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1、二二0 0一一年八月一一年八月铝镁材料在汽车上的应用现状及铝镁材料在汽车上的应用现状及发展趋势发展趋势1一、一、概述概述二、二、铝在汽车上的应用铝在汽车上的应用三、三、镁在汽车上的应用镁在汽车上的应用四、我国压铸现状四、我国压铸现状五、汽车有色铸造砂芯五、汽车有色铸造砂芯六、压铸新技术六、压铸新技术结束语结束语 2汽车工业节能、安全、环保成为发展的三大主题，对汽汽车工业节能、安全、环保成为发展的三大主题，对汽车工业提出了减轻汽车质量、降低燃油消耗，提高结构强车工业提出了减轻汽车质量、降低燃油消耗，提高结构强度，改善度，改善NVHNVH（噪声、振动、冲击）的迫切要求。（噪声、振动、冲击）的迫切要
2、求。汽车的轻量化已成为世界范围内汽车工业发展趋势，要汽车的轻量化已成为世界范围内汽车工业发展趋势，要求汽车生产者积极开发和应用新型汽车材料生产重量轻、求汽车生产者积极开发和应用新型汽车材料生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。耗油少、符合环保要求的新一代汽车。采用铝、镁材料是降低汽车排放、提高燃油经济性的最采用铝、镁材料是降低汽车排放、提高燃油经济性的最采用铝、镁材料是降低汽车排放、提高燃油经济性的最采用铝、镁材料是降低汽车排放、提高燃油经济性的最有效的措施之一。有效的措施之一。有效的措施之一。有效的措施之一。 3汽车材料发展趋势：汽车材料发展趋势：轿车车身的自身质量及材料消耗量逐年降
3、低，但钢轿车车身的自身质量及材料消耗量逐年降低，但钢 铁、有色金属等材料仍然是轿车的主要材料。铁、有色金属等材料仍然是轿车的主要材料。轿车用金属材料中钢铁材料在减少，而有色金属材料轿车用金属材料中钢铁材料在减少，而有色金属材料在增加，尤其是铝和镁。在增加，尤其是铝和镁。 北美每辆轿车材料构成比材料名称钢铸铁铝合成材料橡胶玻璃镁其它构成比%549.88.37.67.40.312.64铝代替传统的钢铁制造汽车，可使整车重量减轻30%40%，制造发动机可减重30%，铝质散热器比相同的铜制品轻20%40%，轿车铝车身比原钢材制品轻40%以上。用铝材代替铸铁和钢材制造汽车零部件有显著的减重效果，汽车上每
4、使用1kg铝，可降低自重2.25kg，减重效果高达125%，同时，在汽车整个使用寿命期内，可减少废气排放20kg。即用铝的减重和排放效果比1:2.25:20。德国汽车用铝比例德国汽车用铝比例铝在汽车上的应用铝在汽车上的应用5一辆轿车铝及其合金用量年代年代20022002年年20032003年年20092009年年平均用量平均用量124124127127156156北美轿车与轻卡用铝（北美轿车与轻卡用铝（kg/kg/辆）辆）欧洲轿车用铝（kg/辆）年代年代20042004年年20082008年年20102010年年平均用量平均用量99991501501801806铸造铝合金在汽车上的应用铝合金铸
5、造工艺铝合金铸造工艺压铸（缸体及各类壳体、支架）压铸（缸体及各类壳体、支架）金属型重力铸造（缸盖、进气管、活塞）金属型重力铸造（缸盖、进气管、活塞）低压铸造（缸盖、缸体）低压铸造（缸盖、缸体）砂型铸造（进气管、缸体砂型铸造（进气管、缸体 、横梁）、横梁）挤压铸造（活塞、转向节）挤压铸造（活塞、转向节）半固态压铸（性能要求高的零件：转向节、转向臂）半固态压铸（性能要求高的零件：转向节、转向臂）铸锻联合工艺（转向节、转向横拉杆）铸锻联合工艺（转向节、转向横拉杆）7部件系统部件系统零件名称零件名称发动机系发动机系发动机缸体、缸盖、活塞、进气岐管、水泵壳、发发动机缸体、缸盖、活塞、进气岐管、水泵壳、发
