汽車鋁發展及應用淺析

倪煬 董學鋒

摘要：基于鋁合金在汽車零件上應用的探究，綜述了鋁材企業分布、鋁合金成分元素及性能、工藝等方面基本概況，統計了鋁材在汽車上的商品化應用，特別是在車身上的應用現狀，證明了鋁在汽車應用的優越性及適用性，并總結了鋁質零件與異同種材料連接的常用方法。研究顯示，高性能鋁的研發相較外企有待加強，汽車用材多樣化在輕量化領域不斷拓展，但鋁材的應用仍是主流。

關鍵詞：鋁合金 汽車零件 連接

中圖分類號：U465.2??????文獻標識碼：B????DOI：?10.19710/J.cnki.1003–8817.20220211

Brief analysis on development and application of automotive aluminum

Ni Yang¹， Dong Xuefeng²

（1.?State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment， Department of Engineering Mechanics， Dalian University of Technology， Dalian 116024;?2.?Zhejiang Hezhong New Energy Automobile Co.， Ltd.， Huzhou 313000）

Abstract： Based on the exploration of the application of aluminum alloy in automobile parts， the basic situation of aluminum enterprise distribution， aluminum alloy composition elements， properties and processes are summarized. The commercialized application of aluminum in automobiles， especially in car bodies， is summarized. This paper proves the superiority and applicability of aluminum in automobile application， and summarizes the common methods of connecting aluminum parts with different and same materials. Research shows that the research and development of high-performance aluminum needs to be strengthened compared to foreign companies， and the diversification of automotive materials is constantly expanding in the field of lightweight， but the application of aluminum is still mainstream.

Key words： aluminum alloy; Automobile parts; connection

1 前言

不論是“節能減排”還是“碳達峰，碳中和”，都是圍繞“環保”這一時代主題，汽車輕量化始終是汽車節能減排的有效途徑之一，因此汽車輕量化也一直受到汽車行業的重視，汽車不論如何“智能化，網聯化”，動力的能源形式如何“改變”，使用新能源，它總要有“肢體”的實體部件，如何使得各部件“更輕”是永恒的設計追求，因此輕質材料在汽車上的應用也一直備受青睞，輕質材料在汽車上的占比也越來越高。鋁材作為在汽車上應用較早較廣的輕質材料，鋁有比鋼更輕的質量、比鎂更好的耐腐蝕性、和比碳纖維更低的成本，鋁合金目前仍是汽車輕量化最優選的輕質材料之一。根據美國鋁業學會的報告，汽車中每使用1 kg鋁，可以獲得2.2?kg的減重效果^[1]，且服役期內將減少20 kg尾氣排放。對汽車而言，若整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，尾氣排放將減少5%～6%^[2]。鋁合金材料的優勢眾多，資源豐富，密度相對于鋼更小，耐腐蝕性好，成形性能較高，易于回收，且安全性較高，是汽車用材的首選材料^[3]。

由于鋁合金材料所具有的優勢，使鋁合金在汽車上的應用范圍越來越廣，從鋁制散熱器、鋁制車輪、鋁發動機缸體、缸蓋、鋁制底盤轉向節、控制臂、再到鋁艙蓋、鋁車門、鋁制車身本體等，實現局部到整體的跨越，鋁合金已成目前汽車輕量化主要用材，前景廣闊。

2 鋁材產業分布及鋁材產品

2.1 鋁材的產業分布

性能優越的鋁合金隨著其制鋁技術的提高及應用的拓展，鋁產品已滲透到人們生產及生活的各個領域，高性能鋁合金的研發也如火如荼，在當前的電池能量密度水平下，受續駛里程的壓力，電動汽車的整備質量已經超出了傳統燃油車的范圍，因此電動車的輕量化顯得更重要。為深入了解鋁材的生產及在汽車上的產品應用，對全球鋁材的產業分布進行了調研與梳理。

2.1.1?全世界主要的鋁產業分布

諾貝麗斯和海德魯分別為國際變形鋁合金板材和型材生產廠的典型代表，兩家鋁材料制造商在北美、歐洲及亞洲都有建廠，并為多家汽車廠商供貨，其中諾貝麗斯在紐約奧斯威戈、德國科布倫茨、德國哥廷根、英國拉契福、巴西烏廷加、中國的常州都有鋁板生產廠，可為寶馬、奧迪、特斯拉等車企以及在中國的汽車廠家供貨，國際上的主要鋁供貨商及洲分布情況見表1。中國的鋁廠也有幾家，也在持續為汽車行業發力，比如：忠旺、中鋁、云鋁、西南鋁、南山鋁。

2.1.2?中國主要鋁材產業分布

相比而言，中國鋁業集團有限公司在中國的產業分布最廣，加工廠地所在城市有哈爾濱、沈陽、定西、成都、重慶以及福州，可基本實現了全國的全方位供貨。另有遼陽的忠旺集團、龍口的南山集團有限公司、重慶的西南鋁業（集團）有限責任公司，昆明的云南鋁業股份有限公司等，國內的鋁業發展呈現一片欣欣向榮的姿態。

