【由鋁合金相伴的汽車 輕量化潮流】

圖1. 歐洲汽車平均用鋁量變化

如今，“輕量化”這個詞已經(jīng)由汽車行業(yè)的術語發(fā)展為媒體新聞里的高頻詞匯。《中國制造2025》中，也已把輕量化當成汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。簡單來說，輕量化就是在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能降低汽車整車重量，從而提高汽車動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。近年來，由于環(huán)保和節(jié)能要求日趨嚴格，汽車輕量化已成為世界汽車發(fā)展的勢不可擋的趨勢。據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會報告，汽車質(zhì)量每降低 100kg，每百公里可節(jié)約 0.6L燃油，減排CO₂800-900g。鋁的密度僅有鋼的1/3，且具有良好的可塑性和回收性，是理想的汽車輕量化材料。上世紀70年代第一次第二次石油危機期間，面對日益高漲的石油價格，世界范圍內(nèi)的汽車制造商嘗試用鋁合金制造之前鋼制的散熱器、氣缸蓋與保險杠等部件以提高燃油效率。從此，鋁合金在汽車中的比例不斷提高。著名咨詢公司達科國際（Ducker Worldwide）公布的研究數(shù)據(jù)表明，歐洲汽車平均用鋁量自1990年已經(jīng)翻了三倍，由50kg增長到目前的151kg，并將在2025年增長至196kg.

圖2. 歐洲汽車用鋁（140kg）分布比例（2012年數(shù)據(jù)）

目前，汽車輕量化趨勢越來越猛烈，鋁合金在輪轂、發(fā)動機、散熱器、 油管等方面的應用非常廣泛。車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的40%左右，對于整車的輕量化而言，車身的輕量化起著舉足輕重的作用。據(jù)2016年歐洲車身會議（EuroCarBody 2016）資料顯示，鋁合金應用率已經(jīng)達部分高端車型白車身（即完成焊接但未涂裝的車身）質(zhì)量的一半以上。如阿斯頓·馬丁（Aston Martin）DB11鋁合金應用率高達86.1%， 第2代本田NSX（Acura NSX）達79.0%， 第5代路虎發(fā)現(xiàn)（Land Rover Discovery）達62.9%。然而，鋁合金在普通車型車身上的應用還偏少。著名咨詢公司達科國際（Ducker Worldwide）的數(shù)據(jù)顯示，鋁合金板在汽車車身的滲透率 2015 年時僅為 4%。時至今日，全鋁車身制造依然是一項處于金字塔尖的技術，只在部分高端車型上得以應用。車身輕量化是目前汽車制造商輕量化發(fā)展方面的重要攻關課題。

圖3. Aston Martin DB11鋁合金應用分布

【車用鋁合金的主要種類】

目前汽車用鋁合金基本可分為壓鑄鋁合金和變形鋁合金，其中以壓鑄鋁合金為主,約占66%左右。 變形鋁合金又可以分為軋制板材（18%），擠壓型材（11%）及少量鍛壓件（5%）。值得注意的是，2016年鑄造鋁合金雖然仍是車用鋁合金的主要形式，但其份額較2012年下降了8個百分比。相反，由于車身輕量化的發(fā)展，軋制板材的份額由2012年的13%顯著增長為2016年的18%。與此同時，擠壓型材與鍛壓件的份額變化不大。

圖4. 2016年與2012年歐洲汽車用鋁種類對比

（1）鑄造鋁合金

鑄造鋁合金是目前大部分汽車上用量最大的鋁合金種類，廣泛用于車輪、發(fā)動機部件、底架、減震器支架以及空間框架等結構件。在汽車工業(yè)中，鑄造鋁合金輪轂是普及最快、鋁化率較高的零部件。目前，絕大多數(shù)鋁合金車輪采用A356合金通過低壓鑄造法制造，部分高檔車輪則采用擠壓鑄造（業(yè)態(tài)模鍛）、鍛造或旋壓技術制造。發(fā)動機的缸體和缸蓋均要求材料導熱性能好，抗腐蝕能力強，這正是鋁合金的優(yōu)勢所在。目前大量國內(nèi)外汽車采用了鋁制缸體和缸蓋，但鑄鐵仍在部分要求高強高耐性的場合使用。近年來，新型Al-Si-Cu-Mg-Fe系合金的開發(fā)及相應鑄造技術的發(fā)展，使鋁合金鑄件達到更高性能，進一步推動了鋁合金在發(fā)動機部件（包括柴油發(fā)動機）上的應用。缸體缸蓋的鑄造方法也較為多樣，常見的有重力鑄造、低壓鑄造等。此外，鑄造鋁合金在減震器支架、電動車電池包、結構箱體等結構件得到大量應用。由于這些部件多為形狀復雜的薄壁件，故多采用Al-Si合金由高壓鑄造方法制造。