6、动机壳、启动机壳、摇臂、摇臂盖、滤清器底座、动机壳、启动机壳、摇臂、摇臂盖、滤清器底座、发动机支架、正时链条盖、发电机支架、分电器发动机支架、正时链条盖、发电机支架、分电器座、气门室罩盖、油底壳等座、气门室罩盖、油底壳等传动系传动系变速箱壳、离合器壳、连接过度板、换挡拨叉、传变速箱壳、离合器壳、连接过度板、换挡拨叉、传动箱换挡端盖等动箱换挡端盖等底盘行走系底盘行走系横梁、上横梁、上/ /下臂、转向机壳、制动总泵壳、制动分泵下臂、转向机壳、制动总泵壳、制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵叉等壳、制动钳、车轮、操纵叉等其它系统部件其它系统部件离合器踏板、刹车踏板、方向盘、转向节、发动机离合器踏板、刹车踏
7、板、方向盘、转向节、发动机框架、框架、ABSABS系统部件等系统部件等汽车主要系统中的铝铸件汽车主要系统中的铝铸件 8半固态铸件的应用半固态铸件的应用v控制臂控制臂 CONTROL ARMSv车体连接件车体连接件 SPACE FRAME NODESv轮毂转向架轮毂转向架 KNUCKLESv支架支架 MOUNTING BRACKETSv车闸主缸体车闸主缸体 MASTER BRAKE CYLINDERSv油料管架油料管架 FUEL RAILSv防滑制动闸阀体防滑制动闸阀体 ABS HOUSINGSv机壳类件机壳类件 A/C HOUSINGS91011挤压铸造件的应用12 国内发展趋势及现状国内发展
8、趋势及现状铝铸件铝铸件 近近几几年年，我我国国汽汽车车铝铝铸铸件件应应用用取取得得了了较较大大进进展展，轿轿车车发发动动机机缸缸盖盖、进进气气岐岐管管、变变速速箱箱壳壳、离离合合器器壳壳等等几几乎乎都都采采用用了了铝铝铸铸件件，相相当当比比例例的的轿轿车车装装用用了了铝铝车车轮轮。铝铝压压铸铸缸缸体体也也已已经经开开始始生生产产应应用用。国国内内汽汽车车的的铝铝铸铸件件的的生生产产应应用用已已达达到到一一定定水水平平。但但是是与与欧欧美美日日比比较较还还有有很很大大差差距距，高高性性能能铝铝铸铸件件还还需需要要进进口口，有有些些复复杂杂件件工工艺艺的的自自主主开开发发能能力力较较差差。采采用用
9、真真空空压压铸铸工工艺艺很很少少；半半固固态态压压铸铸、铸铸造造- -锻锻造造工工艺艺处处于于试试验验室室阶阶段段，生生产产上上还还没没有有采采用用；缺缺少少大大型型挤挤压压铸铸造造设设备备，由由于于日日本本等等国国家家对对800800吨吨以以上上挤挤压压铸铸造造设设备备限限制制向向中中国国出出口口，横横梁梁等等大大型型挤挤压压铸铸造造零零件件无无法法国国产产化化。由由于于引引进进车车型型或或总总成成国国别别不不同同，采采用用的的标标准准也也不不同同，造造成成国国内内铝铝合合金金牌牌号号众众多多，给给铝铝合合金金厂厂生生产产造造成成困困难难，不不利利于于铝铝合合金金厂厂大大批量专业化生产和降低
10、成本。批量专业化生产和降低成本。13自19世纪末叶到20世纪，金属材料的消耗与日俱增，金属矿产资源逐渐趋于枯竭。有资料表明，有些金属（如铜、铅、锌）只能持续几十年，有些（如铝、铁）也只是1至3百年的事。镁是地球上储量最丰富的元素之一，除在地壳表层金属矿的资源含量为2.3%，位居常用金属的第8位外，在盐湖及海洋中的含量也十分可观。因此，在很多金属趋于枯竭的今天，加速开发镁金属材料是实现可持续发展的重要措施之一。镁合金材料在汽车上的应用镁合金材料在汽车上的应用14镁合金材料的特性比重最小的金属结构材料高比强度和比刚度优异的减振降噪效果良好的生产工艺性能可回收重复利用15镁合金在汽车上应用轻量化效果
