铝合金车体的运用与发展趋势

铝合金车体的运用与发展趋势

大连交通大学赵文舒

摘要论述了铝合金车体的特点和发展趋势，总结了铝合金车体制造的关键技术，并对铝合金材料及相关车体产品进行对比分析，指出制造铝合金车体技术方面的问题与未来的趋势与展望。

关键词铝合金车体轨道交通制造技术

APPLICATION AND TENDENCY OF ALUMINUM ALLOY CAR BODIES

Abstract The paper illustrates the feature and tendency of aluminum alloy car bodies, and summarizes the key of manufacturing aluminum alloy car bodies, which confirms the status quo and trend of manufacture technique about aluminum alloy car bodies by means of analyzing the materials and products of car bodies.

Key word： aluminum alloy car bodies rail transit manufacture technique

1 引言

随着材料技术的研究，城市交通以高速发展，车体的材料与制造将面临越来越多的课题与革新。减轻车体自重，减少环境污染，节约现有能源的必然趋势使得铝合金材料逐渐进入轨道交通的视野。铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀、外观平整度好和易于制造复杂美观曲面车体的优点,从而受到世界各城市交通公司和铁道运输部门的欢迎,世界各国逐渐停止制造碳钢车体,转向制造不锈钢和铝合金车体。于是，在铝合金车体制造技术上，人们又要开启新的革命。

2 铝合金材料

铝的密度小，仅为2.7（属轻金属），约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜，所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂外形的零件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa，与低碳钢相比，比强度则胜过某些合金钢。铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如

铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。

铝合金仍然保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。

表1 铝合金材料的主要化学成分

表2 铝合金材料的机械性能

铝合金成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也

是他的特点之一。它的材料特性是轻、容易加工、以及在可耐强度方面不象碳素纤维有一个最大受力范围。这是什么意思呢？也就是说，碳素纤维因为有纤维的特性所以在一定的纤维方向上受力能力很强，但是在在别的方向上的受力就会很差。在制造一个比较大的零部件时可能会使用好几层碳素纤维，在超过受力能力时该零部件就会象酥饼一样变得一层一层的。而铝合金在承受了一定的力量后，会慢慢变形再损坏。

还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性。特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。

此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。

铝合金与现行的不锈钢车体重量以及价格对比

3 铝合金在汽车工业中的应用

最早把铝材运用到汽车上的是印度人，据记载，1896年印度人率先用铝制做了汽车曲轴箱。进入20世纪早期，铝在制造豪华汽车和赛车上有一定的应用，铝制车身的汽车开始出现，如亨利·福特的Model T型汽车和二、三十年代欧洲赛车场上法拉利360赛车都是铝制车身。

汽车用铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金在汽车上的使用量最多，占80%以上，其中又分为重力铸造件，低压铸造件和其它特种铸造零件。变形铝合金包括板材、箔材、挤压材、锻件等。世界各国工业用铝合金材料的品种构成虽然有一定的差异，但大体是相同的。其品种构成：铸件占80%左右，锻件占1%～3%，其余为加工材。美国汽车工业中变形铝合金占较大比例，达36%。

3.1 铸造铝合金的应用

铸造铝合金具有优良的铸造性能。可根据使用目的、零件形状、尺寸精度、数量、质量标准、机械性能等各方面的要求和经济效益选择适宜的合金和合适的铸造方法。铸造铝合金主要用于铸造发动机气缸体、离合器壳体、后桥壳、转向器壳体、变速器、配气机构、机油泵、水泵、摇臂盖、车轮、发动机框架、制动钳、油缸及制动盘等非发动机构件。

汽车用铸造铝合金的主要部件系统

3.1.1发动机用铝合金

汽车发动机用铝合金制造轻量化最为明显，一般可减重30%以上，另外，发动机的气缸体和缸盖均要求材料的导热性能好、抗腐蚀能力强，而铝合金在这些方面具有非常突出的优势，因此各汽车制造厂纷纷进行发动机铝材化的研制和开发。目前国外很多汽车公司均已采用了全铝制的发动机气缸体和气缸盖。如美国通用汽车公司已采用了全铝气缸套；法国汽车公司铝气缸套已达100%，铝气缸体达45%；日本日产公司VQ和丰田公司的凌志IMZ-FEV6均采用了铸铝发动机油底壳；克莱斯勒公司新V6发动机气缸体和缸盖都使用了铝合金材料。

