汽車輕質合金零組件應用與廠商機會

 

刊登日期:2015/4/5
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汽車零組件輕量化與輕質合金應用背景
汽車零組件輕量化的主要材料計有碳纖維、輕質合金(鋁合金、鎂合金、鈦合金)、工程塑膠、複合材料與高強度鋼等,在維持駕駛安全與性能的前提下,藉由輕質材料降低車重,從而實現節能減碳功能。雖然鋼鐵材料仍占主要比例,但高強度鋼和超高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑膠與複合材料使用量不斷成長,鑄鐵與中、低強度鋼的應用逐步減少,各種材料的性能差異導致在汽車零組件應用比例不斷發生變化,輕量化材料與汽車產品設計、製造技術的整合更為密切。

汽車輕質合金應用
目前汽車重量較以往減輕20~26%,每部汽車所使用的鋼材、鑄鐵、銅材、玻璃分別減少15%、29%、13%、13%。近年來鋁合金、鎂合金、粉末冶金、橡/塑膠則分別增加31%、100%、20%、29%,主要車廠透過生產小型車輛、精簡汽車外型設計、零組件小型化設計與使用輕質合金等方式達成汽車輕量化的目的。輕質合金都具備高強度、耐腐蝕、熱穩定性佳、易成型、可回收再利用與可模組化結構設計等優點,特別是鋁合金回收性優異,且回收生產過程所需的能量消耗較鋼鐵材料低,應用於輕量汽車零組件比重逐年增加,在引擎系統與車架(Frame)領域中具有很好的發展前景。

輕質合金汽車零組件應用實例
1. 鋁合金
許多車廠藉由鋁合金的應用實現輕量化效果,如GM的電動概念車Impact車身即由鋁合金沖壓件、擠壓件與鑄造件所組成,擠壓件如汽車前中橫樑、前擋泥板
支樑、下支架等都由6000系列鋁合金所製成,並藉由點焊或機械扣件將零組件做結合,鑄造件則由A356-T6或A375-T6製成,計有前懸吊支架、減振器支架(Cast Aluminum Shock Towers)等,圖一是GM的Impact鋁合金零組件應用例子。

(1)設計性能
鋁合金的拉伸彈性模數70 GPa,鋼鐵拉伸彈性模數207 GPa,意味著鋁合金需要比鋼鐵材料厚43.5%,才具備相當的彎曲強度,因此使用鋁合金零組件重量減輕的比例不是兩種材料的密度比值,採用鋁合金車身板金件替代鋼鐵材料,可減輕重量50%。

2. 鎂合金
鎂合金的特性有①重量輕:鎂合金比重是所有結構合金中最輕者,比重為鋁合金的68%、鋅合金的27%、鋼鐵的23%,除了應用於3C產品外殼、內部結構件外,亦是製作汽車、飛機等零件的優秀材料;③耐振動性佳:鎂合金是所有金屬材料中阻尼衰減係數最高的材料,在相同負荷狀態,減振性能是鋁合金的100倍,鈦合金的300~500倍,鎂合金適宜於製造高速運動零組件,以達到降低慣性與提高運動精度的目的,減振阻尼與電磁遮蔽性遠優於鋁合金,是極佳的減振與降低噪音對策材料。


圖五、鎂合金汽缸頭蓋(Porsche Cayenne)

3. 鈦合金
鈦合金主要優點是低密度、高的強度/密度比和優異的耐蝕性,在500˚C的高溫環境下亦保有很高的強度,鈦合金密度4.43,較鋼鐵材料低,拉伸彈性模數114 GPa,約為鋼鐵材料的50%,由於原料價格較昂貴與加工等殘存課題,鈦合金用於車身板金與車身結構件,使用成本無法與鋼鐵或鋁合金競爭,目前僅應用於賽車、部分高級汽車上,但應用於其他汽車零組件則有輕量化的潛力。


圖七、Chevrolet Corvette Z06鈦合金排氣管

鈦合金耐磨耗性較差,需要實施表面耐磨處理,包含表面鍍層等。鈦合金另一個具發展潛力的零組件是引擎排氣系統,鈦合金的抗氧化溫度可達到700˚C,使用鈦合金替代目前的不銹鋼排氣管或消音器,可明顯減輕零組件的重量,圖七是Chevrolet Corvette Z06鈦合金排氣管,較不銹鋼排氣管減輕41%,目前較常應用的鈦合金種類是Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V及β型鈦合金……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:蕭瑞聖 / 工研院產經中心
★本文節錄自「工業材料雜誌340期」,更多資料請見下方附檔。


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