鋁合金在現代汽車輕量化生產中的應用研究

孫海洋

（云南省玉溪工業財貿學校，云南 玉溪 653100）

引言

當代社會以驚人的速度發展著，社會大環境的快速發展帶給人們更佳富足的物質生活，極大地滿足了人們日常物質需要，人們對自身的生活要求絕不滿足于溫飽，有了更好的生活追求，特別是在汽車方面，人們希望通過汽車獲得更大的便利的同時也積極響應國家倡導的節能減排號召。對比我國，國外方面在汽車生產輕量化轉變方面取得了顯著成效，但是對比西方發達國家，顯然我國有很大的進步空間。2000年，對于我國汽車輕量化而言是至關重要的一年，因為從這一年開始，汽車輕量化取得迅猛發展，尤其是汽車產量更是以較高的速度提升著，產銷量位列全球首位，這也代表著中國已經步入汽車消費大國的戰列。在這樣的發展背景下，汽車生產制造企業一定要清醒地意識到，雖然車輛為人民的生活提供了極大的便利，在社會主義市場經濟發展過程中扮演著重要角色，但是隨之而來的是油耗增加，為其增加，帶來了一系列環保、安全方面的問題[1]。所以本論文圍繞汽車輕量化及鋁合金在現代汽車生產中的運用進行了一系列探討。

1 現代汽車輕量化發展方向及意義

1.1 現代汽車輕量化發展方向

現代汽車輕量化發展過程中，主要是應用新型材料。以低密度輕金屬材料為主，例如鋁、鎂、鈦等，鋁合金、鎂合金、鈦合金密度分別為2.7、1.74、4.51。從這一點可以看出，此類輕金屬材料為現代車輛生產加工指明了全新方向，使得車輛生產環保性能大大提升，車輛自重減輕許多。在這些低密度金屬材料中尤以鋁合金較為常用，從20世紀70年代開始備受汽車制造行業的認可與青睞。現階段，世界各國汽車制造中使用最多的輕型材料是鋁合金，由此可見鋁合金材料的使用量相當大，高達15%，還有些國家甚至突破25%。現代汽車輕量化的核心部分還是在車身方面，因為車身重量占據全車總重量的三成之多，所以追求車身輕量化已經成為現代汽車生產輕量化的重點，為此必須想方設法提升鋁合金材料的科學應用水平。

1.2 現代汽車輕量化發展價值

分析現代汽車輕量化發展價值，主要在下述兩方面體現。首先強調汽車輕量化發展，對于汽車油耗減少有明顯的促進作用，車輛在生產制造過程中，整車質量和車輛油耗間的關系相當密切，如果可以將車輛的整體質量減輕，則可以有效降低車輛能耗，減少尾氣排放。一般情況下，車輛質量每下降1 kg，那么1L汽油可以多形式0.012 km。同時車輛質量減輕，可以使得車輛排放的二氧化碳、硫化物、氮化物等有害物質的排放量大大減少，從而達到對環境污染有效降低的目的。其次促進汽車朝著輕量化方向發展，還可以極大地提升車輛的行駛性能、安全性能。汽車質量減輕了，汽車行駛過程中的加速時間也會顯著變短，例如加速到100 m/h，原來的時間是12 s，減輕質量之后，時間縮短到8 s。同時車輛質量減輕之后，其對負荷進行牽引的狀態也發生了轉變，得到了優化調整，性能更佳，進一步提升車輛行駛安全性。

