鋁硅合金在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用前景及研究現(xiàn)狀

【專(zhuān)家解說(shuō)】：汽車(chē)工業(yè)中的能源材料 高強(qiáng)度鋁合金 　　通過(guò)節(jié)能降低環(huán)境污染具有重要意義。在汽車(chē)材料領(lǐng)域，除了依靠零件薄壁化、中空化及小型化等方法節(jié)能外，主要的方法是材料的輕量化，所以輕量化材料的研究是目前國(guó)際上汽車(chē)材料領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。 　　目前輕量化材料主要采用各種高強(qiáng)度鋼，能夠降低汽車(chē)重量１５％-２０％。九十年代以來(lái)國(guó)外廣泛采用高比強(qiáng)度Ａｌ合金、Ｍｇ合金和塑料，其中最重要的輕量化材料是鋁合金，它具有塑性好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、韌性好、加工成本低和可延長(zhǎng)使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，每使用１Ｋｇ的Ａｌ，可降低汽車(chē)重量２．２５Ｋｇ。 　　美國(guó)每臺(tái)車(chē)的Ａｌ合金重量已經(jīng)從７０年代的３０Ｋｇ增至９０年代的９０Ｋｇ。１９９６年Ａｕｄｉ公司生產(chǎn)的全鋁Ａ８轎車(chē)，采用Ａｌ合金擠壓車(chē)架，重量降低了３５％，抗扭剛度增加了５０％；１９９７年又生產(chǎn)了全Ａｌ車(chē)身的雙座敞篷汽車(chē)和雙座轎車(chē)。ＢＭＷ公司１９９６年生產(chǎn)的５系列全鋁轎車(chē)，其車(chē)身、車(chē)架、橋殼、齒輪箱箱體和雙聯(lián)前軸都是由Ａｌ合金制造，整體剛度增加８０％，據(jù)德國(guó)鋁業(yè)人士估計(jì)，僅使用Ａｌ車(chē)身，一年就可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用２．５萬(wàn)馬克。 　　另外，Ｈｏｎｄａ、Ｎｉｓｓａｎ、Ｃｈｒｙｓｌｅｒ、ＢＭＷ和Ａｕｄｉ等公司都生產(chǎn)了全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)，它采用具有低熱膨脹系數(shù)、良好的高溫機(jī)械性能和耐磨性的過(guò)共晶鋁硅合金活塞；缸體、連桿和曲軸采用壓力鑄造纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料；車(chē)身采用Ａｌ－１％Ｓｉ－０．５％Ｍｇ合金。這種合金在深沖成型時(shí)呈固溶態(tài)，塑性好；時(shí)效后，通過(guò)析出Ｍｇ２Ｓｉ而增加強(qiáng)度。此外，采用管狀鋁材構(gòu)成“空間立體構(gòu)架”，其重量比鋼車(chē)身降低４０％，成本只增加２０％，汽車(chē)總重量和燃料費(fèi)都降低１０％以上。 　　通過(guò)改變合金組織提高鋁合金的強(qiáng)度，能夠降低鋁合金成本，使其得到更廣泛的應(yīng)用。由于我國(guó)以生產(chǎn)低中檔轎車(chē)為主，所以這一點(diǎn)對(duì)我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)具有特殊的意義。 　　此類(lèi)合金的重要特征是強(qiáng)度高、耐腐蝕和韌性好。非晶和納米晶高強(qiáng)度鋁合金通常采用粉末冶金方法制造（冷速為４０Ｋ／ｓ），采用真空或氫氣保護(hù)，在過(guò)冷液態(tài)溫度下壓制成型，制成的樣品密度接近１００％。例如Ａｌ９４Ｖ４Ｆｅ２合金，其基體中含有高密度晶界和過(guò)飽和Ｆｅ和Ｖ。由于Ｆｅ阻礙晶粒長(zhǎng)大，其組織為納米晶＋非晶。 　　