于曉偉

鋁合金在交通裝備上的應用，歐美國家起步較早，其輕量化車輛中，鋁合金應用程度很高。其大部分中重型卡車、掛車和專用掛車(下統(tǒng)稱：(專用)掛車)的許多總成部件都可以用鋁材料替代鋼材，使得整車自質量控制處于較高水平。目前國內汽車零部件的鋁合金化程度也在不斷提高，但鋁合金輕量化整車，尤其是(專用)掛車對鋁合金材料的應用還處在起步階段。(注：本文所稱“(專用)掛車”是指掛車以及專用掛車(如罐式、廂式、倉柵式、自卸式等)。)

隨著國內市場對輕量化高端車輛需求的增加，許多(專用)掛車企業(yè)都展開了相應的研究開發(fā)。同時國家也在大力提倡“節(jié)能減排，環(huán)保綠色經濟”，這為鋁合金在(專用)掛車上的發(fā)展應用提供了良好的環(huán)境。

1 (專用)掛車上鋁合金使用加大，帶來的主要效益

1.1 減重效果明顯。

為了減輕車輛自質量，一是改進車輛的結構和發(fā)動機的設計；二是選用輕質材料(如鋁合金、鎂合金、塑料等)。到目前為止，前者已無太大的回旋余地，因而選用輕質的高強度鋼、鋁合金、鎂合金等輕合金材料成為輕量化的主要手段。鋁合金材料資源豐富，同時伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展和鋁冶煉工藝的改進，鋁合金的產量迅速增加，成本相應下降。鋁合金材料具有良好的輕質特性和良好的成型性能、可焊接性、抗蝕性和表面易著色以及可最大限度地回收利用的特性?？梢员蠕撝栖囕v減輕質量達35%～40%，是現代專用車輕量化最理想的材料之一。

1.2 節(jié)能效果可觀。

降低燃油消耗的途徑一般為：提高發(fā)動機效率，減少行駛阻力，改善傳動機構效率及減輕車身自質量等，其中最有效的措施是減輕車身自質量，鋁合金材料的大量使用，正好滿足這一要求。據統(tǒng)計，一般車身自質量減輕1 kg，則1 L汽油可使車輛多行駛0.011 km；車輛自質量每降低10%，車輛可節(jié)省燃油6%～8%。

1.3 減少大氣污染，改善環(huán)境質量。

汽車自質量減輕的同時，也減少了CO2的排放量。自質量每減少50%，CO2排放量減少13%，可以大大地降低對環(huán)境的影響。同時鋁合金材料是可最大限度地回收利用的材料，目前國外的鋁合金材料的回收利用率約為80%，有60%以上的汽車用鋁合金材料來自回收的廢料。

1.4 有助于提高車輛行駛的平穩(wěn)性、舒適性和安全性。

減輕車身自質量可提高汽車的行駛性能，如果汽車總質量減輕25%，就可以使汽車的加速時間從原來的10 s縮短到6 s；由于鋁合金材料良好的吸震性能，使用鋁合金材料制造的車輛振動小，還可以在汽車容積不變的情況下減輕車身自質量，使車輛運行更加平穩(wěn)，裝載空間增大。在受到沖擊時，鋁合金結構能夠吸收、分散更多的能量，因而更加安全、舒適。

2 (專用)掛車應用鋁合金板材和擠壓型材的技術特性

2.1 使用鋁合金可以減輕車輛自質量。

表1 相關材料的性能

鋁合金的密度只有2.7 g/cm3，是鋼的1/3。在相同條件下，鋁合金材質車輛的自質量可減輕35%以上。由于質量減輕，在同樣牽引力條件下，鋁合金車輛可增加運力10%，節(jié)能9.6%～12.5%；且由于車輛的運行阻力F與質量W密切相關，自質量減輕可以大大減少運行阻力。

式中，F，運行阻力；μo，滾動阻力系數；W，車輛質量；θ，傾斜角；α，加速度；β，等價旋轉質量比；λ，空氣阻力系數；A，迎風面積；ν，車速。

由公式(1)可知，汽車行駛阻力由4部分組成：滾動阻力、爬坡阻力、加速阻力和空氣阻力。除空氣阻力外，其他3項均與整車質量W有關，車輛自身越重，行駛阻力就越大。因此車輛輕量化的關鍵也是最有效的途徑就是盡可能多的采用鋁合金材料，提高車輛的用鋁比例。

2.2 鋁合金有可與鋼相比擬的抗拉強度，相對好的彈性模量和高的韌性。

鋁合金型材作為結構材料選用有它材質的優(yōu)勢，目前結構用材主要集中在5000系和6000系鋁合金中。5000系材質的鋁合金不能進行時效硬化處理，可以進行冷作加工。6000系材質的鋁合金為了提高材料強度可以采用固溶退火、淬火和人工時效處理，可以根據情況采用人工時效處理和自然時效處理方式獲得需要的材料強度。熱處理后的一些6000系材料的屈服強度達到了300 MPa以上，完全可以替代傳統(tǒng)鋼材。在擁有良好的強度的同時，鋁合金材質還具有相對好的彈性模量和較高的韌性。

