基于鋁合金在汽車零件上應(yīng)用的探究，綜述了鋁材企業(yè)分布、鋁合金成分元素及性能、工藝方面基本概況，統(tǒng)計了鋁材在汽車上的商品化應(yīng)用，特別是在車身上的應(yīng)用現(xiàn)狀，證明了鋁在汽車上應(yīng)用的優(yōu)越性及適用性，并總結(jié)了鋁質(zhì)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(fā)相較外企有待加強，汽車用材多樣化在輕量化領(lǐng)域不斷拓展，但鋁材應(yīng)用仍是主流。

關(guān)鍵詞：鋁合金；汽車零件；連接；輕量化

1 前言

不論是“節(jié)能減排”還是“碳達峰，碳中和”，都是圍繞“環(huán)?！边@一時代主題，汽車輕量化始終是汽車節(jié)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(yè)的重視，汽車不論如何“智能化、網(wǎng)聯(lián)化”，動力的能源形式如何“改變”，包括使用新能源，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(shè)計追求，因此輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用也一直備受青睞，輕質(zhì)材料在汽車上的占比也越來越高。鋁材作為在汽車上應(yīng)用較早較廣的輕質(zhì)材料，鋁有比鋼更輕的質(zhì)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(yōu)選的輕質(zhì)材料之一。

根據(jù)美國鋁業(yè)學會的報告，汽車中每使用1kg鋁，可獲得2.2kg的減重效果[1]，且服役期內(nèi)將減少20kg尾氣排放。對汽車而言，若整車整備質(zhì)量降低10%，燃油經(jīng)濟性可提高6%～8%，尾氣排放將減少5%～6%[2]。鋁合金材料的優(yōu)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(yōu)勢，使鋁合金在汽車上的應(yīng)用范圍越來越廣，從鋁制散熱器、鋁制車輪、鋁發(fā)動機缸體、缸蓋、鋁制底盤轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂，再到鋁發(fā)動機艙蓋、鋁車門、鋁制車身本體等，實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)分布及鋁材產(chǎn)品

2.1 鋁材的產(chǎn)業(yè)分布

性能優(yōu)越的鋁合金隨著其制鋁技術(shù)的提高及應(yīng)用的拓展，鋁產(chǎn)品已滲透到人們生產(chǎn)及生活的各個領(lǐng)域，高性能鋁合金的研發(fā)一直是熱點。在當前電池能量密度水平下，受續(xù)駛里程的壓力，電動汽車的整備質(zhì)量已經(jīng)超出了傳統(tǒng)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(chǎn)及在汽車上的產(chǎn)品應(yīng)用，對全球鋁材的產(chǎn)業(yè)分布進行了調(diào)研與梳理。

2.1.1 全世界主要的鋁產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(chǎn)廠，可為寶馬、奧迪、特斯拉等車企以及在中國的汽車生產(chǎn)企業(yè)供貨，國際上的主要鋁供貨商及世界分布情況見表1。中國鋁材生產(chǎn)企業(yè)也有很多家，也在持續(xù)為汽車行業(yè)發(fā)力，比如忠旺、中鋁、云鋁、西南鋁、南山鋁。

表1 鋁材產(chǎn)業(yè)在世界的分布地點

2.1.2 中國主要鋁材產(chǎn)業(yè)分布

相比而言，中國鋁業(yè)集團有限公司在中國的產(chǎn)業(yè)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(xiàn)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(yè)（集團）有限責任公司，昆明的云南鋁業(yè)股份有限公司等，國內(nèi)的鋁業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)一片欣欣向榮的姿態(tài)。

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(zhì)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(jù)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(tài)，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。

表2 鋁合金的分類、特點及適用范圍

注：√為性能較好；×為性能較差

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(zhì)材料在汽車上的應(yīng)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(yīng)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(zhì)量，因此各大鋁材生產(chǎn)商紛紛研發(fā)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方面進行細致的研究，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是某著名企業(yè)的6系及7系鋁合金成分占比范圍。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(yōu)劣勢，合理的配置能有效提高合金的性能。

圖1 某著名企業(yè)的鋁合金成分元素占比

2.2.3 鋁合金的性能

汽車用鋁需要“按需選材”，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)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(zhì)的效果。就汽車結(jié)構(gòu)部件而言，最受關(guān)注的材料性能是強度和延伸率，對所搜集到的相關(guān)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。

圖2 不同系別的鋁合金性能

3 鋁產(chǎn)品工藝及分類

車用鋁的需求隨著新能源汽車的發(fā)展而加速。與傳統(tǒng)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(fā)高性能鋁材料同時，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。

圖3 鋁合金零件制造工藝

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(jīng)過加熱將其變成鋁合金液體或熔融狀態(tài)后再通過專有模具或相應(yīng)工藝將鋁液或熔融狀態(tài)的鋁合金澆注進型腔，經(jīng)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，適合復雜零件的成形，但鑄造存在氣孔和縮松缺陷[4]，為消除或減少氣孔缺陷，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(yōu)勢、應(yīng)用、特別關(guān)注內(nèi)容及工藝流程見圖4。