在成型過(guò)程中，合金表面的氧化鋁膜被擠碎，在合金中呈彌散分布，因此該合金同時(shí)具有缺陷強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化幾個(gè)方面的強(qiáng)化機(jī)制，而組織中的非晶則有力的改善了合金的韌性，該合金最高強(qiáng)度達(dá)到１３９０ＭＰａ，其它合金也存在類(lèi)似的性能。這些合金的鋁含量在８５％-９４％之間，鋁含量越低，合金韌性越好，成本越高。由于上述合金需要在壓力下成型，所以用這些合金制造的零件應(yīng)具有較簡(jiǎn)單的形狀。 　　現(xiàn)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿使用的材料主要是中碳碳素鋼和合金鋼，其強(qiáng)度在６００-１０００ＭＰａ之間。如果高強(qiáng)度鋁合金的強(qiáng)度達(dá)到７００-９００ＭＰａ，則鋁合金的比強(qiáng)度是中碳鋼的３倍，而其重量只有原有重量的１／３，這不但能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和節(jié)約能源，而且由于連桿重量的減輕可降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和可靠性。 2、儲(chǔ)氫合金 　　估計(jì)到２０２０年石油作為能源的比例將由目前的４０％降至２０％，所以需要研究替代能源。汽車(chē)未來(lái)能源除采用天然氣和液化氣以及各種雙燃料外，可采用太陽(yáng)能、電能和氫能。 　　太陽(yáng)能電池從材料角度出發(fā)，要解決非晶硅的低成本制造（本世紀(jì)末只能達(dá)到１ｗ／０．２＄）和光電轉(zhuǎn)換率低的問(wèn)題（２４％）；電池儲(chǔ)能需要解決高效電池（低成本、儲(chǔ)電的高比能量和比功率及高儲(chǔ)電次數(shù)）的問(wèn)題；而氫能則需要解決低成本分解水和氫氣儲(chǔ)存問(wèn)題。 　　對(duì)于氫氣儲(chǔ)存問(wèn)題通常采用儲(chǔ)氫合金解決，目前主要是鑭系（ＬａＮｉ５），鈦系（ＴｉＦｅ和ＴｉＦｅＶ）和鎂系（Ｍｇ２Ｎｉ）金屬間化合物，一般能夠儲(chǔ)存比本身體積大１０００倍以上的氫量。 　　這些合金的缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫次數(shù)低（儲(chǔ)氫和放氫使其體積反復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致合金粉化）、容易中毒和儲(chǔ)氫密度低。如果采用鋯鎳和銅鈦非晶合金儲(chǔ)氫，則由于它的非晶結(jié)構(gòu)，不容易發(fā)生晶界開(kāi)裂，從而避免形成粉末。但是一般非晶合金在制造過(guò)程中需要急冷，因此很難制成大塊樣品，需要研制出具有高非晶形成能力的合金。 　　我們根據(jù)８０年代末國(guó)外的文獻(xiàn)報(bào)道，研究了在鑭系、鋯系和鎂系非晶合金中加入其它組元（Ａｌ、Ｙ和Ｃｏ等）后的非晶形成能力。雖然不能達(dá)到文獻(xiàn)報(bào)道的通過(guò)壓力鑄造制成直徑１０ｍｍ左右的鑄件的水平，但鑄造出了直徑大于５ｍｍ的非晶合金。以這些合金為基礎(chǔ)，有可能研究出長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)氫非晶合金，其性能指標(biāo)預(yù)期可達(dá)到: 　?。幔畠?chǔ)氫能力達(dá)到２００ｍｍ３／ｇ； 　?。猓烹娏浚担埃祝耍?； 　?。悖浞烹姶螖?shù)大于５００次； 　　ｄ．在１００-１５０℃氫的蒸氣壓大于５ＭＰａ； 　　ｅ．壓力平臺(tái)溫度范圍在２０-３０℃之間。 　　通過(guò)解決水的低成本分解（目前也可通過(guò)電廠(chǎng)電力輸出低谷時(shí)富余的電力電解水）或由于汽油的價(jià)格的上漲（石油短缺），都可以導(dǎo)致氫燃料汽車(chē)的應(yīng)用。因?yàn)闅淙紵笊蔁o(wú)害的水，所以該研究對(duì)于環(huán)境保護(hù)有著重要意義。 以上是一片參考文獻(xiàn)，僅供參考