輕金屬材料鋁和鎂在東風(fēng)汽車上的應(yīng)用

摘要：輕金屬材料鋁和鎂在汽車輕量化中扮演著重要角色。介紹了輕質(zhì)材料鋁合金和鎂合金在東風(fēng)商用車及乘用車上的應(yīng)用情況、存在的差距及東風(fēng)未來(lái)發(fā)展應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：輕金屬；鋁合金；鎂合金；汽車；輕量化

中圖分類號(hào)：TG146.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）04-0001-05

The Application of Aluminium Alloys and Magnesium Alloys

on Dongfeng Automobiles

YUAN Hai-bo，CHU Dong-ning，KANG Ming，LEI Jian，WANG Ze-zhong

（Material Technology Institute of Dongfeng CV Technology Center，Wuhan 430056，China）

Abstract：Light metals take the important role on the lightweight automobiles. This paper introduces the application of aluminim alloys and magnesium alloys on Dongfeng trucks and Passeuger vehidcle and the gaps compared with foreign motors. It also shows the development and application of light metals on Dongfeng automobiles in the future.

Key words：light metal；aluminium alloys；magnesium alloys；automobile；lightweight

在汽車工業(yè)保持高速發(fā)展的2010年，我國(guó)汽車產(chǎn)量達(dá)到1 826.47萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)了32.44%，成為有史以來(lái)世界最大的汽車產(chǎn)銷市場(chǎng)［1］。然而我們將面臨著汽車保有量高速增長(zhǎng)衍生的諸多問題，如燃油缺乏、城市擁堵、環(huán)境污染等等。其中與汽車用戶最直接相關(guān)的就是燃油短缺問題。目前我國(guó)機(jī)動(dòng)車燃油消耗已超過全國(guó)石油消耗的1/3，僅用了3年時(shí)間，我國(guó)石油進(jìn)口從1億噸躍升到2億噸，石油進(jìn)口依存度已達(dá)55.14%。而汽車輕量化是解決這一問題的有效途徑之一。因而在“低碳綠色、節(jié)能減排、和諧發(fā)展”的國(guó)家政策法規(guī)的驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)各汽車制造企業(yè)在尋找新能源的同時(shí)，汽車輕量化成為重要的研發(fā)目標(biāo)。

汽車輕量化是通過新材料及新工藝的應(yīng)用、汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化等手段，在確保滿足安全、可靠、舒適等綜合性能指標(biāo)前提下，最大限度地降低整車重量，以期降低燃油消耗、獲得更高的載質(zhì)量利用系數(shù)，為用戶提供經(jīng)濟(jì)性良好的交通工具［2］。而輕金屬材料鋁和鎂具有低密度、低能耗、可回收性好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域正從簡(jiǎn)單殼體汽車零件逐步延伸到承載的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，從而在汽車輕量化過程中扮演了重要角色。

在四十余載發(fā)展過程中，東風(fēng)汽車公司不斷為用戶提供了各種經(jīng)濟(jì)舒適的汽車產(chǎn)品：其商用車始終以燃油經(jīng)濟(jì)性、較高的載質(zhì)量利用系數(shù)著稱；而新興的乘用車產(chǎn)品同樣以品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性滿足用戶需求。“汽車輕量化，提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性”始終是東風(fēng)汽車追求的目標(biāo)之一。正是如此，輕質(zhì)金屬鋁和鎂新材料在東風(fēng)汽車上的大量應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

1 鋁和鎂在東風(fēng)汽車上的應(yīng)用

1.1 鋁合金的應(yīng)用

鋁合金在東風(fēng)商用車早期產(chǎn)品中的應(yīng)用僅局限于活塞、簡(jiǎn)單殼體零件（如制動(dòng)閥、端蓋等）及管類零件，且以鑄造鋁合金用材為主，總體用量不足20 kg。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著重、中、輕型商用車產(chǎn)品的快速更新和發(fā)展，東風(fēng)不斷汲取國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)和用材理念，鋁合金材料在商用車上的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其應(yīng)用領(lǐng)域從最初的簡(jiǎn)單零件向復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件過渡，在汽車動(dòng)力總成部件、車身部件、底盤部件中大量應(yīng)用，鋁合金材料從單一的鑄造鋁合金擴(kuò)展到變形鋁合金等多元化用材。其中主要應(yīng)用的鑄造鋁合金材料有ZL101、ZL106、AS10G、YL112、ADC12、AS9U3、A380等，所應(yīng)用的變形鋁合金材料有5A03、5052、2A11、3003、6061等牌號(hào)。目前在東風(fēng)商用車上應(yīng)用的主要鋁合金零件如表1所示。其中尤以新動(dòng)力dCi11發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖1）所應(yīng)用的鋁合金件為典型代表，其鋁合金應(yīng)用達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平［3］。圖2為近年開發(fā)應(yīng)用的其他鋁合金商用車零件。使用鍛造鋁合金車輪的高端東風(fēng)天龍重型商用車，鋁合金用量達(dá)到360 kg以上，可與國(guó)外品牌媲美。同時(shí)東風(fēng)輕型商用車除康明斯動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用鋁合金零部件外，近年來(lái)開發(fā)應(yīng)用了鋁合金車廂、全鋁變速箱箱體、鋁合金擋泥板支架、備胎架等零部件（如圖3所示），使整車重量減輕165 kg。

