汽車用鋁合金的研究與應用

侯世忠

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，洛陽471023）

0 前言

鋁合金具有比強度高、耐腐蝕性能優良、適合多種成形方法、較易再生利用等優點，是汽車工業應用較多的金屬材料，特別是能源、環境、安全等方面的原因使對汽車輕量化的要求越來越迫切。使用輕量化材料是實現汽車輕量化的重要途徑，而鋁是應用得比較成熟的輕量化材料，近10年來，鋁在汽車上的用量和在汽車材料構成比中所占份額都有明顯的增加。由鋁合金制造的零件已遍及汽車的發動機、底盤、車身等各個部位，甚至有全鋁汽車面世。

鋁合金材料的強度與鋼鐵的強度相當，密度是鋼鐵的1/3，吸收沖擊的能力是鋼的2倍，導熱性能比鐵高3倍；與其他材料相比，輕量化效果好，耐腐蝕性和回收利用性也好，所以鋁合金是應用較早且技術比較成熟的輕量化材料，它在汽車上的用量呈現持續增長的趨勢。北美、歐洲和日本汽車的單車平均用鋁量逐年都在增加，其中北美汽車鋁的應用水平最高，目前乘用車每車平均用鋁量已達145kg，歐洲平均每車用鋁118kg，日本情況與歐洲比較接近。

近年來鋁合金在車輛上的使用受到廣泛的重視，已替代其它的材料（如鋼、塑料等）用作汽車零部件，成為地鐵、列車、輕軌、高速列車等輕量化、現代化的有效途徑。1991年歐美的轎車上鋁合金的使用量為160鎊，2001年鋁合金的使用量達到245磅。美國資深汽車工程師DavidScholes預測：未來，轎車上的每一個零件都有可能用鋁合金來生產，10～15年后會有越來越多的鋁合金用于汽車，而且鋁合金制品完全可能比塑料還輕。Rolls-Royce于最近推出的一款轎車，其車身框架全部用鋁合金制成，是迄今為止在轎車上使用的最大的鋁合金整體結構[1-3]。

1 汽車用鋁特點

汽車用鋁合金主要包括軋制材、擠壓材、鍛造材、鑄造鋁合金。目前各類鋁合金在汽車上使用比例大致為：鑄鋁77%，軋制材10%，擠壓材10%，鍛壓材3%。

1.1 汽車用鋁的分類

國內外車身覆蓋件用鋁合金主要有三大系列：2000系（Al-Cu系）、5000系（Al-Mg系）、6000系（Al-Mg-Si系）。用于汽車上的鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金用于重力鑄造件、低壓鑄件和其它特種鑄造零件。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材、鍛件等。

鑄造鋁合金主要用于制造發動機氣缸體、離合器殼體、后橋殼、轉向器殼體、變速器、配氣機構、機油泵、水泵、搖臂蓋、正時齒輪殼體等殼體類零件、發動機部件和保險杠、車輪、發動機框架、制動鉗、油缸及制動盤等非發動機構件。

變形鋁合金主要用于制造車身構架、車門行李箱及車身面板、保險杠、發動機罩、車輪輪輻、輪轂罩、輪外飾罩、制動器總成防護罩、消聲罩、防抱制動系統、熱交換器、空調系統零件（換熱器、冷凝器等）、壓縮機件、行駛部分零件、發動機冷卻系統散熱器件、座位、車廂底板等結構件以及儀表板等裝飾件[4]。

1.2 性能特點

鋁合金比重較小、比強度高、容易加工、傳導性強、表面美觀、綜合性好。它具有接近鈦合金、結構鋼的比強度性能，以及工藝性能優良、成形方便、成本低廉等特點，具有其它合金不可比擬的優點，被廣泛用于現代汽車制造工業。

