摘要:分析了现代汽车用材特点。论述了轻金属材料在现代汽车制造中的重要作用。分析汽车工业的发展对铝、镁、钛等轻金属材料的需求。介绍汽车主要零部件使用轻金属材料的现状和动向。指出我国汽车工业应结合本国资源实情，合理选用轻金属材料。
关键词:材料；铝；镁；钛
能源、环境和安全是当今世界各国极为关注的三大问题，汽车工业的发展和汽车应用普及同这三大问题密切相关。多年来，汽车行业一直在汽车的结构设计、材料选用和制造技术等方面开展试验研究工作，努力开发安全可靠、高速舒适、节能环保型现代汽车，其首要解决的问题是汽车轻量化。现代汽车节能降耗的要求不断高涨，安全和环保法规日趋严格，轻量化的需求更为迫切。选用轻金属材料，采用先进的制造技术，获得质轻、净形、优质、价廉的汽车零部件，是汽车轻量化的重要途径。人们已经认识到了轻金属材料制造汽车零部件的优点、前景和发展趋势以及给人类带来的经济和社会效益，并引起了世界汽车行业的高度重视。轻金属材料的应用是21世纪共同关心的问题，也是我国汽车工业跟踪世界先进水平应开展的研究课题。
一、现代汽车用材特点
1、汽车轻量化是发展趋势
世界交通运输车辆发展的总趋势是轻量化，以达到节能降耗的目的。汽车自身质量减小，能耗就会下降，废气排放减少，有利于改善人类生存环境。与20年前相比，国外汽车自身质量减小20%～26%。未来汽车不管选用何种动力驱动，都必须轻量化，尤以轿车最为突出，轻量化、节能降耗和降低排放污染是发展轿车的三项战略性课题，其轻量化是关键。表1反映出美国轿车平均自身质量变化情况。世界各国都制定出中长远轿车减小质量目标（中型轿车），美国为1000kg以下，西欧为900kg以下，因此，轻量化是汽车的发展趋势。
2、轻质材料是汽车选材方向
当今制造汽车用金属材料中，钢铁仍居主导地位。各种类型汽车功能不同，选用的制造材料也各有差异，轿车比载货车轻量化的需求更迫切。20世纪80年代轿车上钢铁材料的比例为70%，90年代下降到60%，2000年为50%左右，主要原因是使用了较多的轻质材料，表2列出了当代几种典型轿车用材比例。汽车轻量化发展过程的实践证明，采用轻质材料制造汽车是降低汽车质量最有效的途径和手段。轻金属（铝、镁、钛）材料代替钢铁，能有效地减小汽车质量。铝合金代替传统钢铁可使整车质量减小30%～40%，有极好的经济效益和社会效益。铝铸件代替铸铁件有显著的减重效果（见表3），表4列出了几种钢材制品采用铝合金材料后的减重效果，各种类型汽车采用铝合金车轮，减重效果很明显（见表5）。据预测，2005年欧洲轿车平均每车用铝将达到119kg，而美国制造的汽车平均每车用铝将超过130kg，到2008年世界中级轿车平均每车用铝将达到130kg。在汽车排放法规日趋严格、节能降耗更为迫切的新形势下，世界汽车业又把目光投向更轻的材料。镁是目前工业上应用最轻的金属，它可在铝合金减重基础上再减轻15%～20%。继铝合金和塑料在汽车上应用以来，镁合金已成为汽车轻金属材料的应用重点，汽车用镁正以年增20%的速度迅速发展。钛合金很受人们关注，它将是铝和镁合金材料无法满足性能要求的恶劣工况下，取代钢铁的轻量化代用材料。目前，轻金属在汽车上已呈现出关键零件是应用对象、铸造合金是用材主体、提高性能是选材依据、减轻质量节能是追求目标的用材特点。先进材料推动着汽车轻量化进程，轻质材料是汽车选材方向。
3、资源丰富、可回收利用的材料受重用