2 鋁合金在現代汽車生產中的具體運用

2.1 現代汽車生產中鋁合金形成工藝

鋁合金在現代汽車形成工藝中的應用越來越廣泛，這同車輛輕量化的整體發展趨勢高度契合。當前環節，無論是國內還是國外，在進行車輛制造的時候應用到的鋁合金成形工藝主要體現在鑄造成形工藝以及半固態成形工藝。其中鑄造成形工藝作為主要的鋁合金成型工藝，很多車輛在實際生產過程中都會應用到這一工藝，鑄造工藝又可以進一步細分為重力鑄造工藝、低壓鑄造工藝、擠壓鑄造工藝、精密鑄造工藝等。這些工藝特征顯著，主要體現為質量可靠、便于大批量生產、尺寸精密程度高；其次半固態成形工藝作為鋁合金成形工藝中非常先進的工藝，其制造出來的產品和最終鋁合金產品非常接近。一一般而言，在鋁合金產品成形之前，既有固態存在也有液態存在，這樣的狀態極大地促進了質變[2]。充分發揮半固態成形工藝的應用優勢，使得鋁合金在填充的時候具備平穩程度高的填充型腔。半固態成形工藝借助其改善零構件力學性能、尺寸精密度、延長模具應用時間等一系列優點，得到了世界車輛生產制造界的廣泛關注，應用前景十分可觀。

2.2 現代汽車生產中鋁合金的實際應用

2.2.1 鋁合金在汽車生產中的應用現狀

近幾年，汽車輕量化的發展主趨勢明顯，所以在進行車輛制造的時候，鋁合金的使用量大大提升。鋁的一大優點是可以重復使用，節省了生產原鋁所需能源的95%。與其他材料相比，它更環保，回收的鋁幾乎可以用于任何領域。目前，鋁在汽車垃圾處理領域發揮著重要作用，其在金屬回收方面具有很高的廢品價值。尤其是制造車身的時候，使用到的鋁合金材料更多，因為車身使用鋁合金材料制造能夠極大的減輕零部件質量。

根據CM集團的統計數據，我們估計中國單輛車鋁板的消費量約為20 kg，占汽車鋁合金的10%～15%，與歐美市場相比仍有差距。隨著我國新能源汽車普及率的快速提高，國內鋁板市場具有很大的發展潛力。以車身面板為例，2018年，中國單燃料汽車和純電動汽車車身面板的鋁消耗量分別為4.4 kg和8.0 kg，分別為最大潛在消耗量的6%和12%；據估計，到2025年，增長率將分別為14.2 kg和23.3 kg，分別占最大潛在消費量的19%和28%。

西方發達國家從20世紀60年代就逐步將鋁合金材料應用到車輛生產領域。鋁合金材料的廣泛使用不僅減輕了車輛質量同時還是得車輛的結構剛性得到了極大的改善，大多數零件支持回收再利用，為節能減排提供了有效助力。據SMM統計，到2020年，全球汽車鋁板產能約為390萬t，國外產能約為288萬t，約占73.8%。全球汽車鋁板產能主要分布在美國、德國、日本等國家，美國市場份額高達44%；國內產能約102萬t，占26.2%。從附屬制造商的角度來看，諾貝利斯、美國鋁業的持股比例較高，分別為27%、12%和12%。

2.2.2 汽車生產中鋁合金材料的應用

1）鑄造鋁合金的應用。鑄造鋁合金在汽車生產過程中的應用相當廣泛。該材料可以結合車輛生產過程中的實際需要確定不同的鑄造工藝。其中，在進行發動機生產的時候，使用鋁合金，以此獲得極佳的抗腐蝕性以及導熱性。與汽車發動機氣缸蓋、氣缸體等材料的要求高度契合起來。將鋁合金材料用在汽車輪轂制造中，發揮鋁合金材料尺寸精密程度高、散熱性能佳、質量輕和高使用率等優勢，以低壓鑄造以及重力鑄造為核心鑄造工藝。