1.3 鋁合金在汽車上的應用優勢

（1）汽車輕量化，節能降耗，有利環保。

（2）汽車鋁合金零部件回收再利用率高。

（3）安全舒適。鋁合金汽車是在不降低汽車容量的情況下減輕汽車自重，車身重心減低，汽車行駛更穩定、舒適。由于鋁合金材料性能及車身構造，能充分吸收撞擊時的能量，故而更加安全。

（4）減少工序，提高裝配效率。鋁合金汽車整體構架，焊點少，減少了加工工序。鋁合金整體車身比鋼鐵焊接車身約輕35%，且無需防銹處理，只有25%～35%的部件需點焊，因而可大幅度提高汽車的裝配效率。

（5）提高燃油效率，加大載重能力[5]。

2 研究現狀

2.1 國外汽車用鋁合金研究現狀

美國鋁業協會公布的最新調查研究顯示，北美地區汽車行業鋁用量占汽車自重的8.6%，創歷史新高。預計到2020年鋁在汽車及輕型卡車中的占比將占汽車重量的11%。

全球范圍內鋁在輕型車輛的使用比率為7.8%，2009年輕型汽車自重為3.185磅。預計鋁在汽車使用上保持每輛車每年增加4～5磅，到2020年每輛車的使用量將達到300磅。全球汽車生產商已逐漸意識到鋁在汽車行業的價值，隨著汽車生產商的技術革新、開發更節能的汽車及卡車以減少污染，在汽車行業使用鋁的時機日趨成熟。

加拿大是世界上汽車工業大國之一，美國和日本著名的汽車公司都在加拿大設有汽車制造廠，從而有力推動了加拿大汽車工業的發展。同時加拿大又是世界上有色金屬資源豐富的國家之一，鋁礬土、鋅、鎂、銅、鎳等資源儲量均在世界前幾名，還擁有采選冶和深加工企業。隨著全球汽車工業的迅猛發展，加上全球對環境保護的不斷完善，對能源消費的嚴格控制，汽車工業正在不斷尋求汽車減輕重量、降低燃料消耗和減少CO2排放的新材料。因此鋁就成為了汽車部件最受青睞原材料之一，一直受到加拿大汽車工業的關注[6]。

在車用鋁合金板材的研發方面，世界各國都取得了一定的成就，涌現出一批定型的合金，如美國研制成功的5182、2036、6009、6010鋁合金。歐美最早在汽車車體上使用的鋁合金是2036和5182，美國在車體外覆蓋件上采用高強度的2016鋁合金，內板部件上采用成形性良好的5182鋁合金。但由于2000系合金的成形性和耐蝕性較差，歐美開始重點開發6000系合金。首先是6009及6010烘烤硬化型合金，通過T4處理，塑性好，成形后經噴漆烘烤可實現人工時效強化，獲得更高的強度（時效作用可將其屈服強度提高近100%：6009合金板可達241MPa，6010合金板則可達310MPa），目前已被廣泛應用于汽車的內外板。后來通過改進性能發展到現在的6111、6016、6022等綜合性能良好的汽車用鋁合金，并達到實用化。

日本汽車行業在開發應用鋁合金性能方面上更重視成形性，進而開發了高成形性5000系合金，并從1985年起在汽車上開始應用Al-Mg-Zn-Cu系合金，后來又開發了無室溫時效性的Al-Mg-Cu系合金5022和5023，許多車種均開始采用。后來又進一步開發采用具有烘烤硬化性能的6000系合金。除了上述標準車身板鋁合金外，近年來一些鋁業公司還研發出一批有特點的非標準新型鋁合金，如日本的GC45、GZ45、GC150、GV10、X660鋁合金，法國的AlMg5、CP483鋁合金，德國的AlMg3等等[7]。

在鋁合金板材應用方面，歐洲汽車企業主要使用具有較好成形性能的6016鋁合金。北美國家汽車企業主要使用注重強度的6111鋁合金、有抗腐蝕性的6022鋁合金。日本汽車廠家則主要使用6016和6022鋁合金，同時也使用部分6111合金。