铝是各种结构材料中资源最充分的一种，产量仅次于钢铁，居第二位。2001年全球原铝产量达到2447.1万t，消耗量为2417.3万t，供大于求。2001年中国原铝产量已达到342.7万t，超过美国、俄罗斯，成为世界第一原铝生产国。去年国内原铝消耗量为370万t，比2000年增长8.8%，主要增长是在汽车、建筑、家电、电力和包装等领域。我国镁资源丰富，储量居世界首位，也是产镁大国。2000年全球镁产量48.8万t，中国为19.5万t，占全球39.96%，该年全球镁消费量为47.32万t，其中西方世界为44.27万t，中国为2.55万t，西方镁缺口的85%靠中国供应。2001年我国镁产量已超过20万t，国内用量不足3万t，大量低价出口。
材料回收利用是环保的重要问题，铝是钢铁以外能够最大限度回收利用的材料，目前回收率可达85%，预计到2010年可提高到90%。镁的回收利用效果也很好，据估计，只需花用新料价格的4%左右，就可将废料回收利用，也不产生对人体和环境直接有害的副产品，被称为21世纪绿色环保材料。在世界环保意识高涨的今天，能高度回收利用的材料和制品日益受到重用。
二、轻金属材料的特性
1、铝合金材料
铝具有高导电导热性和耐蚀性，最受关注的是密度小，约为钢铁的13（见表6）。单位质量导电率约为铜的2倍，导热性几乎比铁大三倍，属非铁磁性金属，不打火花，无毒，对辐射能有强反射能力。铝塑性好，易承受各种压力加工，可获得任何要求的色彩和花纹，铸、锻、冲工艺均适用，是少数几种可采用多种铸造工艺生产零件的金属之一，最适合汽车生产中广范应用的压力铸造。铝最显著特点是多功能性，在多种用途上，是工程材料中最经济实用、最受欢迎、最有竞争力的轻金属材料。从生产成本、零件质量、材料利用率讲，是汽车生产不可缺少的重要材料。
2、镁合金材料
镁比铝更轻，密度为铝的23，钢的29，是工业上应用最轻的金属材料。镁合金有好的散热和抗电磁干扰屏蔽性能，比阻尼容量为铝合金的10～25倍（见表7），能更有效地降低汽车振动和噪声。汽车受冲击时，镁合金结构件能吸收分散更多的能量，防冲击凹陷，使汽车行驶更平稳、安全和舒适。镁熔点、比热容和相变潜热比铝低，熔化耗能较少，凝固速度快，动力学粘度低，铸造充型性好，压铸件生产周期比铝合金短，易成型薄壁结构件。镁与铁的亲和力小，固溶铁的能力低，不易粘模，铸模寿命比生产铝合金高2～3倍。镁合金切削加工性能优于铝合金和锌合金，能在很高切削速度及较大进刀量下加工，镁屑易断裂，机加工所耗能量比任何金属都低（表8）。镁合金多在干状态下机加工，可不用切削液改善零件表面加工质量、减少摩擦力和提高刀具寿命，不需磨削和抛光便能获得平滑光洁的表面。镁合金在汽车生产中的地位越来越重要。
3、钛合金材料
钛资源丰富，地壳中蕴藏量仅次于铝、铁和镁，居第四位。钛的密度仅为钢的58%，它以比强度高、模量小、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、无磁性而著称。轻金属材料中，只有钛合金具有与钢相同的高强度（见表9），汽车工业颇为关注。高强耐热钛合金制造发动机配气系和曲轴连杆机构零件，如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆和涡轮转子等，有很好的使用效果。钛合金连杆比相同钢件轻30%，运动惯性小，转速达7000rmin，发动机效率提高，噪音显著降低，有很好的综合使用性能。钛合金气阀弹簧质轻负荷小，可降低机械摩擦，改善凸轮轴工作条件，提高燃料效率。钛合金气门和阀座可减轻质量40%，使气门系统的运动惯量降低。钛合金底盘零件主要有弹簧、半轴和紧固件等。其板材和管材可用作消音器及车轮。
