金屬材料在汽車輕量化中的應用
在汽車保有量的不斷增加的社會背景下，如何減少污染、降低能耗，為消費者提供低成本、低排放、高速、安全、舒適的駕車環境，是汽車制造業亟待研究的課題。汽車輕量化成為汽車產業發展的主要方向。鋁合金材料以其具有的一系列優良特性，如密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕、耐磨、高導電、高導熱、易表面著色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，在汽車工業中逐漸得到廣泛運用，成為實現汽車輕量化發展的主要途徑。
第一、汽車輕量化的概念與意義
汽車輕量化（Lightweight of Automobile）是指汽車在造價不被提高的前提下，即保持原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能，又有目標地減輕汽車自身的重量，降低汽車的整備質量，提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車輕量化的主要指導思想就是在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各總成零部件，持續優化車型譜。汽車輕量化是設計、材料和先進的加工成形技術的優勢集成，是汽車性能提高、重量降低、結構優化、價格合理四方面密切結合的一個系統工程，對于推動汽車制造業進一步發展具有重要意義。
汽車輕量化能夠降低油耗、節約能源。20世紀70年代兩次石油危機促使人們深刻認識到要維系汽車工業的長遠發展，必須降低油耗，節約能源。否則日益減少的能源將成為汽車工業發展的瓶頸。 汽車輕量化能夠減少排放，降低對環境的污染。80年代中期以后，隨著人類環境生存壓力的增大，作為污染源之一的汽車尾氣排放問題也成為人們關注的焦點。如何減少排放，如何降低對環境的污染，確保人類擁有良好生存環境，這是汽車工業發展過程中必須堅守的社會責任。
第二、金屬材料在汽車輕量化中的應用
汽車輕量化雖然是設計、材料、工藝等多方面因素的優勢集成，但主要是材料的輕量化。歸納起來，用于汽車輕量化的材料主要有兩類：一是低密度的輕質材料，主要指鋁、鎂、鈦合金材料，以及塑料和復合材料；二是高強度材料，如高強度鋼。從環保的角度看，在輕質材料中，聚合物類的塑料制品回收處理過程中存在環境污染問題，因此，在使用上受到一定的限制。而鋁、鎂、鈦合金材料是目前所有現用金屬材料中密度較低的輕金屬材料（鋁合金約2.7 g/cm3，鎂合金約1.74 g/cm3，鈦合金約4.51 g/cm3，鋼的密度約7.8 g/cm3），這些金屬材料形成的多種合金材料，可以提高汽車主動安全性和被動安全性，滿足苛刻的安全法規要求，使汽車的安全設計得到進一步的完善。同時，選用輕金屬材料也是減輕自重、節能環保，提高汽車動力性、舒適性的重要保證。鋁、鎂、鈦等輕金屬代替鋼材是汽車輕量化的首選材料，也是未來汽車發展的重要方向。
1、鋁及鋁合金
鋁是世界上使用較早且生產和處理工藝都比較成熟的輕量化材料。鋁及鋁合金材料具有的一系列優良特性，如密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導電、高導熱、易表面著色、易加工成型性、回收再生率高等特點，受到越來越多的汽車制造企業的青睞。
目前，汽車上用鋁量最大的是車輪、動力系和懸架系零部件。據此推測，未來汽車的鋁化界限可達30%～50%。為了能增加鋁及合金材料在汽車制造業中的使用數量，各國都在努力探索新的鋁合金材料的同時，也不斷改進加工技術，如“鋁合金半固態成形技術”就是目前國際廣泛關注和應用的領先的加工技術，該技術生產出來的鋁合金汽車零件組織致密、性能優良，且屬于近終態成形。鋁及鋁合金材料也有不足之處，主要表現在鋁的承載力、力學性能與鋼相比仍有差距。再加上生產技術的局限，工藝流程的復雜性，導致生產成本較高。這些都是制約汽車材料鋁化的重要障礙。
汽車輕量化主要是通過提高鋁化程度來實現。伴隨著鋁化程度的不斷提高，使用鋁的比例不斷增加，所產生的最大問題就是生產成本的大幅度上升。因此，降低鋁化成本，提高生產效率是汽車制造業努力的方向，未來汽車鋁化程度的提升必須依靠對鋁化的需求和生產成本的平衡來支配。我國的鋁礦產資源豐富，原鋁產量位居世界第一，并形成了完整的鋁工業體系。目前，國內汽車工業用率呈現快速增長態勢，生產技術基本上能滿足汽車工業的需要。
2、鎂及鎂合金