3.1.2 轮毂用铝合金

铝轮毂因为质轻、散热性好，并具有良好的外观，而逐渐取代了钢轮毂。在过去的10年，全球铝合金汽车轮毂以7.6%的年增长率增长，根据分析，到2010年时，汽车轮毂铝化率可达72%～78%。A365是一种铸造铝合金，它具有良好的铸造性能又具有高的综合力学性能，世界各国的铸造铝合金轮毂都是此类合金生产的。我国西南铝加工厂与日本轻金属株式会合作开发了A6061铝合金轮毂。

3.2变形铝合金的应用

变形铝合金在汽车上主要用于制造车门、行李箱等车身面板、保险杠、发动机罩、车轮的轮辐、轮毂罩、轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身构架、座位、车箱底板等结构件以及仪表板等装饰件。

变形铝合金的主要部件系统

3.2.1 车身板件用铝合金

板材在轿车上的应用比重不断上升，如经热处理（如：T4、T6、T8）的6000系（AI-Mg-Si系）铝合金板材，能够很好的满足汽车对壳体的要求，可用做车身框架材料。Audi A8的车身钣金件，即采用了本系合金铝材。另外，2000系（AI-Cu-Mg系）、5000系（AI-Mg系）和7000系（AI-Mg-Zn-Cu系）铝合金也可应用于车身材料。近几年，采用6000系和7000系高强度铝合金开发了“口”、“日”、“目”、“田”字形状的薄板和中空型材，不仅质量轻、强度高、抗裂性能好，而且成型性能好，在汽车上得到了广泛的应用。

3.2.2 其它铝合金结构件

铝合金也被广泛应用于汽车的其他部位，如：美国通用汽车公司用7021铝板制造Smure轿车保险杠增强支架，福特公司用7021铝板制造Lincoln Town 轿车保险杠增强支架[7]。汽车悬挂件也应用了铝合金材料，有效减轻了相应零部件的质量，提高了汽车行驶的平顺性、稳定性，如用6061锻件生产的盘式制动器卡爪、动力传动框架等。此外，铝合金也广泛用于汽车空调系统，如日本用6595铝合金做汽车散热器和冰箱散热器。

4 铝合金在城市轨道的应用

车体材料的选择不但影响车体的强度和刚度，直接关系车辆运行的安全性和乘客的舒适性，而且关系到车辆的载客能力和能耗大小，也关系到车辆检修工作量和使用寿命，并影响车辆采购费和运营维修费的高低。因此，选择地铁车辆车体材料时，不但要考虑车辆采购价格，还要考虑车辆长期运行时的运营和维修费用。

目前，城市地铁车辆车体材料有普通钢、不锈钢和铝合金3种材料。

铝合金的比重只相当于普通钢的l／3，弹性模量也只有钢的l／3，在保证车体同等强度下，车体自重最大可减轻50%；而且铝合金的耐腐蚀性好，可以延长车辆的使用寿命。

因此，许多国家都在积极开发和生产铝合金车。法国于l896年将铝合金用于铁道客车车窗上。l905年英国铁路电动车的外墙板采用了铝合金。美国在

l923～1932年间有700辆电动车和客车的侧墙和车顶采用铝合金。l952年伦敦地铁、l954年加拿大多伦多地铁车辆均采用了铝合金车体。20世纪60年代以来，德国科隆、波恩铁路的市郊电动车组也相继实现车体铝合金化。本从l962年的山阳地铁2000系开始采用铝合金车体，至l999年已累计生产了约l万辆。法国、德国、英国和俄罗斯等国在高速铁路车辆上都采用了铝合金车体。20世纪90年代以来，意大利米兰地铁、奥地利维也纳地铁以及新加坡地铁都采用了铝合金车辆。近年来，我国地铁车辆车体也采用了铝合金材料，上海地铁l号、2号线及明珠线，广州地铁1号、2号、3号线4号、5号，深圳地铁1号、4号线，南京地铁1号线，重庆单轨2、3号线，重庆地铁1号线、武汉地铁等都已采购或计划采用铝合金车体车辆。

5 铝合金在高速铁路运输的优点

（1）轻量化，节能降耗，有利环保。在强度刚性满足安全要求的同时，使用铝合金可大大减轻机车车辆的自重，一般来说铝合金车辆比钢质车辆轻

30%~50%，对于高速列车车辆的轻量化最有效的途径就是尽可能多地提高车辆的运功铝比例。

（2）具有优良的耐火与耐电弧性。虽然铝的熔点大大低于钢的熔点，但车体的耐火耐电弧性不仅和材料的熔点相关，还与材料的导热性相关。铝合金材料与钢铁相比具有优良的导热性，其散热性比刚要好。