汽车行业一直考虑钛合金代替钢铁的问题，因材料成本较高，加工条件复杂，极大地限制了钛合金在汽车上的应用。世界汽车行业正寻求新的途径，选用廉价合金元素，获得经济型钛合金；改进热加工和冷加工工艺，降低钛合金零件的制造成本等，使综合成本达到汽车行业可接受的水平。钛合金在汽车上的应用趋势是，从赛车逐渐扩大到批量生产的轿车。随着汽车技术的不断进步，对材料的要求必会更高，应尽早关注钛合金在汽车上的应用前景。
三、轻金属材料典型汽车零件
目前，汽车行业正在研究和已经使用的轻金属典型零件（见表10）反映出，铝合金和镁合金材料是主流。汽车用铝合金材料的34为铸造铝合金，主要是发动机部件（如缸盖、缸体、活塞等），传动系部件（如变速器壳、离合器壳等），底盘行走系零部件（如转向机壳、车轮、上下臂、制动钳等）。变形铝合金主要用于热交换器系统（如各种散热器、中冷器、空调冷凝器和蒸发器等），车身系部件（如发动机罩、车体框架、行李箱盖等）。
汽车上镁合金多以铸件形式应用，并以压铸件为主，主要取代铸铁件、钢制冲压焊装件、塑料和铝合金铸件，使获得更好的减重节能效果。应用主要范围是发动机部件（气门室罩盖、进气歧管、油底壳等），传动系部件（变速器壳、离合器壳等），车身系部件（转向盘、仪表板骨架、座椅骨架、车门框架等）。
目前，汽车上高温高负荷并要求抗氧化腐蚀的零件都用钢材制造，在减重和某些特殊需求新形势下，可考虑选用钛合金，如发动机配气系和曲轴连杆机构可考虑选用高温高强抗氧化腐蚀的钛合金，底盘零件可选用高强钛合金，使其获得好的综合使用性能。应关注国外汽车钛合金研究应用动向，开展早期研究工作。
东风汽车公司早在"七五"、"八五"期间就进行了镁合金研究，并在风动工具和非汽车零件上应用镁合金。"九五"期间与北京有色金属研究总院合作，完成了国家科技攻关项目"镁合金在汽车上的应用研究"专题。"十五"承担了国家重大科技攻关专项"镁合金开发应用及其产业化"中的"交通工具用镁合金零部件生产及应用共性关键技术研究开发及产业化"课题，重点研究开发镁合金在东风汽车上应用及产业化，现已对真空助力器中间隔板、变速器上盖、前油封座和阀体等多种零件批量试制和生产。并计划在近两年内，以自主产权车型为主，研究开发并生产具10多种镁合金汽车压铸件（见表11）。
四、结束语
轻金属材料的应用促进了汽车技术进步，引起世界汽车行业的高度重视。现代汽车铝、镁等轻金属材料的用量不断增加，并成为发展趋势，钛合金在汽车上应用很受关注，中国汽车行业应把轻金属应用列为新世纪材料研究重要课题。
铝、镁和钛等轻金属材料各有其独特性能，均能很好地满足汽车节能降耗、性能提高、安全环保多种要求，是理想的工程材料。汽车上应用这些轻金属材料，必须从材料和工艺成本、性能和使用特点、安全和环保等综合考虑，根据汽车零件的不同要求合理选用。
参考文献:
[1]董春明等.2001年国内外铝市场回顾与2002年展望[J].中国铝业，2002(1):17-35.
[2]袁序弟.铝合金在汽车工业的应用[J].中国有色金属学报，2002，12(3).28-31.
[3]董春明.镁工业加入WTO:机遇挑战对策[J].中国镁业，2002(2):1-14.
[4]袁序弟.镁合金在汽车工业的应用前景[J].有色金属加工，2002(1)；14-16.
[5]张琦.国外最新汽车用金属材料的发展趋热[J].汽车材料信息，2000(6)；1-8