對于壓鑄，有兩個問題：第一，金屬型薄壁件凝固速度快，影響變質效果；第二，當鑄件充滿時，鋁湯將被大量氣體包裹。除了氣體產生孔，鑄件表面附近的氣泡在隨后的熱處理過程中也會出現膨脹問題。這是因為當鑄件凝固后進行熱處理時，氣孔會因高溫而膨脹，合金會因高溫而軟化。此時凝固過程中沒有金屬型堵塞，鑄件表面容易形成鼓包，嚴重鼓包不僅會影響外觀，而且在加載時會成為應力集中點，從而導致鼓包裂紋的產生。因此，傳統鑄造廠通常不進行熱處理進行高溫鑄造鋁合金。

當鑄造模具被吸入時，模具中的氣體可以顯著減少。這樣，在固化成型后，零件進行固溶和人工時效熱處理，不會出現脹形問題。此時，由于硅相在熱處理后具有更多的圓形顆粒，因此可以顯著提高材料的塑性，并在斷裂后達到延伸率設計指標。除了保留壓力鑄件的固有優勢外，這種高壓真空鑄件還可以應用于更靈活的連接方式，如鉚接和焊接（焊接氣孔和突起也由包裹引起）。它們用于各種要求高塑性和韌性的加載場合。華中科技大學成形材料與基體技術國家重點實驗室也成功完成了ZL101-T6鋁鎂合金真空鑄件的試驗生產。后來開發的汽車底盤零件的斷裂后伸長率可以達到7.3%，這在中國是一個非常成功的例子。

2）變形鋁合金的應用。變形鋁合金在汽車生產中的應用，對比鑄造鋁合金其優勢更為突出，主要體現在韌性以及強度等方面。變形鋁合金的合金含量相對更低，所以在汽車裝飾件、結構件、散熱體系和車身面板等部位有廣泛運用。將變形鋁合金用早車身面板制造方面，憑借自身的端造性強，強度佳、綜合性好等優勢，滿足汽車輕量化生產的具體需要。其他鋁合金構件在汽車懸掛零件上有著廣泛應用，主要是該構件的應用使得車輛的行駛平穩性大大提升，促進車輛行駛安全可靠。

3）鋁基符合材料的應用。鋁基復合材料其尺寸穩定性強，密度低，強度高。將其應用于汽車生產過程中，達到抗疲勞、抗斷裂等目的。除此以外，應用此類鋁合金，對比傳統鑄鐵制造材料，質量明顯降低，甚至可以降低60%質量之多，在驅動軸、搖臂等零件中應用廣泛。

3 汽車用鋁材重點研發新方向

3.1 對未來汽車的要求

汽車用鋁材在未來車輛生產過程中的應用更為廣泛。未來汽車制造過程中，更需要將環境污染問題、車輛行駛安全性、燃料消耗等方面的問題高效解決。由于電動車輛不會有廢氣產生，所以其將成為未來車輛的核心代表，但是電動汽車一定要使用電池替代發動機，而對比發動機，電池的輸出功率明顯小很多，為此必須實現車輛車體輕量化目標。鋁化程度是提升汽車輕量化水平的關鍵手段。但是，隨著鋁使用比重的提升，導致生產成本也進一步提升。為此今后汽車鋁化程度的提升必須結合鋁化實際需要，與生產成本之間達成平衡。

3.2 新型鋁合金車身材料的研發

車身作為汽車的主體架構，構成的零部件較多。而車身又由外板和內板兩部分構成，一般選擇耐腐蝕性能佳以及時效硬化性強的材料作為外板材，選擇成形性能優良以及耐腐蝕性強的材料作為內板材。選擇強度大同時焊接性能優的材料作為骨架材；選擇擠壓性好以及焊接性能優良的材料作為擠壓材。

對于現代汽車而言，車輛車身呈現標準的流線型，這就決定了其復雜的外形，外形由很多曲面形成，成形困難系數高。車身作為車輛的核心承重構件同時還需要承受來自于空氣的阻力。構成車身的零部件相當多，需要阻焊以及焊接。除此以外，還需要車身的材料有理想的耐腐蝕性、耐候性、抗磨性。總結起來，現代汽車車身材料需要具備下述性能，首先強度和剛度需要保持在中等以上；必須具備良好塑性，適應深沖變形；具備良好的可焊接性；具有一定的耐腐蝕性以及耐磨性；具有很強的自時效性；密度相對較低，具有較高的比強度以及比剛度。