圖4 真空壓鑄

技術(shù)瓶頸不斷突破及早期應(yīng)用，推進和拓寬了鋁合金材料在汽車上應(yīng)用范圍，比如2015年奧迪Q7在車身的角接處應(yīng)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(xiàn)今特斯拉推出的一體鑄造技術(shù)，把大型鋁鑄件成功應(yīng)用于車身后部，在車身部件應(yīng)用上顛覆傳統(tǒng)設(shè)計，基本實現(xiàn)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(yīng)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(jīng)過熱處理的底層材料，許用最高強度不高于600 MPa，底層材料伸長率不小于12%；鉚接點間距不可過小，至少應(yīng)大于鉚接點半徑和鉚模半徑之和，或大于30 mm。

圖5 大型鑄件在車身上的實踐

3.2 擠壓鋁

鋁型材是按設(shè)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(chǎn)過程是由調(diào)好合金成分鋁棒材（通常是鑄造成形），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(nèi)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形孔到最終成形端出來，得到所需的形狀，為獲得良好的性能，后續(xù)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(yōu)勢、特別關(guān)注內(nèi)容及工藝見圖6。

圖6 鋁型材

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(lián)鋁業(yè)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(yīng)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，以提升板料強度性能。鋁合金沖壓件具有可塑性好、加工性好、生產(chǎn)效率高、沖壓操作簡單、沖壓尺寸和精度高的優(yōu)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。

圖7 鋁板材沖壓的劣勢及特別關(guān)注內(nèi)容

沖壓加工的三要素為板料、模具和設(shè)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(shù)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(chǎn)品的回彈率。其工藝流程圖見圖8。

圖8 沖壓工藝流程

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

4 鋁合金在車身上的應(yīng)用

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

根據(jù)車身不同部位的不同要求，選用不同系別的鋁合金，統(tǒng)計結(jié)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。

表3 不同鋁合金在車身部件中的應(yīng)用頻次

注：e為擠壓鋁；e7為7系擠壓鋁；e6為6系擠壓鋁；c為鑄鋁；ch為高壓鑄鋁；cl為低壓鑄鋁，參照歐洲車身年會2016年前擠壓鋁和鑄鋁未細分鋁系別。

出于熱膨冷縮基本相同的考量，總成的內(nèi)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(nèi)外板都是鋁板，表3中內(nèi)外件數(shù)的差異是有單件和內(nèi)外板是兩種材料的特例，若用不同的材質(zhì)，設(shè)計結(jié)構(gòu)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(nèi)板；謳歌NSX的行李箱蓋外板是熱固性塑料，內(nèi)板是鋁合金板；奔馳S-Class的外板是鋁合金板，而內(nèi)板是高強鋼板，雷克薩斯及LC Convertible的外板都是鋁合金板，內(nèi)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(chǎn)品看，在輕質(zhì)材料的應(yīng)用中，鋁合金當屬最多，其它輕質(zhì)材料較少。從這可以觀察到目前階段汽車輕量化用材發(fā)展是仍以鋁合金為主，其他材料為輔的多材料優(yōu)勢互補的應(yīng)用。

5 連接技術(shù)

為適應(yīng)輕量化的需求，鋁合金及更輕質(zhì)的鎂合金、碳纖維復合材料等在車身上的應(yīng)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(yīng)用所引發(fā)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(jù)相關(guān)資料的內(nèi)容，整理鋁材與其它材料的常用連接方式如表4所示。

表4 車身零部件連接

注：圖中的灰色及圓圖形分別表示從中國汽車材料網(wǎng)及歐洲車身年會會議資料中總結(jié)的同異種材料的應(yīng)用類型

連接方式的選擇是依據(jù)材料本身的性質(zhì)的，同種材料之間的連接因熱膨脹系數(shù)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(shù)不同，材料收縮率不一樣，從而產(chǎn)生焊縫及殘余應(yīng)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(jié)論

以節(jié)能減排為目標的汽車輕量化進程不斷加快，也促使鋁合金應(yīng)用越來越廣泛，通過調(diào)研與分析得出結(jié)論如下：

a.汽車用鋁量會進一步提升，中國鋁業(yè)能夠較好地滿足需求，但在高性能鋁的研發(fā)上較外企仍有一定差距；

b.高性能鋁研發(fā)已成為熱點，伴隨而來的制備工藝也得到了進一步改進與發(fā)展，主要體現(xiàn)在新技術(shù)引入傳統(tǒng)工藝中；

c.在車身應(yīng)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；

d.傳統(tǒng)的鋼制車身基本是用點焊，有輕質(zhì)材料加入后，出現(xiàn)了異種材料連接的多種方法，比如鋼鋁有鉚接，攪拌摩擦焊接和粘接等多種方式；

e.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(yīng)用將迎來新的挑戰(zhàn)與約束，低碳排放鋁合金材料研發(fā)與應(yīng)用將是重要發(fā)展趨勢。

參考文獻：

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[2]鄭暉,趙曦雅.汽車輕量化及鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù),2016,41(2):1-6.

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資料來源：期刊（汽車材料與工藝）

作者：倪煬1，董學鋒2（1.大連理工大學工程力學系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室；2.浙江合眾新能源汽車有限公司）