2.2 國內汽車用鋁合金研究現狀

中國汽車覆蓋件的鋁化率同發達國家相比還有相當大的差距，汽車用鋁合金板材正處于研制和開發階段，尚未形成完整的系列。目前，多是針對國外已有牌號汽車用鋁合金板材，進行合金化和組織性能的研究以及成分配置和生產工藝的研發和控制。進行批量生產及應用的企業僅有少數。

在能源與環境的雙重嚴峻形勢下，汽車輕量化勢在必行。在汽車內外板上使用鋁合金代替鋼鐵可使車身減重約47%。國內首家具有自主知識產權的汽車用鋁合金板材產品在山東南山鋁業股份有限公司下線。他們整合公司的研發力量，立足自主研發，在僅有技術要求而無參考工藝方案的背景下，于2014年立項，對5182合金汽車內板和6016汽車外板項目進行產品研發與技術攻關。經過反復的工藝摸索和試制，攻克了多項技術難關，于2015年7月份完成成品5182-O汽車內板和6016-T4P汽車外板研發。經檢測，屈服強度在115～125MPa之間，抗拉強度達到260～270MPa，斷后伸長率（A80mm）可達到27%以上，均勻延伸率24%以上。6016-T4P汽車外板屈服強度在100～110MPa之間，抗拉強度達到210～220MPa，斷后伸長率（A80mm）可達到27%以上，均勻延伸率22.5%以上。經過生產驗證，產品性能穩定，5182-O汽車內板的性能滿足汽車板要求。

目前南山鋁業成為國內首家汽車用鋁合金板材的企業，已具備批量生產汽車內板和外板的能力，可滿足不同車企對鋁合金汽車板表面毛化、鈍化以及涂油等不同要求，填補了國內車身用鋁合金板材的空白，改變了國內主機廠鋁合金板材只能依賴進口的局面[8]。

國內汽車工業用鋁也呈現快速增長態勢，1993年國內汽車工業用鋁量僅為40kt，2003年則上升到280kt，年均增長達60%。“九五”期間進行了鋁合金材料和鑄件生產成套工藝技術的開發研究，開發出了多種鑄造Al2Si合金和高性能Al2Sn2Si系軸瓦材料；在半固態成形、快速凝固等先進成形技術研究與應用方面也取得了突破性進展。目前國內鑄造鋁合金的品種及牌號相對齊全，生產技術基本上能滿足汽車工業的需要。同時，汽車用各類型材（包括6000系列和7000系列高強度牌號）、箔材國內基本上都能生產，板材有2000～5000系列，以及6000系列中的少數牌號，7000系列尚處于研發中。此外，國內在耐熱鋁合金、高強高韌鋁合金、鋁基復合材料等新材料的研究與應用方面也取得了較大進展。從鋁的應用水平看，20世紀90年代生產的國產轎車，單車鋁合金用量一般在40～80kg，鋁合金零件基本國產化。近年推出的新車型，鋁合金零件的質量基本都在100kg以上（如東風日產藍鳥、頤達、一汽奧迪等）[9]。

國內生產業已開始走向國際化，開發研制汽車用鋁合金將為中國鋁業面對國際化挑戰帶來新契機。未來我國汽車工業的高速發展為鋁業的發展和技術進步提供了良好的發展機遇。同時鋁業的發展和技術進步也必將推動汽車產業的發展。

3 應用進展

美國鋁業公司研究表明，目前汽車上用鋁大致為：鑄鋁77%，板材11%，擠壓材12%。主要應用在發動機（缸體/缸蓋/活塞）、熱交換器（散熱器/加熱器/制冷機蒸發器/油冷卻器/中間冷卻器）、渦輪增壓器、變速箱殼體、減震器、轉向管柱、車架橫梁、副車架、車輪及車身等部件上。

