鋁材在汽車制造中的應用與發展研究

黃瑞麗

摘要：金屬鋁質輕、具有良好的延展性、導電性與導熱性，是最重要的汽車制造金屬材料，被廣泛用于汽車車身骨架、發動機、保險杠、車輪、電池系統、各類零部件等，助推汽車向著輕量化、低能耗、高性能發展。本文以鋁材為研究對象，系統論述鋁材在汽車制造中的應用，并分析其發展趨勢。

Abstract： Metal aluminum is light， has good ductility， electrical conductivity and thermal conductivity， is the most important metal material for automobile manufacturing， is widely used in automobile body skeleton， engine， bumper， wheel， battery system， all kinds of parts， etc.， to boost the development of automotive towards lightweight， low energy consumption and high performance. This paper takes aluminum as the research object， systematically discusses the application of aluminum in automobile manufacturing， and analyzes its development trend.

關鍵詞：鋁;汽車制造;應用;發展

Key words： aluminum;automobile manufacturing;application;development

中圖分類號：U465.2+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0167-02

0? 引言

我國是人口大國，擁有最龐大的汽車消費市場。在國內經濟發展及科學技術發展的助推下，越來越多的國民企業加入到汽車制造行業中，共同推動我國汽車制造行業的發展。在全球節能減排的大背景下，汽車制造朝著輕量化、低能耗、高性能、安全性的方向發展[1]。金屬鋁密度小，質量輕，易于加工成型，導熱及導電性良好，且產量大（鋁元素是地殼含量最高的金屬元素），是最佳的汽車輕量化材料之一。近年來，關于鋁如何應用到汽車制造中的研究越來越多。本文詳細介紹鋁材在汽車制造中的應用，并分析其未來發展趨勢。

1? 鋁材在汽車制造中的應用現狀

1.1 應用于汽車車身及保險杠

汽車車身包括發動機蓋、行李箱蓋、車頂蓋、翼子板和前圍板，材料使用量大，占汽車總重比重大，是汽車輕量化的重要研究點。傳統的鑄鋼車身，質量重，導致汽車的耗油量大。有實驗研究表明，汽車自身質量質量每降低10%，其燃油消耗量能降低6%～8%，排放可降低5%～6%。金屬鋁的密度為鐵的三分之一，力學性能優良，是汽車車身輕量化的重點研究材料。鋁用作汽車車身材料能大大地降低汽車整體重量，實現輕量化目標，達到節能減排的目的。近年來關于鋁制車身的研究與實踐案例越來越多，其中奧迪公司在1995年就打造了一臺全鋁車身橋車，現在大部分的電動車采用全鋁車身或采用80%的鋁材[2-3]。另外，金屬鋁是汽車保險杠的主要制造材料，當汽車發生沖撞時，鋁制保險杠能有效吸收碰撞熱量，以達到減震的效果。

1.2 應用于發動機

發動機是汽車的重要動力部件，也是汽車主要的振動源之一。如今，汽車發動機上多數零件已由鑄鐵換為鋁制品，如活塞支座、油底殼、機體等零件采用鋁鎂合金材料，能有效地幫助發動機散熱，達到減少散熱器尺寸，實現汽車輕量化目標[4-5];發動機支座采用泡沫鋁材料填充，能有效地減小振動，達到減震的效果。金東風汽車公司生產了一批商務車，采用了鋁鎂發動機，有效的降低了整車油耗，提高了汽車使用性能[6]。

1.3 應用于車輪生產

汽車車輪是汽車的重要組成部分，它直接與地面接觸，承載著汽車的重量，是汽車安全性與舒適性的關鍵影響因素。傳統的鑄鋼車輪由于剛性強、質量重，存在振動緩沖能力弱及易導致輪胎過熱的缺點。鋁制車輪加工性能好，尺寸精度高，能有效的降低汽車的縱向及橫向振動。另外，由于鋁制車輪質量輕，散熱性好的，能有效地避免車輪過熱問題的發生，進而提高了車輪的抗老化性能，延長了車輪的使用壽命。目前，高端跑車、橋車、大型公交車以及一些軍用特種車均采用鋁制車輪。據相關部門的統計，未來，將有98%的汽車將采用鋁制車輪[7]。

1.4 應用于汽車底盤

汽車底盤包括行駛系、傳動系、制動系四部分，包含的零配件較多。目前，許多汽車底盤的零部件均采用鋁合金制造而成，具體包括制動鉗、方向盤骨架、離合器踏板、剎車踏板、變速器殼體、離合器殼體、制動器殼體、轉向節、轉向器殼體等[8]。鋁合金零部件的使用，有效地減輕了汽車底盤的重量。

