铝硅合金在汽车工业中的应用前景及研究现状

【专家解说】：汽车工业中的能源材料 高强度铝合金 　　通过节能降低环境污染具有重要意义。在汽车材料领域，除了依靠零件薄壁化、中空化及小型化等方法节能外，主要的方法是材料的轻量化，所以轻量化材料的研究是目前国际上汽车材料领域最活跃的研究方向之一。 　　目前轻量化材料主要采用各种高强度钢，能够降低汽车重量１５％-２０％。九十年代以来国外广泛采用高比强度Ａｌ合金、Ｍｇ合金和塑料，其中最重要的轻量化材料是铝合金，它具有塑性好、比强度高、耐腐蚀性好、韧性好、加工成本低和可延长使用寿命等优点，每使用１Ｋｇ的Ａｌ，可降低汽车重量２．２５Ｋｇ。 　　美国每台车的Ａｌ合金重量已经从７０年代的３０Ｋｇ增至９０年代的９０Ｋｇ。１９９６年Ａｕｄｉ公司生产的全铝Ａ８轿车，采用Ａｌ合金挤压车架，重量降低了３５％，抗扭刚度增加了５０％；１９９７年又生产了全Ａｌ车身的双座敞篷汽车和双座轿车。ＢＭＷ公司１９９６年生产的５系列全铝轿车，其车身、车架、桥壳、齿轮箱箱体和双联前轴都是由Ａｌ合金制造，整体刚度增加８０％，据德国铝业人士估计，仅使用Ａｌ车身，一年就可节约运行费用２．５万马克。 　　另外，Ｈｏｎｄａ、Ｎｉｓｓａｎ、Ｃｈｒｙｓｌｅｒ、ＢＭＷ和Ａｕｄｉ等公司都生产了全铝发动机，它采用具有低热膨胀系数、良好的高温机械性能和耐磨性的过共晶铝硅合金活塞；缸体、连杆和曲轴采用压力铸造纤维增强和颗粒增强铝合金复合材料；车身采用Ａｌ－１％Ｓｉ－０．５％Ｍｇ合金。这种合金在深冲成型时呈固溶态，塑性好；时效后，通过析出Ｍｇ２Ｓｉ而增加强度。此外，采用管状铝材构成“空间立体构架”，其重量比钢车身降低４０％，成本只增加２０％，汽车总重量和燃料费都降低１０％以上。 　　通过改变合金组织提高铝合金的强度，能够降低铝合金成本，使其得到更广泛的应用。由于我国以生产低中档轿车为主，所以这一点对我国的汽车工业具有特殊的意义。 　　此类合金的重要特征是强度高、耐腐蚀和韧性好。非晶和纳米晶高强度铝合金通常采用粉末冶金方法制造（冷速为４０Ｋ／ｓ），采用真空或氢气保护，在过冷液态温度下压制成型，制成的样品密度接近１００％。例如Ａｌ９４Ｖ４Ｆｅ２合金，其基体中含有高密度晶界和过饱和Ｆｅ和Ｖ。由于Ｆｅ阻碍晶粒长大，其组织为纳米晶＋非晶。 　　在成型过程中，合金表面的氧化铝膜被挤碎，在合金中呈弥散分布，因此该合金同时具有缺陷强化、固溶强化和弥散强化几个方面的强化机制，而组织中的非晶则有力的改善了合金的韧性，该合金最高强度达到１３９０ＭＰａ，其它合金也存在类似的性能。这些合金的铝含量在８５％-９４％之间，铝含量越低，合金韧性越好，成本越高。由于上述合金需要在压力下成型，所以用这些合金制造的零件应具有较简单的形状。 　　现在汽车发动机连杆使用的材料主要是中碳碳素钢和合金钢，其强度在６００-１０００ＭＰａ之间。如果高强度铝合金的强度达到７００-９００ＭＰａ，则铝合金的比强度是中碳钢的３倍，而其重量只有原有重量的１／３，这不但能够提高发动机的工作效率和节约能源，而且由于连杆重量的减轻可降低发动机工作时的振动，从而提高发动机的使用寿命和可靠性。 2、储氢合金 　　估计到２０２０年石油作为能源的比例将由目前的４０％降至２０％，所以需要研究替代能源。汽车未来能源除采用天然气和液化气以及各种双燃料外，可采用太阳能、电能和氢能。 　　太阳能电池从材料角度出发，要解决非晶硅的低成本制造（本世纪末只能达到１ｗ／０．２＄）和光电转换率低的问题（２４％）；电池储能需要解决高效电池（低成本、储电的高比能量和比功率及高储电次数）的问题；而氢能则需要解决低成本分解水和氢气储存问题。 　　对于氢气储存问题通常采用储氢合金解决，目前主要是镧系（ＬａＮｉ５），钛系（ＴｉＦｅ和ＴｉＦｅＶ）和镁系（Ｍｇ２Ｎｉ）金属间化合物，一般能够储存比本身体积大１０００倍以上的氢量。 　　这些合金的缺点是储氢次数低（储氢和放氢使其体积反复膨胀和收缩，导致合金粉化）、容易中毒和储氢密度低。如果采用锆镍和铜钛非晶合金储氢，则由于它的非晶结构，不容易发生晶界开裂，从而避免形成粉末。但是一般非晶合金在制造过程中需要急冷，因此很难制成大块样品，需要研制出具有高非晶形成能力的合金。 　　我们根据８０年代末国外的文献报道，研究了在镧系、锆系和镁系非晶合金中加入其它组元（Ａｌ、Ｙ和Ｃｏ等）后的非晶形成能力。虽然不能达到文献报道的通过压力铸造制成直径１０ｍｍ左右的铸件的水平，但铸造出了直径大于５ｍｍ的非晶合金。以这些合金为基础，有可能研究出长寿命的储氢非晶合金，其性能指标预期可达到: 　　ａ．储氢能力达到２００ｍｍ３／ｇ； 　　ｂ．放电量５０Ｗ／Ｋｇ； 　　ｃ．充放电次数大于５００次； 　　ｄ．在１００-１５０℃氢的蒸气压大于５ＭＰａ； 　　ｅ．压力平台温度范围在２０-３０℃之间。 　　通过解决水的低成本分解（目前也可通过电厂电力输出低谷时富余的电力电解水）或由于汽油的价格的上涨（石油短缺），都可以导致氢燃料汽车的应用。因为氢燃烧后生成无害的水，所以该研究对于环境保护有着重要意义。 以上是一片参考文献，仅供参考