关于汽车材料钢和铝的争论(第二部分):如果不是为了轻量化,我不会将铝用作汽车

上一篇文章我给大家科普了一下汽车所使用的钢铁,让大家知道钢铁并不是低端廉价的代名词,它也是高端大气上档次的。但是更多的人还是喜欢铝,觉得铝更高级,听说汽车是用铝做的就走不动道。今天老侯就来给大家扒一扒这个铝究竟高级在何处。

说起铝,请六零后七零后出来走两步。你是否记得,小时候家里遍地都是铝制品,铝锅铝碗铝马勺,铝盆铝匙铝饭盒,甚至电线、电缆都是铝制的。铝制品占据了我们生活的大部分,是不可或缺的日用品。后来,科学研究发现,人体内铝含量过高,会增加患老年痴呆的风险,所以人们就就逐渐用钢铁和塑料代替铝来制作生活用品了,铝更多地应用到工业生产中去了。

铝,元素周期表第13号元素,相对原子量27,铝原子最外层有三个自由电子,化学性质活泼,可以与多种酸、碱发生化学反应。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅,居第三位,约占地壳构成物质的8%以上,是地壳中含量最丰富的金属元素。纯铝是一种银白色轻金属,相对密度2.7 g/cm³,熔点660℃。沸点2327℃。质软,延展性好,可制成薄于0.01 mm的铝箔,还可制成铝丝、铝条,并能轧制成各种铝制品。

铝还有良好的导电性,它的导电性仅次于银、铜和金,约为铜的2/3。但是铝的密度很低,只有铜的1/3,而银和金都是贵金属,不能大规模用于工业用电。所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。此外,铝还是热的良导体,它的导热能力比铁大3倍,工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。铝还有良好的吸音性能及音响效果,所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝。铝还有一个重要特性就是耐低温,在-183~-253°C下不冷脆,温度降低强度反而增加,甚至可在液氢和液氧环境下工作,因此它是理想的低温材料,大规模应用在冷藏库、冷冻库、南极雪上车辆等。

此外,铝还有一个特殊的优势,就是在空气中不容易腐蚀。这一点大家一定非常奇怪,铝是活泼金属,怎么还不容易被腐蚀呢?就连铁在空气中都会生锈啊?

这一点与铝的化学性质有关。铝是非常活泼的,它即使在干燥的空气中,也会与空气中的氧气立即发生化学反应,在铝的表面立即形成一层三氧化二铝氧化膜。这层氧化膜虽然很薄,只有几纳米的厚度,但是化学性质却非常稳定,结构致密,可以阻止氧气和水继续进入,进而阻止了腐蚀的进一步进行。所以,铝在空气中反而是非常稳定的。正因为如此,所以在工业中经常用铝来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置、石油精炼装置、石油和天然气管道等。此外,用铝制作的车身,也可以使用更长的时间而不腐蚀。

铝金属晶体是面心立方结构,所以本身质地较软,强度较低,不适合大规模在工业生产中应用。但是在纯铝中加入某些金属元素,比如铜、硅、镁、锌、锰、镍、铁、钛、铬、锂等,组成铝合金,如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等。这些铝合金通过适当的热处理,可以大幅度的提高它的机械性能,在保持纯铝质轻优点的同时,还具有较高的机械强度,广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。时至今日,铝及铝合金已经成为工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,产量和用量仅次于钢材,成为人类应用的第二大金属。

需要指出的是:中国是铝的应用大国,铝产量高居世界首位。很多国外用铜制作的物品,在中国都是用铝或者钢来制作的,比如电缆、zidan等。这主要是因为,中国是一个少铜的国家,铜矿储量极为有限,每年都需要进口大量的铜矿,并且很容易被卡脖子,所以只能用铝来代替。但是铝的开采及冶炼都是高耗能、高污染的行业,电解铝需要消耗大量的电能,近几年受节能减排的限制,铝行业受到了较大的制约。而铜是一个持续看好的行业,大家可以适当关注一下。

下面来说说铝在汽车上的应用。

汽车是一个高速移动的运输工具,把人或者货物从一个地方移动到另一个地方。汽车行驶的道路复杂多变,承受的载荷非常大。所以,汽车要有较高的强度以及刚性。钢铁恰恰能满足这些需求,所以长期以来钢铁是制造汽车最主要的原材料。而铝及其合金,不论是在强度、刚性、硬度、韧性、弹性等各方面机械性能都远不如钢铁,为什么这汽车上应用越来越多呢?

其中最主要的原因就是汽车的轻量化趋势。

进入21世纪以来,能源危机与大气污染成为一个世界性的问题。汽车作为主要的能源消耗者和大气污染物排放者,降低能源消耗与污染物排放刻不容缓。那么如何降低这些指标呢?

