件。据介绍美国到1985年，所有汽车整备质 量平均减少25%。 1.铝合金性能 铝是元素周期表中第三周期ⅢA族元素，原子序数13，原子量26.998154，金属铝为银白 色。不管是固体铝或熔融铝，其密度都随着纯度的提高而降低；同等纯度的熔融金属铝的密 度随温度的增高而降低。铝的熔点随其纯度而变化，越纯熔点越高。铝的导热系数大约为熟 铁的2.5倍，为钢的1.5倍。铝的比热也是金属中较大的，为铁的2倍，为钢和锌的2.5倍。 铝的导电性能仅次于金、铂、铬、铜和汞，铝的纯度越高其导电性能越好。铝的导电率 为铜导电率的62%～65%(和纯度有关)，而钢的密度是铝的3.3倍。铝的机械性能与纯度关系密 切，纯铝软、强度低，但与某些金属组成铝合金后，不仅在某种程度上仍保持着铝固有的特 点，同时又显著地提高了它的硬度和强度，使之几乎可与软钢甚至结构钢相媲美。 铝的化学性质极其活泼，其氧化物、卤化物、硫化物及碳化物等的生成能非常大。铝的 最特殊的性能是有同氧强烈结合的倾向，特别是同空气中的氧。铝在空气中被其表面生成一 层厚度约为2×lO-4mm的致密的氧化铝膜所覆盖，这一层薄膜防止了铝的继续氧化，从而决定 了铝在常温和通常的大气中具有良好的抗腐蚀性能。铝在空气中被加热到接近于其熔点 (660℃)时，则氧化继续进行，而在该温度下，铝的氧化与氧化时间的平方根成正比。 铝氧化的强度取决于温度、粉碎程度及存在于其中的其他金属杂质。当温度高于铝的熔 点时，其氧化速度最大，而粉碎很细的铝粉，当在空气中加热时即剧烈燃烧。铝中有镁、 钙、钠、硅及铜存在时，其氧化强度增加，在有杂质存在的地方，氧化膜同铝的连结力大大 降低。 Al-Cu合金有高的抗拉强度，但其铸造性能不如含Si量高的合金；Al-Si二元合金具有好 的焊接性、高的耐腐蚀性和低的密度；Al-Zn合金的切削性能好，且在不进行固溶处理时在室 温下经过较短时间的时效，可在一定程度上提高其强度；Al-Mg合金具有优良的抗腐蚀性、好 的切削加工性、并能通过阳极氧化得到漂亮的外观，但对其浇冒系统的设计需要仔细考虑。 Al-Zn-mg系铸造合金作为高强度铸造铝合金得到发展。Zn、Mg含量提高可提高合金强 度，但塑性和耐蚀性降低，故需在合金中加入Mn、Re、Cr、Ti、B、Zr等来细化晶粒，进一步 提高强度、塑性和耐蚀性。在高强度铝合金中，Fe、Si被视为有害元素而严加控制，因而需 使用高纯度原铝，这会提高生产成本，也增加生产的难度。Al-Zn-Mg系合金中，虽也把Fe、 Si作为杂质，但在一定条件下，Fe、Si有利于强度和铸造性能的改善，故对其限制要宽松得 多。 工业铝易溶于盐酸，随纯度提高，铝在盐酸中的溶解度急剧下降。硫酸对铝的作用很 慢，冷的浓硝酸和稀硝酸都不能溶解铝，但将酸加热则能溶解。铝对乙酸等有机酸是稳定 的。氢、氮、一氧化碳等气