2.2 鋁材分類、成分及性能

2.2.1 鋁材分類

材料的成分及其微觀組織決定了材料的本質性能，為獲得不同的材料性能，通常要控制各元素的占比，依據鋁合金各主要元素的占比不同，將鋁合金分為1系～8系，并隨著添加元素的固有特性改變組織形態，形成性能各異的變型鋁。其主要系別、特點及在汽車上的適用范圍見表2。

2.2.2?鋁合金成分

鋁合金指的是在鋁中添加其他一定元素，仍保有鋁性能特點的合金。為滿足汽車輕量化的要求，鋁質材料在汽車上的應用率在不斷提高，也基本成為汽車減重的首選材料，但隨著汽車性能的要求越來越高，以及在汽車上的應用范圍越來越廣，對鋁制汽車零件的高性能要求更加苛刻，在保證汽車性能的前提下，盡量降低汽車的整備質量，因此各大鋁材生產商紛紛研發具有高性能的鋁合金，也在控制成分、保持一致性、及工藝過程的精準性等方方面面進行細致的研究，從而得到理想的微觀組織，以獲得良好的性能指標和一致性；圖1是某著名廠家的6系及7系鋁合金的質量分數占比范圍。其中Si能改善流動性能；Cu能提高強度和硬度，但降低耐蝕性和韌性；Mg能提高屈服極限和耐蝕性，但鑄造性能差；Zn能提高鑄造性能和機械性能，但增加熱脆性，降低耐蝕性。每一種元素都有其優劣勢，合理的配置能有效提高合金的性能。

2.2.3?鋁合金的性能

汽車用鋁需要“按需選材”，根據不同結構部件所在位置的性能要求不同，選用合適的鋁合金材料，以達到安全輕質的效果。就汽車結構部件而言，最受關注的材料性能是“強度”和“延伸率”，對所搜集到的相關資料進行整理，得到當前不同系別鋁合金的性能范圍如圖2所示。

3 鋁產品工藝及分類

車用鋁的需求隨著新能源汽車的發展而加速，與傳統的鋼制件相比，鋁延展性較差，故成形同樣復雜零件的良品率不高，所以在研發高性能鋁材料的同時，還需要選擇合適的制造工藝，目前汽車鋁合金零部件常用的制造工藝有3種（鑄造、擠壓、沖壓），汽車部件的常用工藝如圖3所示。

3.1 鑄鋁

鑄鋁是一種將純鋁（或鋁合金）錠按標準的成份比例配制后，經過加熱將其變成鋁合金液體或熔融狀態后再通過專有模具或相應工藝將鋁液或熔融狀態的鋁合金澆注進型腔，經冷卻形成所需要形狀鋁件的一種工藝方法。常用的鑄造工藝有多種，如砂鑄、壓鑄、消失模鑄造等等，適合復雜零件的成型，但鑄造存在氣孔和縮松等缺陷^[4]，為消除或減少氣孔等缺陷，對于要求較高的部件（比如汽車上的部件），通常選擇壓力鑄造；其中真空壓鑄的優勢、應用、特別關注內容及工藝流程見圖4。

技術瓶頸的不斷突破及大膽的應用嘗試，推進了鋁合金材料在汽車上應用范圍的拓寬，比如2015年奧迪Q7在車身的角接處應用了大量的小型鋁鑄件（如前懸架固定座、后縱梁、后背三角脊、前底梁加強板），而現今特斯拉推出的一體鑄造技術，把大型的鋁鑄件成功應用于車身的后部，在車身部件的應用上石破天驚，基本實現了車身后下骨架半邊的一體化鑄造。如圖5所示。自沖鉚連接在汽車鑄鋁零部件中得到了廣泛地應用，需注意的是硬度高、強度高、延展性差的材料放在上層，強度低、硬度低、延展性好的材料放在底層；未經過熱處理的底層材料，允許的最高強度不高于600?MPa，底層材料延展性不小于12%；鉚接點間距不可過小，至少應大于鉚接點半徑和鉚模半徑之和，或大于30?mm。

3.2 擠壓鋁

鋁型材是按設計所需的截面形狀，有一定長度的鋁合金材料成品，鋁型材的生產過程是由調好合金成分鋁棒材（通常是鑄造成型），按擠壓盛錠筒的限定長度鋸切成段，作為擠壓過程的坯料，通過熱熔（在加熱爐中變軟，鋁合金的熔化溫度約660 ℃，在擠壓過程一般加熱到375～500 ℃），液壓機通過擠壓桿對盛錠筒內的柔軟鋁坯料進行擠壓，受到盛錠筒筒壁的制約，柔軟的鋁合金只能從模具的成型孔到最終成型端出來，得到所需的形狀，為獲得良好的性能，后續還要進行熱處理、時效處理等工序。鋁材料氧化后耐臟，且采用配套鋁型材時，減少了焊接，方便運輸，擠壓鋁型材的優勢、特別關注內容及工藝見圖6。

