鋁合金在汽車(chē)中的應(yīng)用分析、研發(fā)對(duì)策及市場(chǎng)預(yù)測(cè)

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖和能源問(wèn)題的日益突出，各國(guó)政府均要求汽車(chē)制造企業(yè)降低產(chǎn)品能耗、減少污染、提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。而要改善汽車(chē)的上述性能，關(guān)鍵是減輕汽車(chē)本身的質(zhì)量。

有數(shù)據(jù)表明：汽車(chē)自重每降低100 kg，油耗就可以減少0.7 L/km。因此，最大限度地減輕汽車(chē)的自重也就成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。



而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的途徑有：小型化，發(fā)展小排量汽車(chē)；結(jié)構(gòu)的合理化，汽車(chē)及零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
輕量化材料的應(yīng)用，即使用輕量化材料來(lái)代替目前使用最多的鋼鐵材料。



我國(guó)汽車(chē)輕量化相關(guān)政策


近年來(lái)汽車(chē)用鋼材的占有量不斷下降，鋁、鎂等輕合金及塑料、復(fù)合材料的應(yīng)用大幅增加。與汽車(chē)用鋼鐵材料相比，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度較高、彈性好、抗沖擊性能好和相當(dāng)高的再回收率、再生率等一系列優(yōu)良特征，因此受到了人們的普遍關(guān)注。未來(lái)轎車(chē)上的每一個(gè)零件都有可能用鋁合金生產(chǎn)，10～15年后會(huì)有越來(lái)越多的鋁合金用于汽車(chē)，而且鋁合金制品完全可能比塑料還輕。



Rolls-Royce推出的一款轎車(chē)，其車(chē)身框架全部用鋁合金制成，是迄今為止在轎車(chē)上用量最大的鋁合金整體結(jié)構(gòu)。雖然鎂合金的密度更小，僅為鋁的2/3，意大利FIAT公司也成功開(kāi)發(fā)鎂合金使汽車(chē)部件減輕25%，但考慮到鎂合金存在易腐蝕、強(qiáng)度相對(duì)較低、高溫蠕變抗力較差及價(jià)格等綜合因素，鋁合金無(wú)疑是現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)材料。



鋁合金材料在汽車(chē)上的應(yīng)用概況

作為鋼和鐵替代材料的首選金屬是鋁，這是因?yàn)殇X的密度只有鋼或鐵的1/3，用在汽車(chē)上可以將同樣鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減小一半，而且它永不生銹。表1列出了鋁合金的部分特點(diǎn)及其在汽車(chē)上的部分應(yīng)用情況，而幾種主要零部件所選用的鋁合金牌號(hào)及鑄造工藝如表2所列。



汽車(chē)用鋁優(yōu)勢(shì)



表1 鋁合金的優(yōu)點(diǎn)及其在汽車(chē)上的部分用途



表2 幾種部件所選用的的鋁合金牌號(hào)

車(chē)身板用鋁合金



汽車(chē)車(chē)身是汽車(chē)中用材量及質(zhì)量最大的部件，約占汽車(chē)總質(zhì)量的30%，所以汽車(chē)車(chē)身的輕量化對(duì)于減輕汽車(chē)自重具有重要的意義。用于汽車(chē)車(chē)身板的鋁合金主要有2000系、5000系和6000系合金。



2000系合金屬于Al-Cu-Mg系，是一種熱處理可強(qiáng)化的鋁合金，其具有優(yōu)良的鍛造性、較高的強(qiáng)度和良好的焊接性能，強(qiáng)化相為CuMgAl2和CuAl2。

5000系合金中Mg是主要的合金元素，固溶于鋁基體中，形成固溶強(qiáng)化效應(yīng)，是一種熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金。

6000系合金中主要的合金元素是Mg和Si，并形成Mg2Si相，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金。Al-Mg-Si合金具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性和優(yōu)良的耐腐蝕性。與鋼板相比，6000系-T4態(tài)板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相近，硬化系數(shù)n值甚至超過(guò)鋼板。

這種復(fù)雜斷面形狀的鋁合金型材，不僅具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和抗沖擊性好等特點(diǎn)，而且具有很好的擠壓成形性能，容易制作，所以在汽車(chē)上將得到廣泛應(yīng)用。

車(chē)身框架和保險(xiǎn)杠用鋁合金



目前，世界各國(guó)都在積極推進(jìn)車(chē)身、車(chē)體主要部件的鋁材化，奧迪公司更是推出了全鋁概念車(chē)。該概念車(chē)用鋁合金作汽車(chē)車(chē)身框架和保險(xiǎn)杠，能有效減輕車(chē)體質(zhì)量30%～40%，并與鋼鐵制件具有同等的抗沖擊強(qiáng)度。

汽車(chē)空調(diào)用鋁合金

汽車(chē)空調(diào)的冷凝及散熱系統(tǒng)，如壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和各種配管等都要求材料具有良好的焊接性能，易于成形，抗腐蝕性能好，強(qiáng)度高及導(dǎo)熱好等特點(diǎn)。而鋁合金在這方面的性能均優(yōu)于現(xiàn)行采用的銅合金，并且鋁散熱器的質(zhì)量比銅低37%～45%，所以鋁合金正在逐步用于汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)。