1.5 應用于汽車鋁棒導線

線束是汽車的神經系統，是傳遞電信號的重要媒介。鋁棒導線為單芯導線，具有密度小、工差小、結構穩定、價格實惠及易于安全等優點，且其導線性能優于銅線，正在逐漸被汽車生產制造商認可及應用。目前鋁棒導線正逐漸應用到純電動和混動汽車中，一些知名品牌的汽車代工生產商也開始使用鋁棒導線的設計，例如路虎、通用、保時捷、奔馳及寶馬[9]。

1.6 應用于熱交換器加工

汽車熱交換器是汽車發動機降溫的重要配件，與家用空調的降溫功能一樣。由于鋁材在導熱性、質量以及加工性三方面的優勢，鋁制熱交換器得到了廣泛應用。當前，汽車熱交換器主要由高頻釬焊扁鋁管和擠壓性質多孔鋁材料制備。

2? 鋁材在汽車制造中的發展趨勢

2.1 世界汽車平均用鋁量逐年上升

隨著環境污染問題的日益凸顯以及汽車節能減排的緊迫要求，汽車輕量化、低能耗是未來汽車制造的一大趨勢。金屬鋁以其質輕、力學性能優良的優點，成為了汽車輕量化首選的金屬材料，也大力助推了電動新能源汽車的發展。未來新能源電動汽車的占比將不斷提升，鋁作為新能源電動汽車的主要制造金屬材料，其用量也將不斷提高，倫敦商品研究所預測，全球混動汽車及電動汽車的用鋁量將于2030年達到10Mt，是2018年的10倍;另外由于汽車輕量化趨勢，傳統汽油類汽車各部件的用鋁量也將不斷提高。據有關數據統計表明，世界汽車平均用鋁量在每年遞增，預計到2025年世界汽車平均用鋁量將由當前的15%提升到20%，即用鋁量達到240kg。我國汽車制造行業由于制造成本以及工藝技術等方面的原因，至2018年汽車平均用鋁量僅為153kg，用鋁量低于世界平均用鋁量，遠低于歐美及韓日發達國家水平[10]。因此，我國汽車鋁材的應用前景十分廣闊。

2.2 主要以鋁合金及鋁基復合材料的形式應用到汽車制造中

金屬鋁強度低，不適于單獨制作結構部件，常需加入其他金屬元素以改善力學性能，制備成鋁合金，再應用到汽車制造中。鋁合金主要添加的金屬元素有銅、鋅、錳、硅、鎂等，其中以鋁鎂合金的應用研究最多。將鋁錠和鎂錠放入保護氣體中，然后經高溫熔融，則可制備得到鎂鋁合金。鎂鋁合金具有質輕、切削性能好、阻尼強、可焊、易于回收、比剛度及比強度大的優點，被廣泛應用于儀表盤、方向盤、變箱、油底殻、氣缸罩蓋、座椅架及輪轂等多個關鍵零部件。鋁鍶合金是新興的一種合金，具有再現性好、回收率高、變質有效時間長、設備腐蝕小、揮發性小等優點，能應用在汽車活塞、泵體、輪轂的生產[11-12]。未來關于汽車鋁合金的研究及應用將越來越多。

鋁基復合材料也是未來汽車鋁材的一大研究發展方向。鋁基復合材料是將金屬鋁作為基體，然后通過特殊的材料制備工藝，加入一種或者多種其他材料制備而來。由于與其他金屬材料相結合，使鋁基復合材料在原有金屬鋁特性的基礎上，具備更好的抗疲勞性、可塑性、耐磨性以及韌性。王波[13]利用擠壓鑄造和重力鑄造的方法制備了Al2O3/ZAlSi12Cu1Mg1Ni1復合材料活塞，其力學性能優于常規ZAlSi12Cu1Mg1Ni1合金。美國福特公司研發了一款SiCp/Al鋁基復合材料制動盤，不再使用鑄鐵制動盤，并將其批量生產，應用于Lincoln Town Car;Lotus公司生產的運動轎車（Elise）的前后輪制動盤也是采用鋁基復合材料[14]。目前，鋁基復合材料被廣泛應用于汽車剎車裝置、制造齒輪箱、驅動軸以及搖臂等汽車構件。未來，鋁基復合材料在汽車零部件的應用將越來越多。

2.3 鋁材的成型加工及運輸方式有待改進

第一是鋁合金的延伸率相較鋼制品低，僅為其30%，在加工過程中易出現產品拉裂問題，因此需進一步改善鋁材的加工成型工藝;第二是鋁制品不能采用鐵制品磁力運輸的方式，需重新設計新的運輸方式。

3? 結語

隨著科技的發展，汽車行業得到空前發展，推動汽車材料的更新迭代。鋁材作為汽車輕量化的首選材料，能有效地減輕汽車整車重量，已被廣泛應用于汽車車身、保險杠、發動機零配件、車輪、底盤零部件、汽車導線、熱交換器等處。未來，世界新能源汽車的生產量將逐年增加，世界汽車平均用鋁量將不斷提高，關于如何將鋁合金及鋁基復合材料應用到汽車制造中的研究也將隨之增多。

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