11、镁合金在汽车上应用轻量化效果1620042004年每辆轿车镁合金用量年每辆轿车镁合金用量北美及欧洲的每辆汽车平均用镁合金3.5，目前年增长率24%，10年后镁在汽车上的应用可达每车10，Ford公司单车最大用镁量计划可达到118kg。大众公司年计划达到178kg。汽车镁合金应用增长预测汽车镁合金应用增长预测汽车镁合金应用趋势17镁合金铸造成型压铸（冷室压铸、热室压铸）压铸（冷室压铸、热室压铸）半故态注射成型半故态注射成型低压铸造（金属型、砂型、陶瓷型等）低压铸造（金属型、砂型、陶瓷型等）金属型重力铸造金属型重力铸造砂型铸造砂型铸造V法铸造法铸造18零件名称零件名称应用优点效果应用优点效果应用厂
12、家应用厂家变速箱壳体变速箱壳体减重、降噪、刚度高减重、降噪、刚度高大众、福特、通用大众、福特、通用气门室罩盖气门室罩盖减重、降噪、成型性好、扭减重、降噪、成型性好、扭转刚度好转刚度好通用、福特、克莱斯勒、宝马、丰田、通用、福特、克莱斯勒、宝马、丰田、本田本田车身前盖车身前盖减重、降噪减重、降噪MossnerAG整体仪表板骨整体仪表板骨架架减重、韧性好、集成化、设减重、韧性好、集成化、设计简化计简化通用、奔驰、克莱斯勒、福特、大众、通用、奔驰、克莱斯勒、福特、大众、菲亚特菲亚特座椅骨架座椅骨架减重、吸震、安全减重、吸震、安全通用、福特、菲亚特通用、福特、菲亚特车门框支架车门框支架减重、吸震减重、
13、吸震丰田、英国丰田、英国Wagon公司公司方向盘骨架方向盘骨架减重、吸震、安全减重、吸震、安全通用、奔驰、克莱斯勒、福特、大众、通用、奔驰、克莱斯勒、福特、大众、菲亚特、丰田菲亚特、丰田轮毂轮毂减重、吸震减重、吸震克莱斯勒、法拉利克莱斯勒、法拉利汽车应用的典型镁合金件汽车应用的典型镁合金件19典型汽车镁合金零件2021仪表盘骨架22轿车横梁232425Magnesium Gearbox Housings大众公司镁合金变速箱大众公司镁合金变速箱 26(Weight : appr. 10,6 kg; HPDC )大众公司镁合金缸体大众公司镁合金缸体 27Mg-SpaceframeofVolkswa
14、gen1-LITRECar 大众大众1L汽车镁合金应用汽车镁合金应用 28国外最新研究情况国外最新研究情况在在美美国国，于于20012001年年开开始始至至20062006年年6 6月月结结束束的的美美国国与与加加拿拿大大联联合合攻攻关关项项目目“Structural Structural Cast Cast Mg Mg DevelopmentDevelopment”，采采用用4000t4000t的的卧卧室室压压铸铸机机和和AE44AE44合合金金，为为新新款款Corvette Corvette Z06Z06研研制制出出了了重重10.8 10.8 KgKg的的镁镁合合金金发发动动机机托托架架（
15、front front Engine Engine CradleCradle） ， 与与 原原 来来16.4Kg16.4Kg铝铝合合金金发发动动机机框框架架相相比比，重量减轻了重量减轻了5.6 kg (34%)5.6 kg (34%)。 Demonstration Demonstration of of Engine Engine CradleCradle）”的的研研究究经经费费：1.261.26千万美元。千万美元。 29国国外外在在经经历历了了镁镁合合金金大大型型、超超大大型型铸铸件件等等开开发发的的阶阶段段后后，进进入了一个新的发展阶段。入了一个新的发展阶段。 针针对对北北美美地地区区大大