在東風(fēng)品牌乘用車方面，自首輛合資品牌的神龍富康乘用車誕生之際，鋁合金材料應(yīng)用就隨著車型的引入而步入批量應(yīng)用階段。目前在合資品牌中，東風(fēng)標(biāo)致雪鐵龍、東風(fēng)日產(chǎn)、東風(fēng)本田、東風(fēng)悅達(dá)起亞乘用車各車型鋁合金用材水平基本實(shí)現(xiàn)與國(guó)外同類車型同步。而東風(fēng)新事業(yè)自主品牌乘用車更是以輕金屬應(yīng)用高起點(diǎn)走入市場(chǎng)，旗下車型在發(fā)動(dòng)機(jī)系、傳動(dòng)系、底盤行走系、車身系等總成部件中廣泛采用鑄造鋁合金及變形鋁合金材料，其零件成形工藝有鋁合金金屬型重力鑄造、高壓壓鑄、旋壓、沖壓、焊接等多種工藝。表2列出上述東風(fēng)品牌乘用車所應(yīng)用的主要鋁合金零件及重量。圖4為東風(fēng)旗下乘用車品牌典型鋁合金零件。東風(fēng)旗下的乘用車整車鋁合金用量平均已超過100 kg，鑄造鋁合金零件以Al-Si系材料為主，旋壓、沖壓成形零件采用了5000系、2000系變形鋁合金材料。

1.2 鎂合金的應(yīng)用

東風(fēng)汽車公司從“九五”時(shí)期開始涉入鎂合金材料應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)過鎂合金初期探索應(yīng)用階段、快速發(fā)展應(yīng)用階段，現(xiàn)進(jìn)入理性開發(fā)應(yīng)用時(shí)期。截止目前已開發(fā)應(yīng)用鎂合金助力器隔板、踏步、氣閥體、轉(zhuǎn)向柱支架、氣缸蓋罩、變速箱上蓋、前端齒輪室等15種鎂合金商用車零件以及鎂合金方向盤芯骨、平衡桿、氣室罩蓋、油底殼等5種乘用車零件（見表3），其用材主要為AZ91D、AM60B、AM50、AZ31及AZ91DRE鎂合金，主要成形工藝有壓鑄、金屬型重力鑄造、精密鑄造等。如圖5所示，在所開發(fā)的鎂合金部品中單品最重鎂件為金屬型重力鑄造EQ6102進(jìn)氣歧管（4.5 kg）；在商用車應(yīng)用量最大的鎂件為壓鑄153系列車身踏步（16萬(wàn)余件/年）；當(dāng)前大批量應(yīng)用的商用車鎂合金件為新動(dòng)力系統(tǒng)EQ4H的氣缸蓋罩（2.2 kg，3萬(wàn)件/年）。在乘用車上應(yīng)用量最大的鎂合金件為方向盤芯骨（560~720 g，45萬(wàn)件/年）。

2 存在的差距

盡管東風(fēng)汽車在鋁和鎂輕質(zhì)金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域里取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但面對(duì)愈來(lái)愈嚴(yán)格的國(guó)家排放法規(guī)要求和低碳環(huán)保的政策導(dǎo)向，甚至還有在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)背景下用戶對(duì)節(jié)油、高效運(yùn)輸?shù)钠嚠a(chǎn)品的迫切需求，東風(fēng)汽車的輕量化工作仍很艱巨。同時(shí)和國(guó)外同類汽車產(chǎn)品的對(duì)比中，輕質(zhì)金屬材料鋁和鎂的應(yīng)用還存在一定的差距，其主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）在東風(fēng)低端經(jīng)濟(jì)車型中輕質(zhì)金屬材料單車用量較少、占整車重量比例較低。

2009年北美和日本輕型商用車單車用鋁量分別達(dá)到了148 kg和115 kg，約占整車總重的8%～10%；而中低端東風(fēng)輕型商用車單車平均用鋁量約60 kg，約占整車總質(zhì)量的3.5%。圖6為北美輕型車2010~2015年單車鋁合金平均用量趨勢(shì)［4］。受輕質(zhì)金屬材料價(jià)格成本因素制約，東風(fēng)輕型商用車的輕金屬用量總和預(yù)計(jì)仍徘徊在100 kg左右。同樣在普通東風(fēng)重型商用車中，單車輕質(zhì)金屬用量約為160 kg（以DFL1311A為例），約占整車總重量的1.33%。與VOLVO FE牽引車對(duì)比，東風(fēng)重型商用車整車自重還有很大的改善空間［5］。而在東風(fēng)旗下的低端乘用車車型中，鋁和鎂用量?jī)H為國(guó)外20世紀(jì)90年代水平，單車用量約為60～90 kg［6］。