車(chē)輪用鋁合金



目前國(guó)外鋁合金車(chē)輪的使用率已經(jīng)達(dá)到80%以上。鋁合金車(chē)輪主要采用重力鑄造、低壓鑄造等方法生產(chǎn)，但隨著對(duì)輕量化的更高要求，用鋁合金板材進(jìn)行沖壓加工、旋壓加工，來(lái)制造整體車(chē)輪和兩部分組合車(chē)輪的工藝日益用于生產(chǎn)實(shí)際。

發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體和氣缸蓋均要求材料導(dǎo)熱性能好、抗腐蝕性能高，而鋁合金在這方面具有非常突出的優(yōu)勢(shì)。



目前很多汽車(chē)公司生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體和氣缸蓋已經(jīng)采用了全鋁型，如美國(guó)通用汽車(chē)公司已采用全鋁氣缸套；法國(guó)汽車(chē)的鋁氣缸套已經(jīng)達(dá)100%，鋁氣缸體達(dá)45%；日本日產(chǎn)公司VQ和豐田公司的凌志IMZ-FEV 6均采用了鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼，同時(shí)某些汽車(chē)制造公司生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞、活塞環(huán)、連桿等均采用了鋁鑄件。

鋁合金研發(fā)對(duì)策及市場(chǎng)預(yù)測(cè)

研發(fā)對(duì)策
加大對(duì)汽車(chē)用鋁研究，發(fā)達(dá)國(guó)家鋁消費(fèi)量的18%應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，平均每輛汽車(chē)用鋁140 kg，并正以每年20%～30%的速度遞增。隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)與世界的接軌，中國(guó)已成為世界第5大汽車(chē)工業(yè)國(guó)，但我國(guó)目前汽車(chē)的鋁化率還比較低。

其中紅旗車(chē)的用鋁量最多，有110 kg/輛(含40 kg輪轂)，但還僅相當(dāng)于日本80年代中期水平，而一般轎車(chē)單車(chē)用鋁量?jī)H為40～50 kg左右，平均鋁化率不超過(guò)4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家。因此我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)必須瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，對(duì)汽車(chē)用鋁合金的性能和生產(chǎn)工藝進(jìn)行更深入的研究開(kāi)發(fā)。

材料國(guó)產(chǎn)化研究的投入，并整合目前比較分散的科研力量。
汽車(chē)制造業(yè)與鋁加工業(yè)應(yīng)通力合作，相互支持，共同研發(fā)。
系統(tǒng)研究鋁合金材料的成分、顯微組織、力學(xué)性能與沖壓性能之間的關(guān)系；尤其是加大對(duì)汽車(chē)車(chē)身板材用鋁合金的研究力度，通過(guò)優(yōu)化合金成分、熱處理工藝和加工工藝來(lái)開(kāi)發(fā)與鋼板的成形性及烤漆硬化性能相同的板材。
充分研究鋁合金的焊接性能，并開(kāi)發(fā)能提高鋁與鋼鐵的焊接性能的合金材料。
應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料制備工藝與性能間復(fù)雜非線性關(guān)系的擬合和預(yù)測(cè)，進(jìn)一步優(yōu)化汽車(chē)用鋁板、鋁帶和鋁型材的加工工藝。
充分研究鋁合金的安全環(huán)保和回收等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)再生利用技術(shù)。
開(kāi)發(fā)新型的汽車(chē)用鋁合金，如Al-Li合金、超塑性鋁合金、顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料等。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)

資料顯示，在構(gòu)成新能源汽車(chē)的2萬(wàn)多個(gè)零件中約86%為金屬材料。以TeslaModelS為例，汽車(chē)凈重2108 kg，可以通過(guò)使用輕金屬來(lái)減輕汽車(chē)自重，假設(shè)汽車(chē)鋁化率達(dá)到30%以上，預(yù)期每輛新能源汽車(chē)用鋁量630 Kg，則2020年新能源汽車(chē)用鋁約達(dá)到120萬(wàn)噸。未來(lái)五年，總體汽車(chē)用鋁量平穩(wěn)上漲，預(yù)期2020年達(dá)到521萬(wàn)噸，汽車(chē)用鋁需求爆發(fā)。



我國(guó)汽車(chē)用鋁 2020年將達(dá)到 520萬(wàn)噸

從高速、舒適、美觀、耐用、輕量化、節(jié)能、保護(hù)環(huán)境、降低綜合成本等綜合性能方面來(lái)看，鋁合金無(wú)疑是汽車(chē)工業(yè)現(xiàn)代化和輕量化的首選材料，世界許多國(guó)家都在致力于汽車(chē)用鋁合金的研究。
汽車(chē)工業(yè)作為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，今后幾十年都將得到持續(xù)高速發(fā)展，研制高性能汽車(chē)用鋁合金對(duì)提高我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有舉足輕重的作用，同時(shí)也將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。