16、多多数数车车辆辆前前端端重重量量较较大大，前前端端/ /后后端端质质量量比比超超过过55/4555/45的的现现状状，由由美美国国提提出出，并并建建议议“中中美美加加”参参与与的的“镁镁质质车车体体前前端端结结构构件件开开发发”项项目目，拟拟将将采采用用全全镁镁的的前前端端，使使车车辆辆的的前前/ /后后质质量量比比接接近近50/5050/50。这这一一研研究究打打算算跨跨过过由由钢钢到到铝铝的的发发展展阶阶段段。这这标标志志着着，镁镁在在汽汽车车上上的的应应用用正正在在从从单单体体提提高高到到子子系统水准。系统水准。 国外最新研究情况国外最新研究情况30我国的镁资源我国的镁资源 菱镁矿储量居
17、世界首位，约27亿吨，占全球储量的22.5%青海柴达木盆地的33个盐湖中，共含镁盐31.5亿吨白云石矿储量更为丰富，现探明的储量以目前的开采速度，可以开采1000年以上中国的镁产量占世界的70%31我国镁合金压铸现状我国镁合金压铸现状 在国家在国家“十五十五”科技攻关等项目的支持和引导下，我科技攻关等项目的支持和引导下，我国的镁深加工产业发生了根本性的变化，以应用为龙国的镁深加工产业发生了根本性的变化，以应用为龙头的镁合金产业链正在形成。头的镁合金产业链正在形成。 一汽铸造公司、重庆隆鑫镁业、东风、长安建成了汽一汽铸造公司、重庆隆鑫镁业、东风、长安建成了汽车镁压铸件生产基地，目前以生产中小壳体
18、件为主，车镁压铸件生产基地，目前以生产中小壳体件为主，缺少大件复杂件生产能力。由于资源优势，中国必将缺少大件复杂件生产能力。由于资源优势，中国必将成为世界镁零部件生产基地。成为世界镁零部件生产基地。32产量分布：产量分布：华北地区华北地区53000吨吨占占5.2%东北地区东北地区104000吨吨占占10.2%华东地区华东地区374000吨吨占占36.6%中南地区中南地区342000吨吨占占33.2%西南地区西南地区127000吨吨占占12.4%西北地区西北地区24000吨吨占占2.4% 全国约有压铸厂、车间全国约有压铸厂、车间7000多家，各类压铸机约为多家，各类压铸机约为30 00030 0
19、00台，其中从国外进口台，其中从国外进口的压铸机约占总数的的压铸机约占总数的1010，国内最大压铸机的合模力是国内最大压铸机的合模力是40000kN40000kN压压铸铸件件产产品品主主要要以以汽汽车车和和摩摩托托车车零零件件为为主主，次次之之为为家家用用电电器器、电电讯讯、锁锁具具、建建筑装饰、玩具、车模、五金等压铸件。筑装饰、玩具、车模、五金等压铸件。 压铸业现状压铸业现状33从从生生产产工工艺艺水水平平、自自动动化化程程度度、国国产产压压铸铸机机性性能能和和模模具具制制造造等等还还与与世世界界先先进进水水平平有有一一定定的的差差距距。日日前前国国内内有有国国产产压压铸铸机机企企业业约约8
20、0家家，其其中中有有一一定定规规模模的的己己有有20多多家家。所所生生产产的的压压铸铸机机总总体体而而言言，还还不不同同程程度度的的存存在在可可靠靠性性较较差差，结结构构设设计计不不太太先先进进，自自动动化化水水平平不不高高，有有的的渗渗透透漏漏油油现现象象较较严严重重等等，但但也也有有一一些些企企业业因因选选用用了了高高品品质质的的进进口口液液压压件件，选选用用了了先先进进的的设设计计技技术术，所所生生产产的的压压铸铸机机与与国国际际先先进进水水平平相相比比，质质量量达达到到廿廿世世纪纪九九十十年年代代初初期期的的水水平平。近近年年国国内内也也有有压压铸铸机机生生产产企企业业生生产产出出了了
