铝硅合金在汽车工业中的应用前景及研究现状
来源:江南娱乐-意甲尤文图斯亚
时间:2024-08-17 12:55:59
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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
【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
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