如今，“輕量化”這個(gè)詞已經(jīng)由汽車行業(yè)的術(shù)語(yǔ)發(fā)展為媒體新聞里的高頻詞匯?！吨袊?guó)制造2025》中，也已把輕量化當(dāng)成汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。簡(jiǎn)單來說，輕量化就是在保證汽車強(qiáng)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(dòng)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(yán)格，汽車輕量化已成為世界汽車發(fā)展的勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)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(jì)70年代第一次第二次石油危機(jī)期間，面對(duì)日益高漲的石油價(jià)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(xiǎn)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(dá)科國(guó)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(zhǎng)到目前的151kg，并將在2025年增長(zhǎng)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(shì)越來越猛烈，鋁合金在輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(duì)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(huì)議（EuroCarBody 2016）資料顯示，鋁合金應(yīng)用率已經(jīng)達(dá)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·馬丁（Aston Martin）DB11鋁合金應(yīng)用率高達(dá)86.1%，第2代本田NSX（Acura NSX）達(dá)79.0%，第5代路虎發(fā)現(xiàn)（Land Rover Discovery）達(dá)62.9%。然而，鋁合金在普通車型車身上的應(yīng)用還偏少。著名咨詢公司達(dá)科國(guó)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(shí)僅為4%。時(shí)至今日，全鋁車身制造依然是一項(xiàng)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(gè)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(zhǎng)為2016年的18%。與此同時(shí)，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(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋均要求材料導(dǎo)熱性能好，抗腐蝕能力強(qiáng)，這正是鋁合金的優(yōu)勢(shì)所在。目前大量國(guó)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(qiáng)高耐性的場(chǎng)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(dá)到更高性能，進(jìn)一步推動(dòng)了鋁合金在發(fā)動(dòng)機(jī)部件（包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)）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(dòng)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(dá)科國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄造鋁合金。目前業(yè)內(nèi)對(duì)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(dá)科國(guó)際（Ducker Worldwide）預(yù)測(cè)，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(zhǎng)（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(qiáng)化，成型性能優(yōu)良，但成型后易出現(xiàn)屈服點(diǎn)延長(zhǎng)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(shí)效析出進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，其涂裝烘干后強(qiáng)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(qiáng)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(xiǎn)杠、吸能盒、前縱梁前段、門檻、后縱梁后段。中等強(qiáng)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(shí)效硬化特性，是擠壓型材的主要材料。在部分強(qiáng)度要求較高的場(chǎng)合，高強(qiáng)7xxx系鋁合金也用來生產(chǎn)擠壓型材。同時(shí)，為提高抗沖擊強(qiáng)度，型材斷面多采用“口”、“日”、“目”字形。

圖5.擠壓型材制造的“日”字型吸能盒（左側(cè)為碰撞前，右側(cè)為碰撞吸能后）

【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(shí)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(shí)無法向數(shù)量龐大的經(jīng)濟(jì)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(shí)，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。奧迪全新A8 D5就“拋棄”了堅(jiān)持了二十余年的全鋁車身，而采用了重量可觀的高強(qiáng)鋼。受此影響，D5車型比上一代車型增重51KG，但車身抗扭剛性大幅提升24%，安全性大幅增強(qiáng)，同時(shí)也大幅降低了成本。

歐盟曾在第六框架計(jì)劃下于2004-2009年組織9個(gè)國(guó)家和地區(qū)的38家單位合作實(shí)施了超輕車身聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目（SuperLight-Car）。該項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，車用鋁合金的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)同時(shí)致力于新型高性能合金和新型生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)。研發(fā)工作還需要整合資源，由汽車制造商牽頭，聯(lián)合原材料、零部件供應(yīng)商及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，共同探索先進(jìn)的輕量化技術(shù)，推動(dòng)車身輕量化相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的建立。

【主要參考資料】

1.Hirsch,J.(2014).Recent development in aluminium for automotive applications.Transactions of Nonferrous Metals Society of China,24(7),1995-2002.

2.Hirsch,J.(2011).Aluminium in innovative light-weight car design.Materials Transactions,52(5),818-824.

3.Lahaye,C.,Hirsch,J.,Bassan,D.,Criqui,B.,Sahr,C.,Goede,M.,&Volkswagen,A.G.(2008).Contribution of aluminium to the multi-material light-weight BIW design of superlight-car[C].In HIRSCH J,SKROTZKI B,GOTTSTEIN G.Proceedings of the 11th International Conference on Aluminium Alloys.Weinheim:WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA(pp.2363-2373).

4.Aluminum Content in Cars.Ducker Worldwide,https://www.ducker.com/

5.Aluminium in cars,unlocking the light-weighting potential.European Aluminium Association,https://www.european-aluminium.eu/

6.Goede,M.,Stehlin,M.,Rafflenbeul,L.,Kopp,G.,&Beeh,E.(2009).Super Light Car–lightweight construction thanks to a multi-material design and function integration,European Transport Research Review,1:5-10.

7.2016歐洲車身會(huì)議(EuroCarBody）資料。