在全鋁電動汽車上，鋁型材的占比約為10%～11%，故眾多大型鋁廠投入到新型擠壓鋁材的研究中，主要包括挪威海德魯公司HHS合金、肯聯鋁業HSA6合金、奧科寧克公司的M648和6563合金以及日本的7003合金。主要應用于汽車的護欄、電池托盤^[6]及副車架^[7]。

3.3 沖壓鋁

沖壓鋁是通過模具沖壓成形的，其效率高，適合于較為簡單的零件成形。為了保證板材最終性能，可對成品進行退火、固溶處理、淬火、自然時效和人工時效處理，以提升板料的強度等性能。鋁合金沖壓件具有可塑性好，加工性好，生產效率高，沖壓操作簡單，沖壓尺寸和精度高等優點，且加工范圍大，材料消耗小。但與鋼板相比，有一些不足之處，見圖7。

沖壓加工的三要素為板料、模具和設備。其按照溫度加工分為熱沖壓和冷沖壓。熱沖壓適合變形抗力高，塑性較差的板料加工；冷沖壓則在室溫下進行，是薄板常用的沖壓方法。其中熱成形技術使得材料在高溫下流動阻力減小，易于成形較復雜的零件，并且降低了產品的回彈率。其工藝流程圖見圖8。

激光拼焊沖壓技術是將不同厚度、不同材料的板件整體制造，實現一體化成形，提高生產效率，降低成本，同時減少了加強板，實現輕量化^[8]。

4 鋁合金在車身上的應用

鋁合金因其質量輕、比強度高、耐腐蝕、易回收利用等特點被廣泛應用于汽車結構件中。通過對歷年鋁合金在車身上的應用情況看，為了實現更輕更安全，高性能的鋁合金板材也在不斷推陳出新。

根據車身不同部位的不同要求，選用不同系別的鋁合金，統計結果如表3：汽車的四門兩蓋主要選用的是5、6系鋁板；前后保險杠橫梁選用鋁型材較多，懸架固定座主要選用壓鑄鋁等。

出于熱膨冷縮基本相同的考量，總成的內外板通常都選用同一種材料，而且選用同一種材料有利于材料的回收利用，比如鋁制四門兩蓋的內外板都是鋁板，表3中內外件數的差異是有單件和內外板是兩種材料的特例，若用不同的材質，設計結構上要考慮溫度變化下如何消除熱脹冷縮的不同。歐洲車身年會展示的特例有：阿斯頓·馬丁DB11的機艙蓋無內板；謳歌NSX的行李箱蓋外板是熱固性塑料，內板是鋁合金板；奔馳S-Class的外板是鋁合金板，而內板是高強鋼板，雷克薩斯及LC Convertible的外板都是鋁合金板，內板都是熱固性塑料。從表3中也可以看出采用6系鋁合金比5系多些，從多年的展示產品看，在輕質材料的應用中，鋁合金當屬最多，其它輕質材料較少。從這可以觀察到目前階段汽車輕量化用材發展是仍以鋁合金為主，其他材料為輔的多材料優勢互補的應用。

5 連接技術

為適應輕量化的需求，鋁合金及更輕質的鎂合金、碳纖維復合材料等在車身上的應用越來越多。即合適的材料用在合適的地方，而多種材料在車身上的應用所引發的異種材料連接也是多樣的，比如機械連接中的自沖鉚（SPR）、流鉆螺釘、高速射釘、無鉚連接等；焊接中的攪拌摩擦焊、還有膠接等在車身異種材料的連接中的都很常見，根據相關資料的內容，整理鋁材與其它材料的常用連接方式如表4所示。

連接方式的選擇是依據材料本身的性質的，同種材料之間的連接因熱膨脹系數相同，可選擇的連接方式較多，而異種材料之間的連接，如焊接時，會因熱膨脹系數不同，材料的收縮率不一樣，從而產生焊縫及殘余應力，且若是復合材料這種對溫度比較敏感的，不適宜熱連接。

6 結論

以節能減排為目標的汽車輕量化進程的不斷加快，也促使鋁合金的應用越來越廣泛，通過調研與分析得出結論如下：

• 汽車用鋁量會進一步提升，中國鋁業能夠較好地滿足需求，但在高性能鋁的研發上較外企仍有一定的差距；
• 高性能鋁的研發如火如荼，伴隨而來的制備工藝也得到了進一步的改進與發展，主要體現在新技術引入傳統工藝中；
• 在車身應用方面，四門兩蓋主要用的是5、6系鋁板材，懸架固定座通常采用鋁鑄件，保險杠橫梁、縱梁等梁類件采用擠壓鋁型材較多；
• 傳統的鋼制車身基本是用點焊，有輕質材料加入后，出現了異種材料連接的多種方法，比如鋼鋁有鉚接，攪拌摩擦焊接和膠接等多種方式；
• 未來車輛全生命周期碳排放政策要求下，碳排放因子相對鋼更高的鋁材料應用將迎來新的挑戰與約束，低碳排鋁合金材料研發與應用將是重要發展趨勢。

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