車身大量應用鋁合金實現輕量化得到各國的重視，未來大部分車型的車身都可能使用鋁合金板材，并且會出現更多的全鋁車身的車型。據美國Ducker公司預測，美國在2020年汽車采用鋁合金的比例可能性為60%。歐盟及日本等國在汽車車身覆蓋件上應用鋁合金的比例將在未來5年成倍增長，到2020年，這3個地區汽車車身鋁合金板材年需求量將達到700kt～800kt。

目前，國內汽車上用鋁主要分布在發動機（如奇瑞自主知識產權的ACTECO系列發動機缸體/缸蓋）、熱交換器、輪轂、自動變速器殼體、轉向管柱等部件上。而在車身上的應用尚處于起步階段。

我國汽車行業保持每年10%的增長速度，每輛汽車用鋁115kg。2005年，我國汽車工業用鋁達618kt；2010年，將達到996kt，汽車單車用鋁量呈現上升的趨勢。國內B級車、C級車、跑轎車相繼研發和上市，為鋁合金汽車輕量化的應用提供了很好的市場和應用基礎，同時汽車鋁合金的應用也為國內B級車、C級車以及整個行業提供了一個技術升級的前提。目前應用于汽車的鋁合金包括：車身鋁合金板材、鑄鋁件、擠壓型材、鍛造鋁合金、鋁線材、鋁合金復合材料等。

目前國內鋁板帶材在汽車上的應用主要是制造乘用車的車門、連接件、防護板、防撞梁及保險杠等。在客車、專用車改裝方面也有一定使用。目前國內汽車鋁板用量約在30kt左右，其中用于制造乘用車的車門、行李箱蓋、車身的鋁板的用量有限。

隨著快速凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基復合材料和泡沫鋁材等新材料的開發與應用，未來鋁在汽車中的應用范圍將進一步擴大，并將呈現鑄件、型材、板材并舉的局面[10]。

3.1 鋁合金鑄件

過去，汽車用鋁材分為加工材、鑄造件和鍛件，鍛件占1%～3%，鑄造鋁件占80%左右，其余為加工材。Al-Si合金鑄件占鑄造鋁件的80%，如：ZL119、YL118、ZL120具有優異的性能，可用于汽車的殼體、發動機部件、汽缸體、汽缸頭、變速器殼、鋁合金活塞、曲軸箱、制動器、底盤、操縱系統等。表1列出了鋁合金鑄件在汽車主要部件系統中的應用[11]。

表1汽車主要部件系統中的鋁鑄件

3.2 車身板用鋁合金

汽車車身是汽車中用材量及質量最大的部分，約占汽車總質量的30%，所以汽車車身的輕量化對于減輕汽車自重具有重要的意義。用鋁合金材料來制造汽車車身板，要求既具有一定的強度性能，又具有良好的沖壓成形性能，還要具有良好的焊接性能、抗腐蝕性能，可以在涂漆后的烘烤期間發生完全的沉淀硬化作用。鋁合金是目前應用于汽車最為廣泛的新型材料，在鋁合金系列中，用于車身板件的鋁合金主要有2000系列（Al-Cu-Mg）、5000系列（Al-Mg）和6000系列（Al-Mg-Si）。

日本大多采用2000系、5000系、6000系鋁合金作為汽車車身板材料。近幾年，日本十分注重使用6000系和7000系高強度鋁合金開發“口”、“日”、“目”、“田”字形狀的薄壁和中空型材，這種鋁型材，不僅質量輕、強度高和抗沖擊性好，而且擠壓成型性能好，容易制作，在汽車上將得到廣泛應用。

美國20世紀70年代就研制了6009和6010汽車車身板鋁合金（T4處理），塑性好，成形后經噴漆烘烤可實現人工時效強化，獲得更高的強度，廣泛用于汽車的內外板。最新研究表明6005A合金較為理想，德國VAW、日本KOK、中國西南鋁業（集團）有限責任公司均以此合金為基礎生產了車體大型材。