（3）耐腐蚀性。铝合金表面易形成一层致密的氧化膜，在大气中具有很好的抗氧能力。因此铝合金比钢质车体具有更好的耐腐蚀性，特别是车体不易涂覆的部位。同时铝合金表面可以化学着色、上漆、喷涂，通过这些方法大大提高了铝构件的耐腐性。可使车体表面美观，给人舒适的感觉。

（4）便于加工、制造、维修。随着大型中空、复杂断面铝塑材的开发应用，铝材焊接技术的不断进步，铝合金车辆制造技术日趋成熟铝合金件的易于更换，不需除锈，适用于各种表面处理，便于维护，还可以回收的特点，是制造工艺大大简化，制造所需工作量也较钢质车体大大减少。

（5）价格适中。铝材价格较高，使得车辆制造成本增加，但由于铝合金使得车辆轻量化，车辆的轻量化带来了运能的增加，耗能的减少，维修的费用降低。以车辆出厂10a的检修工时对比为例，钢车为100%，铝车为52%。报废车辆的回收价值，钢车为100%，而铝车为480%。从综合经济效益来看，采用铝合金车辆时经济合理的，最终成本是适中的。

6 铝合金材料的主要障碍

初期国内的铝合金车体,只是模仿国外的结构和工艺,但在具体的生产过程中,工程技术人员逐渐意识到铝合金车体制造是一个综合的复杂技术,单纯追求设计技术和工艺技术都不能获得很好的效果,例如,在结构中某个成形槽深度尺寸过大,过小,横向尺寸过宽,过窄均有可能对结构造成致命的质量隐患,而这些问题,又不能象碳钢车体那样,可以处理解决.因此,研究铝合金车体综合技术是制造铝合金车体的关键,关键技术有车体设计技术,自动焊接技术,焊接变形控制技术,焊接变形校形技术,厚铝板弯曲成形技术,大断面型材弯曲成形技术,部件分体装配技术,质量保证和检测技术等。

铝材应用在高速铁路上会碰到许多技术上的难题，加工难度比钢材大很多。例如车身大部分的工件是靠冲压成形，假如用冲压钢板的方法上去冲压铝板，会出现裂缝和褶皱；典型的浅冲铝合金车身板的冲压性能与钢板基本相同。但是，由于铝合金深冲压性能较差，为防止断裂，应尽量减少集中拉伸，深拉时要进行良好的润滑并采用异形坯料，以促使金属顺利流进模具。铝合金的冲压成形模具与钢的几乎可以通用，但在必要时可将工具外形稍加修改以提供不同的反弹特性。对于某些非凡的铝合金可实施局部或分步作业，例如弯曲、下翻边、折边和空翻边等。

车身大部分的工件都是用焊接组装，而铝的焊接要比钢材难度大得多；铝合金和钢的连接特性主要有两点区别：一是铝合金的热导率和电导率是钢的3倍；二是铝点焊焊缝的强度是钢焊缝的1/2。由于焊接铝合金所需电流密度是钢的3倍左右，所以二者的焊接设备也不完全相同。铝合金的连续焊接必须按

顺序进行，但由于其焊接周期时间短，所以总的焊接时间与钢的相当。对于大型的强度和质量要求较高的铝合金部件之间的连接，应用的铝合金汽车板对质量要求比较高，外观要求表面光滑。为了使零件在服役过程中不受恶劣环境的破坏，还要对零件进行电泳和喷涂，这就要求铝合金汽车板有较好的涂装附着力。涂装前对铝合金前舱盖的表面进行更细致的手工打磨。涂装工艺基本不需要变化。铝合金前舱盖完全可以和碳钢白车身整体进行电泳涂装，但是这样时间长了以后就会在电泳液里积存下大量的Al离子。只需要在电泳液里定期的添加氟化钠和氟化钾的混合物，形成富氯酸钠钾的沉淀物后移出磷化槽之外就可以吧Al离子除掉。

7 铝合金在车体发展上的展望

在汽车工业中，铝合金有着重要的作用与需求，无论在未来还是现在都有着举足轻重的地位。在铝合金材料与制造技术的发展前提下，汽车工业才会不断革新，不断进步。

在高速铁路中，火车的轻量化与高强度对于高速列车节能降耗、提高安全系数具有显著作用，铝合金因为具有良好的成型性能和较好的强度、耐腐蚀性且成本低等优点，被越来越多地应用到高速铁路中。因此，实现轻量化，已经成为当今制造业技术进步的一个重要环节。预计在未来，国内外高速铁路对铝材的需求量会大大增加。