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鋁合金:汽車輕量化的主力


由鋁合金相伴的汽車輕量化潮流




  如今,“輕量化”這個詞已經(jīng)由汽車行業(yè)的術(shù)語發(fā)展為媒體新聞里的高頻詞匯?!吨袊圃?025》中,也已把輕量化當成汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。簡單來說,輕量化就是在保證汽車強度和安全性能的前提下,盡可能降低汽車整車重量,從而提高汽車動力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。

  近年來,由于環(huán)保和節(jié)能要求日趨嚴格,汽車輕量化已成為世界汽車發(fā)展的勢不可擋的趨勢。據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會報告,汽車質(zhì)量每降低 100kg,每百公里可節(jié)約 0.6L燃油,減排CO2800-900g。鋁的密度僅有鋼的1/3,且具有良好的可塑性和回收性,是理想的汽車輕量化材料。上世紀70年代第一次第二次石油危機期間,面對日益高漲的石油價格,世界范圍內(nèi)的汽車制造商嘗試用鋁合金制造之前鋼制的散熱器、氣缸蓋與保險杠等部件以提高燃油效率。從此,鋁合金在汽車中的比例不斷提高。著名咨詢公司達科國際(Ducker Worldwide)公布的研究數(shù)據(jù)表明,歐洲汽車平均用鋁量自1990年已經(jīng)翻了三倍,由50kg增長到目前的151kg,并將在2025年增長至196kg。

圖2. 歐洲汽車用鋁(140kg)分布比例(2012年數(shù)據(jù))


  目前,汽車輕量化趨勢越來越猛烈,鋁合金在輪轂、發(fā)動機、散熱器、 油管等方面的應(yīng)用非常廣泛。車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的40%左右,對于整車的輕量化而言,車身的輕量化起著舉足輕重的作用。據(jù)2016年歐洲車身會議(EuroCarBody 2016)資料顯示,鋁合金應(yīng)用率已經(jīng)達部分高端車型白車身(即完成焊接但未涂裝的車身)質(zhì)量的一半以上。如阿斯頓·馬?。ˋston Martin)DB11鋁合金應(yīng)用率高達86.1%, 第2代本田NSX(Acura NSX)達79.0%, 第5代路虎發(fā)現(xiàn)(Land Rover Discovery)達62.9%。

  著名咨詢公司達科國際(Ducker Worldwide)的數(shù)據(jù)顯示,鋁合金板在汽車車身的滲透率 2015 年時僅為 4%。時至今日,全鋁車身制造依然是一項處于金字塔尖的技術(shù),只在部分高端車型上得以應(yīng)用。車身輕量化是目前汽車制造商輕量化發(fā)展方面的重要攻關(guān)課題。


圖3. Aston Martin DB11鋁合金應(yīng)用分布


車用鋁合金的主要種類


  目前汽車用鋁合金基本可分為壓鑄鋁合金和變形鋁合金,其中以壓鑄鋁合金為主,約占66%左右。變形鋁合金又可以分為軋制板材(18%),擠壓型材(11%)及少量鍛壓件(5%)。

  值得注意的是,2016年鑄造鋁合金雖然仍是車用鋁合金的主要形式,但其份額較2012年下降了8個百分比。相反,由于車身輕量化的發(fā)展,軋制板材的份額由2012年的13%顯著增長為2016年的18%。與此同時,擠壓型材與鍛壓件的份額變化不大。


圖4. 2016年與2012年歐洲汽車用鋁種類對比


(1)鑄造鋁合金


  鑄造鋁合金是目前大部分汽車上用量最大的鋁合金種類,廣泛用于車輪、發(fā)動機部件、底架、減震器支架以及空間框架等結(jié)構(gòu)件。在汽車工業(yè)中,鑄造鋁合金輪轂是普及最快、鋁化率較高的零部件。目前,絕大多數(shù)鋁合金車輪采用A356合金通過低壓鑄造法制造,部分高檔車輪則采用擠壓鑄造(業(yè)態(tài)模鍛)、鍛造或旋壓技術(shù)制造。發(fā)動機的缸體和缸蓋均要求材料導(dǎo)熱性能好,抗腐蝕能力強,這正是鋁合金的優(yōu)勢所在。