目前車身板主要以5000系和6000系為主。由于汽車內板和外板的要求不同，內部面板材料的要求主要是深沖成形性和接合性（焊接和連接），以使用部分6000系合金材料和5000系合金為主，而外板要求強度較高，因而目前汽車外板應用主要以可熱處理強化6000系材料為主。

國際上采用較多的鋁合金汽車板型號有：AA6016、AA6022、AA6111、AA6005、AA6009和AA6010、 AA5182、 AA5754、 AA5052 等 ， 如 ：PlymouthProwler采用6022車身板，AudiA8采用6016車身板，AcuraNSX使用5052作為內部面板以及6000系作為外部面板，JaguarXJ220和GMEV1都采用5754作為車身材料。國內變形鋁合金物理和力學性能與國外有差距，無法滿足沖壓性能的要求，尤其難以沖壓成形深拉延件[12]。表2列出了變形鋁合金在汽車主要部件系統中的應用。

表2變形鋁材在汽車上應用的主要部件系統

3.3 車身框架和保險杠用鋁合金

目前，世界各國都在積極推進車身、車體主要部件的鋁材化，奧迪公司更是推出了全鋁概念車。該概念車用鋁合金作汽車車身框架和保險杠，能有效減輕車體質量30%～40%，并與鋼鐵制件具有同等的抗沖擊強度。目前，7000系T5合金的屈服強度和抗拉強度不僅比6000系T5和T6都高，而且大大超過了冷軋鋼板，已逐步應用于制造汽車的安全保險和防沖撞系統。德國已成功研制出泡沫金屬鋁，用這種材料制造的汽車保險杠能最大程度地將兩車的碰撞能量吸收掉，使汽車的安全性得到很大改善。

1999年Audi公司推出的A2型轎車，是世界上第一款批量生產的全鋁轎車，其車身采用全鋁空間框架，儀表板部分用高強鋁結構支撐，空間構架由真空壓鑄接頭的擠壓成型段組成，車身質量895kg，比傳統鋼制車身輕40%以上。Rolls-Royce最近推出一款轎車，車身為整體鋁合金框架，是迄今為止轎車上最大的鋁合金結構。本田公司的Insight轎車，車身鋁合金用量達162.9kg，比鋼車身減重40%。

汽車保險杠通常采用6000系及7000系鋁合金，但近年來6000系合金有被7000系合金取代的趨勢，如美國通用汽車公司用7021鋁板制造Sature轎車保險杠增強支架，福特汽車公司也用7021鋁板制造LincolnTown轎車的保險杠增強支架。

3.4 其他鋁合金結構件

鋁合金也被用來生產汽車懸掛系零件，如盤式制動器卡爪、動力傳動框架、發動機安裝托架等，另外也廣泛用于活塞、油箱殼缸體、發動機汽缸蓋、保險杠增強支架、車輪等。

熱交換器用鋁材需求量也較大。在美國，汽車散熱器、空調用冷凝器和蒸發器基本上完成了鋁化；日本也較多地采用鋁合金（如6595）汽車散熱器。熱交換器也有用擠壓多孔鋁管或高頻釬焊扁鋁管與三層鋁合金復合硬釬焊帶（以Al-Mn系AA3003為芯材，Al-Si系合金為釬焊層）組裝釬焊而成。

美國森特來因·圖爾公司用分離旋壓法試制出整體板材（6061）車輪，比鋼板沖壓車輪質量減輕50%，旋壓加工所需時間每個不到90s，不需組裝作業，適宜大批量生產，經濟性較好。我國西南鋁業（集團）有限責任公司也與日本輕金屬株式會社合作開發A6061合金汽車鋁輪轂。

3.5 鋁基復合材料

鋁合金增強材料在轎車上使用較多，潛力巨大。以陶瓷纖維、晶須、微粒等為增強材料生產鋁基復合材料，其比強度、比彈性模量、耐熱性、耐磨性等大幅度提高，可用做發動機零件。