（2）變形鋁合金

相較于鑄造鋁合金，變形鋁合金在汽車上的平均應用份額還較少。達科國際（Ducker Worldwide）的調(diào)查表明，2016年變形鋁合金僅占車用鋁合金的34%（軋制板材18%，擠壓型材11%，鍛壓件5%）。然而在部分采用全鋁車身的高端車型上，變形鋁合金的份額遠遠高于鑄造鋁合金。目前業(yè)內(nèi)對包括全鋁車身技術在內(nèi)的變形鋁合金的研發(fā)與應用技術投入較大，其所占比例迅速增大。達科國際（Ducker Worldwide）預測，由于鋁合金車身技術的快速發(fā)展，變形鋁合金（特別是軋制板材）在汽車上的應用將迎來迅速增長（如圖1所示）。

車用變形鋁合金主要包括5xxx系（Al-Mg系）、6xxx系（Al-Mg-Si系），以及少量2xxx系（Al-Cg系）、7xxx系（Al-Zn-Mg系）。其中，5xxx系合金不可熱處理強化，成型性能優(yōu)良，但成型后易出現(xiàn)屈服點延長而表面起皺，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，因此主要用于內(nèi)板等形狀復雜的部位。6xxx系合金則可通過Mg、Si的固溶及Mg₂Si相的時效析出進行熱處理強化，其涂裝烘干后強度提高，且有較高的抗凹痕性，適用于外板、車身框架等要求強度、剛性的部位。除軋制板材，擠壓型材也是重要車用變形鋁合金，一般適用于等截面的結構件，如保險杠、吸能盒、前縱梁前段、門檻、后縱梁后段。中等強度的6xxx因其較高的擠出速率和表面質(zhì)量，以及擠壓過程中的時效硬化特性，是擠壓型材的主要材料。在部分強度要求較高的場合，高強7xxx 系鋁合金也用來生產(chǎn)擠壓型材。同時，為提高抗沖擊強度， 型材斷面多采用“口”、“日”、“目”字形。

圖5. 擠壓型材制造的“日”字型吸能盒（左側為碰撞前，右側為碰撞吸能后）

【車用鋁合金的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向】

鋁合金在汽車輕量化浪潮中發(fā)揮了重要作用，然而也面臨著重要挑戰(zhàn)。實際上，輕量化并不僅僅是要求減重，而是要做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡。目前，車用鋁合金面臨的核心阻力仍然是高昂的成本，這使得全鋁車身的應用只能局限于高端車型而暫時無法向數(shù)量龐大的經(jīng)濟車型拓展。鋁合金的性能限制，也是制約其發(fā)展的重要因素。在某些部件上，它仍然無法取代鋼鐵。同時，鋁合金的連接技術，尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術也是鋁合金在汽車上應用受阻的一大因素。奧迪全新A8 D5就“拋棄”了堅持了二十余年的全鋁車身，而采用了重量可觀的高強鋼。受此影響，D5車型比上一代車型增重51KG，但車身抗扭剛性大幅提升24%，安全性大幅增強，同時也大幅降低了成本。

歐盟曾在第六框架計劃下于2004-2009年組織9個國家和地區(qū)的38家單位合作實施了超輕車身聯(lián)合研發(fā)項目（SuperLight-Car）。該項目經(jīng)驗表明，車用鋁合金的進一步發(fā)展，應同時致力于新型高性能合金和新型生產(chǎn)技術的研發(fā)。研發(fā)工作還需要整合資源，由汽車制造商牽頭，聯(lián)合原材料、零部件供應商及相關科研機構，共同探索先進的輕量化技術，推動車身輕量化相關產(chǎn)業(yè)鏈的建立。

【主要參考資料】

1.Hirsch, J. (2014). Recent development in aluminium for automotive applications. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 24(7), 1995-2002.

2.Hirsch, J. (2011). Aluminium in innovative light-weight car design. Materials Transactions, 52(5), 818-824.

3.Lahaye, C., Hirsch, J., Bassan, D., Criqui, B., Sahr, C., Goede, M., & Volkswagen, A. G. (2008). Contribution of aluminium to the multi-material light-weight BIW design of superlight-car [C]. In HIRSCH J, SKROTZKI B, GOTTSTEIN G. Proceedings of the 11th International Conference on Aluminium Alloys. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (pp. 2363-2373).

4.Aluminum Content in Cars. Ducker Worldwide, https://www.ducker.com/

5.Aluminium in cars, unlocking the light-weighting potential. European Aluminium Association,https://www.european-aluminium.eu/

6.Goede, M., Stehlin, M., Rafflenbeul, L., Kopp, G., & Beeh, E. (2009). Super Light Car–lightweight construction thanks to a multi-material design and function integration, European Transport Research Review, 1: 5-10.

7.2016歐洲車身會議(EuroCarBody）資料。

來源：材料人