鋁合金:汽車輕量化的主力
來源:材料人 | 作者:chinacaw | 發布時間: 2020-03-27 | 181 次瀏覽 | 分享到:

由鋁合金相伴的汽車輕量化潮流

 

                                

1. 歐洲汽車平均用鋁量變化

 

如今,“輕量化”這個詞已經由汽車行業的術語發展為媒體新聞里的高頻詞匯。《中國制造2025》中,也已把輕量化當成汽車產業發展的重要方向。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,由于環保和節能要求日趨嚴格,汽車輕量化已成為世界汽車發展的勢不可擋的趨勢。據歐洲鋁業協會報告,汽車質量每降低 100kg,每百公里可節約 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)公布的研究數據表明,歐洲汽車平均用鋁量自1990年已經翻了三倍,由50kg增長到目前的151kg,并將在2025年增長至196kg

 

 

2. 歐洲汽車用鋁(140kg)分布比例

 

目前,汽車輕量化趨勢越來越猛烈,鋁合金在輪轂、發動機、散熱器、 油管等方面的應用非常廣泛。車身質量占汽車總質量的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2016年歐洲車身會議(EuroCarBody 2016)資料顯示,鋁合金應用率已經達部分高端車型白車身(即完成焊接但未涂裝的車身)質量的一半以上。如阿斯頓·馬丁(Aston MartinDB11鋁合金應用率高達86.1%, 第2代本田NSXAcura NSX)達79.0%, 第5代路虎發現(Land Rover Discovery)達62.9%

 

著名咨詢公司達科國際(Ducker Worldwide)的數據顯示,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,只在部分高端車型上得以應用。車身輕量化是目前汽車制造商輕量化發展方面的重要攻關課題。

 

 

3. Aston Martin DB11鋁合金應用分布

 

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%)。

 

 

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、發動機部件、底架、減震器支架以及空間框架等結構件。在汽車工業中,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(業態模鍛)、鍛造或旋壓技術制造。發動機的缸體和缸蓋均要求材料導熱性能好,抗腐蝕能力強,這正是鋁合金的優勢所在。

 

目前大量國內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系合金的開發及相應鑄造技術的發展,使鋁合金鑄件達到更高性能,進一步推動了鋁合金在發動機部件(包括柴油發動機)上的應用。

 

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、結構箱體等結構件得到大量應用。由于這些部件多為形狀復雜的薄壁件,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用份額還較少。達科國際(Ducker Worldwide)的調查表明,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。目前業內對包括全鋁車身技術在內的變形鋁合金的研發與應用技術投入較大,其所占比例迅速增大。達科國際(Ducker Worldwide)預測,由于鋁合金車身技術的快速發展,變形鋁合金(特別是軋制板材)在汽車上的應用將迎來迅速增長(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,成型性能優良,但成型后易出現屈服點延長而表面起皺,影響產品外觀質量,因此主要用于內板等形狀復雜的部位。6xxx系合金則可通過MgSi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構件,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。

 

 

5. 擠壓型材制造的“日”字型吸能盒(左側為碰撞前,右側為碰撞吸能后)

 

車用鋁合金的挑戰與發展方向

 

鋁合金在汽車輕量化浪潮中發揮了重要作用,然而也面臨著重要挑戰。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用只能局限于高端車型而暫時無法向數量龐大的經濟車型拓展。鋁合金的性能限制,也是制約其發展的重要因素。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,尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術也是鋁合金在汽車上應用受阻的一大因素。

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