2）在東風(fēng)中高端車型中，鋁和鎂材料的應(yīng)用受車型模式制約而影響創(chuàng)新；輕質(zhì)金屬材料在特種商用車（箱式列車、固體顆粒運(yùn)輸車）、客車的車廂和罐體等零部件上的應(yīng)用還處于空白。

東風(fēng)自主品牌乘用車和高端商用車的輕量化工作尚處于向國(guó)外品牌的學(xué)習(xí)階段，因此其輕質(zhì)金屬零件設(shè)計(jì)與應(yīng)用還有很多工作要做。此外，出于國(guó)內(nèi)汽車價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)因素影響，諸如儀表板、座椅骨架等大型鎂合金件在東風(fēng)車上的應(yīng)用仍需時(shí)日。而在箱式列車、固體顆粒運(yùn)輸車（要求有較高的載質(zhì)量利用系數(shù)）等特種商用車上，與國(guó)外產(chǎn)品差距較大，圖7為國(guó)外特種商用車鋁合金車廂及鋁合金罐體，目前東風(fēng)尚無(wú)類似產(chǎn)品。東風(fēng)客車產(chǎn)品中輕質(zhì)金屬車體框架尚處于研發(fā)階段，而國(guó)外及國(guó)內(nèi)部分高端客車已完成了輕質(zhì)車體框架的開發(fā)與批量應(yīng)用。

3 未來(lái)開發(fā)應(yīng)用

在未來(lái)的東風(fēng)商用車產(chǎn)品中，以提高載質(zhì)量利用系數(shù)為目標(biāo)的輕質(zhì)鋁合金零部件開發(fā)應(yīng)用工作將在特種商用車、客車上展開。東風(fēng)新型客車將采用2000系、5000系、6000系各類鋁合金擠壓型材、板材，在保證安全、舒適的前提下，極大地降低自重，為長(zhǎng)途客運(yùn)提供經(jīng)濟(jì)高效的交通運(yùn)輸產(chǎn)品。而特種商用車將根據(jù)客戶需求采用5000系、6000系鋁合金生產(chǎn)車廂體框架和罐體、鍛造鋁合金車輪，從而有效提高裝載質(zhì)量。而在輕型商用車高端產(chǎn)品中開發(fā)應(yīng)用鋁合金變截面車架（見圖8），設(shè)計(jì)和開發(fā)出與國(guó)外同類的輕量化產(chǎn)品以適應(yīng)國(guó)外用戶的需求。對(duì)于東風(fēng)乘用車產(chǎn)品尤其是在自主品牌產(chǎn)品中將進(jìn)一步提高鋁合金零部件的應(yīng)用水平，在未來(lái)新車型中推廣鋁合金缸體、車輪、鍛造和真空壓鑄承載結(jié)構(gòu)零件、鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋板等零部件的應(yīng)用。此外，東風(fēng)將開展半固態(tài)鋁合金和泡沫鋁合金等新材料在汽車零部件上應(yīng)用研究工作。

受鎂合金價(jià)格波動(dòng)及現(xiàn)有鎂合金材料性能（如疲勞性能、高速?zèng)_擊性能及高溫蠕變）制約，該材料在東風(fēng)商用車上的應(yīng)用仍集中于殼體類零件，但在未來(lái)，發(fā)展趨勢(shì)會(huì)越來(lái)越向大型零件過渡（如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸罩蓋、駕駛員座椅骨架、客車方向盤芯骨等）。未來(lái)鎂合金在東風(fēng)乘用車上的應(yīng)用重心在于拓展鎂合金零件的應(yīng)用比例，其中對(duì)于鎂合金儀表板、轉(zhuǎn)向柱及其支架、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管、座椅總成、車門內(nèi)飾板、變速箱體等零件進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用。同時(shí)，東風(fēng)將開展鎂合金板材及型材在汽車車身零部件上的應(yīng)用研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)際油價(jià)的不斷攀升、我國(guó)石油資源日趨緊張以及國(guó)家低碳綠色政策宣傳力度的加強(qiáng)，無(wú)疑會(huì)加快我國(guó)汽車輕量化的進(jìn)程。擴(kuò)大輕金屬材料鋁和鎂在汽車上的應(yīng)用正成為國(guó)內(nèi)各汽車制造企業(yè)未來(lái)5年的發(fā)展方向。東風(fēng)汽車公司同樣在為客戶提供更高效、更安全、更節(jié)能環(huán)保的汽車產(chǎn)品而努力，在未來(lái)的產(chǎn)品中輕金屬鋁和鎂材料的應(yīng)用水平將逐步與國(guó)際先進(jìn)汽車產(chǎn)品同步，并借助我國(guó)鎂及鋁資源優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。

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