21、当当代代先先进进水水平平的的实实时时控控制制压压铸铸机机，但但稳稳定定性性还还需需进一步的考验。进一步的考验。34 模具制造跟不上压铸生产的要求。我国日前约有几百家压模具制造跟不上压铸生产的要求。我国日前约有几百家压铸模具厂，压铸模的设计、制造能够满足摩托车、家电、轻铸模具厂，压铸模的设计、制造能够满足摩托车、家电、轻工等行业，绝大部分汽车行业的需求。但是国内不少模具厂工等行业，绝大部分汽车行业的需求。但是国内不少模具厂家生产的模具在使用上还存在着故障率高、返修较多、稳定家生产的模具在使用上还存在着故障率高、返修较多、稳定性差，制约了生产率的提高，模具行业存在模具标准化程度性差，制约了生产率的
22、提高，模具行业存在模具标准化程度较低，热模钢品质不高，多数模具加工手段相对落后。国内较低，热模钢品质不高，多数模具加工手段相对落后。国内压铸模的平均价格是国外平均价格的压铸模的平均价格是国外平均价格的1/4左右，寿命只有国左右，寿命只有国外的外的1/2左右。左右。35汽车有色铸件的砂芯 国内目前大多采用以三乙胺硬化法的冷芯盒制芯工艺来生产。如铝合金缸体是采用砂芯最多的铸件，除了水套砂芯薄而复杂，依各厂条件不同，分别采用冷芯盒制芯，热芯盒制芯或壳芯制芯外，其它的砂芯，包括曲轴箱砂芯、缸筒与顶端砂芯、前、后端面砂芯等大多采用冷芯盒制芯，以保证尺寸精度和节能。冷芯盒制芯工艺与覆膜砂、热芯盒相比具有制
23、芯周期短、芯盒无受热变形，损耗小，制得的砂芯尺寸精度高和节约能源等优点，因而冷芯盒应用越来越广泛。36无机粘结剂的应用无机粘结剂的应用无机粘结剂采用热空气硬化，浇注过程不产生有害气体，是一无机粘结剂采用热空气硬化，浇注过程不产生有害气体，是一种环保型粘结剂。目前无机粘结剂在宝马、大众等汽车铝合金铸种环保型粘结剂。目前无机粘结剂在宝马、大众等汽车铝合金铸件上得到应用，占制芯总量件上得到应用，占制芯总量10%左右，未来几年每年以左右，未来几年每年以5%速度递速度递增，伴随环保日益严格的要求，无机树脂将逐渐取代有机树脂。增，伴随环保日益严格的要求，无机树脂将逐渐取代有机树脂。一汽铸造在新基地中也将采
24、用无机粘结剂。一汽铸造在新基地中也将采用无机粘结剂。优点：优点：有利于人类健康和环境保护，无异味；有利于人类健康和环境保护，无异味；符合未来的环境保护法规；符合未来的环境保护法规；可以实现复杂几何形状砂芯的铸造；可以实现复杂几何形状砂芯的铸造；在铸造时具有高度的热稳定性和尺寸稳定性；在铸造时具有高度的热稳定性和尺寸稳定性；减少砂芯发气引起的铸造缺陷；减少砂芯发气引起的铸造缺陷；由于清理费用很低，降低生产成本；由于清理费用很低，降低生产成本；在铸模上沉积的冷凝物清理容易，极大地减少模具维护费用；在铸模上沉积的冷凝物清理容易，极大地减少模具维护费用；37新技术新技术 近年来，人们为了解决压铸件内部
25、存在的气孔和缩孔问题，使之能生产出高强近年来，人们为了解决压铸件内部存在的气孔和缩孔问题，使之能生产出高强度、高致密性、可焊接、能进行热处理、可扭曲等各种性能的压铸件，在继续完善度、高致密性、可焊接、能进行热处理、可扭曲等各种性能的压铸件，在继续完善善真空压铸以外又发展了挤压铸造和半固态压铸等新技术，并概括地称之为善真空压铸以外又发展了挤压铸造和半固态压铸等新技术，并概括地称之为“高密高密度压铸法度压铸法”。 高真空压铸技术高真空压铸技术 充氧压铸技术充氧压铸技术 半固态压铸技术半固态压铸技术 挤压压铸技术挤压压铸技术38挤压铸造采用挤压铸造工艺生产铝合金零件代替钢铁零件。采用挤压铸造工艺生产