鋁基復合材料是應現代科學發展需求而涌現出的具有強大生命力的材料，具有低密度、良好的尺寸穩定性、較高的強度、模量與塑性、良好耐磨性和抗疲勞、抗斷裂韌性等一系列優點。20世紀80年代，日本豐田公司用鋁基復合材料制備發動機活塞，和原來的鑄鐵活塞相比重量減輕了5%～10%，導熱性提高了4倍。而美國的Duralcan公司用鋁基復合材料來制造的汽車制動盤，與傳統的用鑄鐵制造的重量相比減輕了40%～60%，并且具有更好的散熱性和耐磨性。鋁基復合材料在汽車剎車系統元件和驅動軸、搖臂等零件上都有一定的應用[13]。

泡沫鋁合金具有質輕、隔音、阻燃等優異性能，其研究應用受到了較多重視，約20%的汽車車身結構件采用或計劃采用泡沫鋁合金，如：蓋板、滑動頂板、保險杠、側面與前部防撞零部件、前板、車檔、擋泥板等。

總之，發達國家轎車平均每車用鋁量已達到130.9kg以上。隨著汽車鋁化程度的提高，特別是箱板的鋁化率增大，加工材的比例也將大幅度提高，擠壓材在一些轎車上仍屬少數部件，但這種材料有巨大的潛力[14]。

4 發展趨勢

近年來，轎車用鋁合金材料已具有多種規格，有些新型的鋁合金材料具有良好的沖壓性、可焊性和抗蝕性，具有一定的強度和剛度，適用于制造剛度大的承載構件，例如車身部分。近年日本汽車制造業開發的一種新型鋁合金板材，內含1%的鎂和硅，可以越烘越硬，其性能參數已與鋼板相似。日本本田公司生產的頂級跑車NSX車身和部分底盤零件全部用鋁合金制作，車體重量比用鋼材制造時減輕了140kg，整輛轎車輕了200kg，燃料消耗率降低了13%。目前全鋁車身還僅限于高檔轎車和跑車，隨著時間的推移，制造成本的不斷下降，將會有更多型號的轎車車身和零部件應用鋁合金材料。

近20年來，鋁在汽車上的用量和在車用發動機材料構成比中所占份額都有明顯的增加。由鋁合金制造的零件已經遍及汽車發動機的各個部分。汽車所用的材料，由于節省能源、節省資源、輕量化的需要而有所變化，新材料相繼被推出、應用。隨著汽車技術的進步與發展，煉制及加工工藝更加先進，鋁合金零部件的普及應用不會太遠。據預測，未來汽車的主要材料將由鋼材轉為鋁材，轎車的平均重量將會減輕35%。在比較成熟的金屬材料中，鋁合金輕金屬材料也出現了新的發展趨勢，在汽車上有著十分廣闊的開發應用前景。

新能源汽車用鋁材今后的發展將集中在兩方面：一是新工藝，改善現有加工技術，不斷改進熔鑄工藝及熱處理工藝，進一步完善鋁型材、鋁板材的加工、成形、連接工藝，提高車用鋁材的安全可靠性和實用性。二是新品種，目前已開發出了快速凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、纖維增強型鋁合金、泡沫鋁材等，另外高強度高韌性鑄造鋁合金、鋁基復合材料等也在研究之中。因此改進現有鋁合金的成分和生產工藝，提高其各項性能與研發新的鋁合金是今后的主要研發方向[15]。

5 結束語

從高速、舒適、美觀、耐用、輕量化、節能、保護環境、降低綜合成本等綜合性能方面來看，鋁合金無疑是汽車工業現代化和輕量化的首選材料，世界許多國家都在致力于汽車用鋁合金的研究。汽車工業作為我國的支柱產業之一，未來幾十年都將得到持續高速發展，研制高性能汽車用鋁合金對提高我國汽車工業的國際競爭力具有不容忽視、舉足輕重的作用，同時也將產生重大的經濟效益和社會效益。