鎂及鎂合金是21世紀最具開發前景的輕質結構材料。鎂及鎂合金的主要特點是：一是密度低、質量輕，使用鎂合金能夠比鋁合金再減輕15%～20%，是最輕的金屬材料；二是比強度（強度與質量之比）高于鋁合金和鋼，比剛度（剛度與質量之比）接近于鋁合金和鋼；三是消震性和阻尼系數好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，用于殼體可以降低噪音，用于輪圈可以減少震動，提高汽車的安全性和舒適性；四是導電導熱性能良好，相同溫度條件，鎂合金的散熱時間是鋁合金的一半。五是工藝性能良好，具有良好的鑄造性能和尺寸穩定性，容易加工，廢品率低，從而降低生產成本。限制鎂合金應用的主要原因是鎂合金的高性能?D抗蠕變能力和高溫疲勞性能較差。今后新材料的研發主要解決這一問題，一是現有鎂合金的優化，特別是對AZ、ZK系合金進行改性，通過添加合金元素，改善合金的高溫性能；二是新合金系的開發，主要是指新型Mg-RE系的研發。
鎂及鎂合金在汽車上的應用主要是以壓鑄件為主，取代鑄鐵、鋁合金、塑料和鋼制沖壓焊裝組合件。鎂合金在汽車上的應用零部件分為兩類：一類是殼體類。如離合器殼體、閥蓋、儀表板、變速箱體、曲軸箱、發動機前蓋、氣缸蓋、空調機外殼等；另一類是支架類。如方向盤、轉向支架、剎車支架、座椅框架、車鏡支架、分配支架等。 我國汽車用鎂及鎂合金存在的主要問題是：自主研發產品少，主要的合金牌號基本上是仿制品；鎂合金品種及牌號少，尤其是板材與型材缺乏；鎂合金產品中的雜質和有害元素含量高，缺少統一的檢測標準；鎂合金基礎研究還比較薄弱。
為了把我國的鎂資源優勢轉變為產業優勢，國家投入大量經費，研究鎂及鎂合金生產和處理技術，取得了一定的階段性成果，突破了一批新技術和產業化關鍵技術，形成了從鎂合金生產、工藝與裝備、零件開發生產到產業化環境與示范基地建設等一系列產業鏈。組建以汽車集團為首的鎂及鎂合金材料的應用實體，推動產業的標準化發展。
3、鈦及鈦合金
鈦及合金是21世紀最重要的、具有優異的綜合性能的新型結構及功能材料。它密度小，鈦的密度是4.51 g/cm3，介于鋁（2.7 g/cm3）和鐵（7.6 g/cm3）之間；比強度高于鋁合金和鋼，韌性與鋼鐵相當；抗蝕性能優于不銹鋼，在氯離子侵蝕的海洋大氣環境和微氧化氣氛中，也具有很好的抗蝕性；工作溫度區間較寬，低溫鈦合金在-253℃依然能保持良好的塑性，耐熱鈦合金的工作溫度可550℃左右，耐熱性高于鋁合金和鎂；具有良好的加工性和焊接性能。
鈦在汽車上的應用主要分為兩大類：一大類是用來減少內燃機往復運動件的質量；另一大類是用來減少汽車總質量。在新一代汽車上主要應用在發動機元件和底盤部件上，可制作發動機系統閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等，以及底盤部件中的彈簧、排氣系統、半軸和緊固件等。
鈦及鈦合金在20世紀50年代就進入到汽車制造領域，但發展比較緩慢，主要原因是價格因素。鈦金屬熔點高，化學性質十分活潑，與O，H，N和C等元素有極強的化學親和力，使純鈦的提取非常困難；另一個原因是合金化元素價格較高，鈦合金多以高價的V作為合金元素以提高強度，又以Al-X作為中間合金添加。以廉價的Fe，Cr等合金元素取代V元素，是未來降低鈦合金成本的有效方法。
隨著汽車材料向輕量化、高性能和高功能的方向發展，鈦及鈦合金作為結構功能性材料將會越來越受到重視。盡管目前鈦材料在汽車領域應用不大，但隨著鈦工業的發展，鈦加工成本的降低，鈦材料必將在汽車領域占據重要地位，具有無限廣闊的發展前景。
4、高強度鋼
高強度鋼，英文縮寫為AHSS（Advanced HighStrengthSteel）是未來汽車鋼鐵材料的主要發展方向之一。高強度鋼是指在強度和韌性方面結合很好的鋼種。低合金結構鋼經調質處理后，具有很好的綜合力學性能，其抗拉強度σb>1200 MPa時，稱作高強度鋼；當抗拉強度σb>1500 MPa時，稱為超高強度剛。
高強度鋼具有很好的吸能性、屈強比、應變分布能力和應變硬化特性。與鋁、鎂合金材料相比，高強度鋼原料和制造價格較低，經濟性較好。主要用于汽車結構件、安全件、加強件如A/B/C柱、車門檻、前后保險杠、車門防撞梁、橫梁、縱梁、座椅滑軌等零件；在實現汽車輕量化的同時，確保汽車的安全性。
為了應對輕質材料的挑戰，鋼鐵企業將研發的重點放在高強度材料上，尤其是高強度鋼作為優先發展的重點方向。但自主開發能力不足，新產品的開發與生產主要依靠引進技術和裝備的局面仍未改變。大部分企業產品質量與國外相比存在較大差距，如鋼材表面質量差，尺寸誤差大，力學性能、工藝性能不穩定且分散性大等。自主創新、產銷研一體化、與用戶互動研發是解決這些問題的根本出路。
汽車工業發展到現在，面臨的主要問題是能源、公害和安全三大問題。世界各國政府先后頒布能源保護、廢棄排放、降低噪音和安全保障等方面的法律法規。汽車工業順應形勢的發展，必須走輕量化的發展道路。鋁、鎂、鈦、高強度鋼等金屬材料以其各自的優勢特點正逐步應用于汽車制造過程中，為汽車材料輕量化的實現提供主要途徑，也成為21世界最具有開發和應用潛力的“綠色材料”。
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