最直接、最有效的方法,就是降低汽车重量,即汽车轻量化。有关数据表明,汽车重量每减少50kg,每升燃油行驶的距离可增加2km;汽车重量每减轻1%,燃油消耗下降0.6%~1%。所以,近些年来,同等尺寸的车型,重量是逐渐减轻的。

汽车轻量化的主要措施,一方面是采用更合理的结构,精准使用每一克材料,用更少的材料实现更高的强度;另一方面就是使用更轻的材料,铝及其合金就是这种措施最主要的方法。

由于铝合金的密度只有铁的三分之一,而比强度并不低,所以使用铝合金可以大大降低汽车的重量。有资料表明,用铝合金结构代替传统钢结构,可使汽车质量减轻30%~40%;用铝合金制造的发动机,比钢铁制造的发动机重量减轻30%;铝合金轮圈比钢制轮圈重量减轻40%-50%;如采用铝合金覆盖件,可使整车减重10%-15%,等等。比如,奥迪A8的整个车身均采用铝材制造,框架采用立体框架式结构,覆盖件为铝板冲压而成。这种铝车身与钢车身相比,质量减轻30-50%,油耗减低5-8%,节能效果非常明显。

所以,铝及其合金在汽车上已经大范围应用。现代汽车的发动机气缸体、气缸盖、活塞、机油泵、水泵、配气机构、油底壳、水箱,以及离合器壳体、变速箱壳体、后桥壳体、转向器壳体、悬架、车轮、车身板及装饰部件等,都使用铝合金制造。下面是一个铝材代替铸铁和钢材零件的质量对比表格,从表中可知,汽车每使用1 kg铝,可减轻自重2.25 kg,减重效应高达125%,在汽车整个使用寿命周期内可减少废气排放20 kg。所以,采用铝合金是汽车轻量化及环保、节能、提速和运输高效的重要途径之一。

大家最关心的,其实是汽车上的这几个部位:发动机,悬架系统,车轮,车门,车架。

现代绝大多数的乘用车,发动机都是铝合金制作的,这种铝发动机与铸铁发动机相比,除了重量更轻之外,散热性也会更好一些。不过,除了这些优点之外,在其它方面就不如铸铁发动机了,比如耐热性、缸体的强度、可修复性、耐用性、超负荷能力等。所以,某些车型仍然坚持使用铸铁发动机也不是没有道理的。此外,柴油机由于负荷大,几乎都是铸铁缸体。另外大家还要明确一点,就是所谓的全铝发动机,只有缸体缸盖是铝的,并不是说发动机中所有的零部件都是铝的,主要的运动受力部件还是钢铁制作的。

悬架系统是否是铝的,也是大家关注的热点之一。高端汽车的悬架系统,上下支臂、轮毂、转向节等,都使用铝合金制作。使用铝合金最主要的目的是减重,降低簧下质量,可以有效的提高汽车的操控性能,提高汽车的行驶质感。不过铝强度不如钢铁,所以用铝合金制作的悬架系统,体积会比较大,增加汽车悬架系统布置的难度,同时铝合金韧性不如钢铁,在遇到较大的冲击时容易脆裂。对于普通的家用车来说,使用普通的钢铁悬架系统也足以满足使用需求,刻意地去追求铝合金悬架可能会付出更多的代价。简单来说就是使用铝更好,如果不用也无可厚非。

而车轮几乎都是铝合金的了。现代汽车轮圈铝合金化超过了90%,只有一些特殊车型仍在使用铁质轮圈。铝合金轮圈重量轻、散热好、外观造型多样、更漂亮,所以受到大家的青睐。铝合金轮圈分为锻造和铸造两种,锻造的材质更密实,强度更高,一般应用于高端车型以及某些特殊需求的运动车型上;而铸造轮圈相对差一些,应用在普通的家用车上,也足够用了。铝合金轮圈最大的缺点是不耐撞,受到较大的冲击很容易碎裂,这一点大家一定要注意。

车门和车架如果都是铝做的,就可以称为全铝车身了。现在采用全铝车身的车型并不多,只有奥迪A8、捷豹、蔚来、特斯拉、路虎等几款车型,大多数的车型仍然采用钢制或者钢铝混合车身。有些人就质疑说,既然大家都认为全铝车身更好,为什么豪车不都使用全铝车身呢?毕竟豪车对成本不是那么敏感。

其实,全铝车身看起来很美好,但是在实际使用中并没有那么愉悦。首先全铝车身安全性不如钢制车身,这对于豪车来说,是致命的缺陷;其次是全铝车身制造困难,由于铝并不像钢铁那样容易焊接,所以铝车身很多都是用胶粘或者铆接的,工艺极为复杂;第三是全铝车身后期维修困难,铝的修复性并不好,发生事故后一般只能更换,很难维修,如果车架部位受损了,钢制车身可以钣金修复,而铝合金车身几乎无法修复,只能报废处理了。而特斯拉下一步要使用铸造铝合金车身,这就更吓人了,车身受到较大的碰撞,连修复的机会都没有,直接就报废了。所以,全铝车身在后期使用过程中是不省心的,维修成本特别高昂。当年的奔驰铝换钢事件,个人的观点来看,不一定是车企要简配降成本,更多的也是从中国的国情出发,降低后期的使用维修成本。

还有一个大家非常关注的焦点问题,那就是前后防撞钢梁。如果某个车型的防撞钢梁是铝合金的,大家就说这家车企真厚道,真讲良心。其实铝合金防撞钢梁与钢制防撞钢梁在作用上没有差别,使用效果也并不比钢制的好,只是大家都喜欢,所以车企就给用上了。其实防撞钢梁可以看做是车身的一部分,

洋洋洒洒写了很多,最后总结一下:铝在汽车上大规模的应用,主要是汽车轻量化的要求。在目前的工业水平下,铝及其合金各方面都不如钢铁,并且加工工艺复杂。我相信,如果没有轻量化,没有哪个汽车工程师与愿意用这玩意造汽车。铝并不高级,它只是目前汽车轻量化的最优选择而已。如果有更轻、机械性能更好的材料来代替它,比如碳纤维等,它很快就会没落的。

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