2.3 鋁合金材料還具有很好的成形性能(擠壓、鑄造)，可切削加工，絕大多數鋁合金材料都可以通過焊接的方式進行連接。并且鋁合金材料還具有極好的防腐蝕性能。

鋁合金材料具有良好的擠壓成型性，絕大多數鋁合金材料都能通過鎢極惰性氣體保護焊和熔化極惰性氣體保護焊進行焊接。而且可以應用于鋁合金焊接的線性攪拌摩擦焊和攪拌摩擦點焊的發(fā)明，進一步提高了鋁合金的焊接質量。目前國內外的(專用)掛車大量應用鋁合金擠壓型材，這為擠壓鋁合金型材在車輛上的推廣創(chuàng)造了條件。隨著擠壓技術的發(fā)展和新合金的研制成功，利用用特種的擠壓工具與模具開發(fā)出了一系列大型整體的薄壁邊框高精度復雜的空心與實心型材，并對直線形型材曲線化的擠壓技術、彎曲加工技術和結合技術進行了系統(tǒng)的研究，同時技術專家與經濟學家對無框架式車身材料的利用率及無框架式結構車身的剛性與生產效率的提高等進行了評估，結果表明，用整體型材無框架式結構車身替代板梁框架式車身結構是現代化汽車的發(fā)展趨勢。

單從材料的力學性能方面看，鋼的彈性變形性能和伸長率較好，故沖擊性能比鋁材好，而且鋁合金在抗疲勞方面也不如鋼。但是，隨著科學技術的飛速發(fā)展，多種適合(專用)掛車的高性能結構用鋁合金相繼推出，特別是近年來大型鋁合金整體空心型材的擠壓成功，使(專用)掛車結構鋁材組合的設計方案成為可能，從而為鋁合金(專用)掛車的發(fā)展鋪平了道路。用型材方案拼焊成的(專用)掛車結構不僅質量輕，局部剛度和整體剛度也遠遠高于鋼結構(專用)掛車，特別是抗扭剛度將大大提高，這樣還有利于提高結構的疲勞強度和抗應力腐蝕能力。同時也大大簡化了制造及焊接工藝。在組裝時，為了得到精制且不變形的焊接構件，可能要求備有較多的組裝工具和胎具，固定投資較大，但資金的回收卻比耗資很大的常用設備要快。此外，鋁合金材料的耐火、耐腐蝕能力也比鋼材優(yōu)越的多。并且鋁合金部件便于制造和維修，易于更換，不需要除銹，適用于各種表面處理，而且可以回收利用。

2.4 鋁合金材料在低溫狀態(tài)下能夠保持良好的狀態(tài)，鋁合金型材可以進行陽極氧化等表面處理，從而達到防腐蝕和裝飾的目的。這使它不僅可以作為結構材料選用，還可以作為裝飾用材。

鋼材具有低溫脆性，木材和塑料有吸濕性，冷凍后容易變脆，而鋁合金在低溫下則能夠保持良好的狀態(tài)，干凈又容易清理，不吸收和散發(fā)異味，這使它成為冷藏車上首選的材料。鋁合金型材經過陽極氧化等表面處理后材料表面光亮美觀，耐腐蝕，可以作為廂式車或乘用車內外飾的裝飾材料選用。

鋁合金的技術難點，主要是對于焊接過程的工藝控制、環(huán)境控制要求苛刻。鋁合金焊接難度大，焊接工藝要求高，使得焊前處理和焊接過程都很復雜。與鋼材相比，鋁合金的成型性能要差很多，無論是深沖性還是最小折彎半徑都比鋼材差。前期從鋼制車輛轉型生產投資成本大，以及原材料的研發(fā)生產成本高；相關技術人員匱乏，國內運輸市場運行不規(guī)范，等等都成為鋁合金材料在(專用)掛車領域推廣的障礙。如何在市場推廣和技術開發(fā)中揚長避短，最大程度地發(fā)揮鋁合金材料性能優(yōu)勢，這對我們的企業(yè)戰(zhàn)略制定和技術人員提出了更高的要求。雖然有諸多難點，但隨著技術的進步，研究的深入相信都會得到逐步解決。

3 結語

鋁合金材料的這些特性和優(yōu)點，為它在(專用)掛車上的廣泛應用成為可能。雖然國內鋁合金材料在(專用)掛車上的應用起步較晚，但是隨著國內技術的發(fā)展和國際交流的增加，業(yè)內已經充分認識到了鋁合金材料在汽車輕量化需求中的巨大優(yōu)勢。國內先后有山東叢林福祿好富汽車有限公司、揚州中集通華專用車有限公司、東莞永強汽車制造有限公司等多家公司開展鋁合金(專用)掛車的研究開發(fā)，不斷從國外引進新技術，加大研發(fā)和市場推廣力度，目前部分車型已經批量推向市場。同時國家也加大了政策傾斜力度，并且通過規(guī)范國內道路交通運輸市場，加大甩掛車型補貼，調整(專用)掛車報廢年限等舉措推動了鋁合金車輛在中國市場的大力發(fā)展。

[1]王宏雁,陳君毅.汽車車身輕量化結構與輕質材料[M].北京:北京大學出版社,2009.