26、铝合金零件代替钢铁零件。减重减重60%、质量稳定、生产效率高、成本低。、质量稳定、生产效率高、成本低。转向节、发动机支架、各类底盘支架等。转向节、发动机支架、各类底盘支架等。39高真空压铸可生产大面积薄壁铝合金压铸价，高真空铝合可生产大面积薄壁铝合金压铸价，高真空铝合金压铸件可进行热处理进一步提高强度金压铸件可进行热处理进一步提高强度车门等薄壁件和受力件车门等薄壁件和受力件40半固态加工 半固态加工可以进一步提高铸件的性能，半固态加工可以进一步提高铸件的性能，可以代替钢铁零件，对汽车轻量化发挥重可以代替钢铁零件，对汽车轻量化发挥重要作用。要作用。触变成形基本具备了批量生产条件，流变触变成形基本
27、具备了批量生产条件，流变成形还需要进一步完善。成形还需要进一步完善。转向节、控制臂等承力件转向节、控制臂等承力件41推广应用新型高强度、高耐磨性的压铸合金，研究可着色的压推广应用新型高强度、高耐磨性的压铸合金，研究可着色的压铸合金以及用于生产有特殊安全性要求铸件的新型压铸合金铸合金以及用于生产有特殊安全性要求铸件的新型压铸合金开发性能稳定、成分易于控制的压铸合金开发性能稳定、成分易于控制的压铸合金简化铝合金成分，减少合金牌号，为实现绿色生产提供基础简化铝合金成分，减少合金牌号，为实现绿色生产提供基础;加加速速开开发发压压铸铸新新工工艺艺(真真空空压压铸铸、充充氧氧压压铸铸、半半固固态态压压铸铸
28、、挤挤压压铸造等铸造等)提提高高对对市市场场的的快快速速反反应应能能力力，推推行行并并行行工工程程(CE)和和快快速速原原型型制制造技术造技术开展开展CAD/CAM/CAE系统的研究与开发系统的研究与开发开发和应用更多的铝、镁合金汽车零部件开发和应用更多的铝、镁合金汽车零部件推广应用环保型无机粘结剂推广应用环保型无机粘结剂几点发展建议几点发展建议42铝锂合金的应用近年来，国内外铝锂合金的研制和成形技术日渐成熟，因此在航天器的设计与制造中大量使用了铝锂合金，如“奋进号”航天飞机的外贮箱9（图1）、“天宫一号”的资源舱和太阳电池翼（图2）4344洛克希德马丁公司利用8090铝锂合金制造了“大力神”
29、号运载火箭（图3）的有效载荷舱，减重182kg。1994年，为解决“奋进号”航天飞机外贮箱的超重问题，洛克希德马丁公司联合雷诺兹金属公司研发出新型2195材料以取代之前的2219合金。该合金的密度比2219合金的轻5%，而其强度则比后者高30%。采用2195制造的整体焊接结构贮箱，减轻重量3405kg，其中液氢箱减重1907kg，液氧箱减重736kg，直接经济效益近7500万美元，因此被称为超轻燃料贮箱(SuperLightWeightTank)10-11。俄罗斯在铝锂合金的研究、生产和应用方面也一直处于领先地位，为提高载荷能力，航天飞机的外燃料贮箱便采用铝锂合金制成，“能源号”运载火箭（图4）的低温贮箱是采用1460铝锂合金制成。45镁合金的应用北京卫星制造厂近年开展了大量的技术攻关和设备改造，突破了大型镁合金表面的防腐处理、机械加工、焊接技术，实现了大型镁合金结构件在多个航天器上的应用。图8所示为正在整体加工的大型镁合金结构件。46针对镁合金电子产品机箱的应用瓶颈，开展了镁合金表面涂覆、微弧氧化、高发射率表面阳极化处理等技术研究，突破了镁合金表面防腐、导电性和高发射率热控要求的综合表面处理技术，实现了镁合金在航天器电子产品机箱中的应用，达到了产品轻量化的目标。图9所示是镁合金电子产品机箱。47谢谢 谢谢 ！48