近年來，得益于國家發改委以及科技部的全力支持，組織汽車行業以及有色金屬行業的相關企業、大學、研究院等組成了聯合研究小組，圍繞適應我國車輛工業用的鋁合金車身材料展開了深入研究工作。提出明確要求，鋁合金板材性能需要與美國6111以及5182鋁合金水平相持平，與此同時其烘烤硬化性也需要保持較佳水準。板材與發動機蓋板外板沖壓性能的基本要求高效契合起來，油漆防腐性能符合鍍層板的基本刑訊能夠。焊接以及翻邊成形能與汽車外形以及對應零件的基本要求高度契合起來。為了保障上述性能指標充分滿足，攻關組對變形鋁合金板材的化學工程、生產工藝、預處理工藝、熱處理狀態、沖壓成形性以及烘烤硬化性等展開細致深入的研究。與制造企業高效配合起來，圍繞汽車零部件的加工性能以及使用性能展開深層次的研究，取得了初步成果。近年來，使用特殊擠壓加工方法生產的框架型材正在展開深入研究，該研究可以預測無框架式車身的材料利用率以及車身剛性以及生產效率的提升等成效。在這樣的場合下，如何建立使得直線型材曲線化的擠壓技術、彎曲加工技術、連接技術等相當關鍵。下表1為主要汽車車身板鋁合金室溫力學性能，可以清晰的看到，鋁合金板材的主要力學性能同冷軋鋼板比較相近，同時通過模擬烤漆處理之后可以得到有效強化，所以能夠直接取代鋼作為汽車車身板來使用。

表1 主要汽車車身板鋁合金室溫力學性能

汽車用鋁合金板材，特別是汽車用鋁合金外板作為鋁合金板材生產中的優秀產品，在對其展開研究的時候需要重點關注抗時效穩定性、成形性、烘烤硬化性、翻邊延性、油漆光鮮均勻性、抗凹性和表面處理工藝等等。這一系列特性之間聯系密切同時也有矛盾存在，與鋁合金汽車板力學性能、工藝性能、構件成形性、零部件功能具體要求高度契合起來。基本研究方向是借助合金成分設計軟件，保障汽車外覆蓋件用鋁合金板合金系統選擇以及確定，必須與板材成形性作為核心依據，全方位探析Fe、Mn、tail、Zn等合金元素和含量對板材性能產生的具體影響，保障其性價比以及性能匹配叨叨最佳狀態[3]。包括熱軋板的均勻化程度、組織細化處理技術、冷軋工藝控制以及優化技術。合理優化預處理技術，板材晶粒度以及第二相細化以及均勻性控制技術，鋁合金汽車板成形性以及抗凹性評估對策等等。

3.3 鍛造鋁合金車輪和結構件研發

汽車上應用的鋁合金鍛件主要是輪轂、保險杠等，在大客車、重型汽車上應用尤為廣泛。近年來，也陸續應用到一些中小型汽車、摩托車等上面。根據相關統計，世界上幾年來輪轂應用廣泛程度不斷提升，每年以20%的速度增長著，當前使用量突破十幾億。我國大型汽車企業也在展開深入的研究，隨著汽車用量的不斷增加，鋁輪轂、其他鋁鍛件用量也會不斷提升。

4 結語

汽車輕量化以及鋁合金在現代汽車生產中的應用越來越廣泛，符合可持續發展理念，符合環保綠色理念，為了加快我國汽車工業用鋁材的發展，迎合汽車工業現代化發展需要，必須強化宏觀調控工作，支持研發汽車用新鋁合金、新材料，提升生產工藝的優化水平，穩定產品質量，達到降低成本的目的。