  目前大量國內(nèi)外汽車采用了鋁制缸體和缸蓋,但鑄鐵仍在部分要求高強高耐性的場合使用。近年來,新型Al-Si-Cu-Mg-Fe系合金的開發(fā)及相應(yīng)鑄造技術(shù)的發(fā)展,使鋁合金鑄件達到更高性能,進一步推動了鋁合金在發(fā)動機部件(包括柴油發(fā)動機)上的應(yīng)用。

  缸體缸蓋的鑄造方法也較為多樣,常見的有重力鑄造、低壓鑄造等。此外,鑄造鋁合金在減震器支架、電動車電池包、結(jié)構(gòu)箱體等結(jié)構(gòu)件得到大量應(yīng)用。由于這些部件多為形狀復(fù)雜的薄壁件,故多采用Al-Si合金由高壓鑄造方法制造。


(2)變形鋁合金


  相較于鑄造鋁合金,變形鋁合金在汽車上的平均應(yīng)用份額還較少。達科國際(Ducker Worldwide)的調(diào)查表明,2016年變形鋁合金僅占車用鋁合金的34%(軋制板材18%,擠壓型材11%,鍛壓件5%)。然而在部分采用全鋁車身的高端車型上,變形鋁合金的份額遠遠高于鑄造鋁合金。目前業(yè)內(nèi)對包括全鋁車身技術(shù)在內(nèi)的變形鋁合金的研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)投入較大,其所占比例迅速增大。達科國際(Ducker Worldwide)預(yù)測,由于鋁合金車身技術(shù)的快速發(fā)展,變形鋁合金(特別是軋制板材)在汽車上的應(yīng)用將迎來迅速增長(如圖1所示)。

  車用變形鋁合金主要包括5xxx系(Al-Mg系)、6xxx系(Al-Mg-Si系),以及少量2xxx系(Al-Cg系)、7xxx系(Al-Zn-Mg系)。其中,5xxx系合金不可熱處理強化,成型性能優(yōu)良,但成型后易出現(xiàn)屈服點延長而表面起皺,影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量,因此主要用于內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位。6xxx系合金則可通過Mg、Si的固溶及Mg2Si相的時效析出進行熱處理強化,其涂裝烘干后強度提高,且有較高的抗凹痕性,適用于外板、車身框架等要求強度、剛性的部位。

  除軋制板材,擠壓型材也是重要車用變形鋁合金,一般適用于等截面的結(jié)構(gòu)件,如保險杠、吸能盒、前縱梁前段、門檻、后縱梁后段。中等強度的6xxx因其較高的擠出速率和表面質(zhì)量,以及擠壓過程中的時效硬化特性,是擠壓型材的主要材料。在部分強度要求較高的場合,高強7xxx 系鋁合金也用來生產(chǎn)擠壓型材。同時,為提高抗沖擊強度, 型材斷面多采用“口”、“日”、“目”字形。




車用鋁合金的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向


  鋁合金在汽車輕量化浪潮中發(fā)揮了重要作用,然而也面臨著重要挑戰(zhàn)。實際上,輕量化并不僅僅是要求減重,而是要做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡。目前,車用鋁合金面臨的核心阻力仍然是高昂的成本,這使得全鋁車身的應(yīng)用只能局限于高端車型而暫時無法向數(shù)量龐大的經(jīng)濟車型拓展。鋁合金的性能限制,也是制約其發(fā)展的重要因素。在某些部件上,它仍然無法取代鋼鐵。

  同時,鋁合金的連接技術(shù),尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術(shù)也是鋁合金在汽車上應(yīng)用受阻的一大因素。



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