【輕質材料】熱成形來勢洶洶，鋁合金還是汽車輕量化的未來材料嗎

06-22

從印度人首次以鋁合金為材料製作了汽車曲軸箱，到1999年奧迪首次量產全鋁轎車，鋁合金以其密度小、比強度和比剛度較高、彈性好、抗衝擊性能好和相當高的再回收率、再生率等一系列優點，使其在汽車上的應用得到了蓬勃的發展，到2015年鋁合金在汽車上的應用比例已經達到了35%以上。

然而隨著熱成形高強鋼技術的發展，一直以全鋁車身為宣傳的奧迪A8宣布放棄全鋁車身的研發，未來將應用更多的高強鋼在車身上；無獨有偶，對整車重量更為敏感的純電動汽車廠商-特斯拉也表示其後續車型會加大超高強鋼的使用量，進一步降低成本，這是否意味著鋁合金從成本和重量兩方面都喪失了對高強鋼的優勢，那麼鋁合金還是下一代車身輕量化材料的首選嗎？

圖1 新一代奧迪A8在門檻和B柱上採用超高強鋼

應用歷史

近50年，鋁合金在汽車上的單車用量如圖2所示。

圖2 近50年車用鋁合金用量

目前，鋁合金已成為汽車製造中用量僅次於鋼材和鑄鐵的材料。在整車中，質量較大的組件為動力系統、底盤系統以及車身，這3大系統的總質量達到整車質量的80%以上，其中車身質量佔比超過25%。鋁合金在汽車上的應用也主要集中在車身、動力總成、懸架與底盤等系統。

圖3 鋁合金在汽車上的應用

國內外車身上使用鋁合金的主要汽車品牌都已經嘗試在車身上應用鋁合金，目前以覆蓋件為主；在車身結構件上大量使用鋁板的車型目前只有少數豪華車和超跑。

圖4 使用鋁合金的主要汽車品牌

奧迪全鋁車身技術將逐步下探到中高端車型；通用未來將重點推廣鋁合金在車身上的應用，並且逐漸從凱迪拉克高端車型平台下探到英朗等經濟適用車型。

圖5 鋁合金在車身上的應用

在新能源汽車領域，鋁合金的用途也非常廣泛，純電動車替代燃油車後，電池取代發動機成為動力來源。對於之前的燃油車，發動機的缸體有14kg，而一個電池包殼體的重量為15-20kg，並且，新能源汽車的後副車架、減震塔等零件對鋁合金的需求也會逐漸上來。所以，新能源汽車上用的鋁合金件並不會比傳統燃油車要少。

圖6 蔚來ES8車身上的鋁製衝壓件

分類介紹

車用鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。其簡要工藝介紹和應用情況見表1所示。

表1 鋁合金分類及應用

鑄造鋁合金約佔汽車用鋁量的80%，可用於製造發動機零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件；變形鋁合金(鍛造鋁合金和鋁合金板材)在車身零件及結構件的應用方面也發展較快，主要應用於發動機蓋、翼子板、保險杠、車廂底板結構件、熱交換器、車輪以及車身骨架等。

圖7 鋁合金減震塔輕量化效果

圖8 鋁合金鑄造減震塔實物

變形鋁合金是經熔煉鑄成鋁錠後，再經過熱擠壓加工成各種型材、棒材、管材和板材。目前鋁合金的分類是根據日本的JISH4000標準，將鋁合金從1000-7000進行分類，用於汽車車身鈑金的鋁合金主要有2000系列、5000系列和6000系列，其中5038和5183的應用最為廣泛。

表2 常用變形鋁合金牌號及用途

2000系合金屬於Al-Cu-Mg系，是一種熱處理可強化的鋁合金，其具有優良的鍛造性、較高的強度和良好的焊接性能，強化相為CuMgAl2和CuAl2。2000系鋁合金由於表面質量較好，所以在車身覆蓋上應用比較廣泛，但是由於2000系鋁合金的抗腐蝕性相對於其他鋁合金都要差，容易發生應力腐蝕開裂、點蝕和剝落腐蝕等，這也限制了2000系在車身板材上的進一步發展。

5000系合金中Mg是主要的合金元素，固溶於鋁基體中，形成固溶強化效應，是一種熱處理不可強化的鋁合金。5000系鋁合金板材通常應用於強度要求不高，形狀複雜，對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板等。

圖9 5系與6系鋁合金機蓋

6000系合金中主要的合金元素是Mg和Si，並形成Mg2Si相，屬於熱處理可強化鋁合金。Al-Mg-Si合金具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性。與鋼板相比，6000系-T4態板材的屈服強度和抗拉強度相近，硬化係數n值甚至超過鋼板。6000系一般應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件，由於6000系鋁合金的成型性能相對不高，所以在形狀複雜的部位應用較少。

圖10 5000系鋁合金與6000系鋁合金對比

汽車上用的鋁合金，除了常用的2系、5系和6系，最近，還有車企將7系鋁合金用於汽車製造。7系鋁合金以鋅為主，有時要添加少量鎂、銅。其中超硬鋁合金就是含有鋅、鉛、鎂和銅合金，媲美鋼材的硬度。擠壓速度較6系合金慢，焊接性能好。7005和7075是7系中的最高檔次，可熱處理強化。應用範圍：航空方面（飛機承力構件、起落架）、火箭，螺旋槳，航空飛船。

圖11 溫成形7系鋁合金B柱加強板

應用瓶頸

雖然近幾十年來，鋁合金在車身上的用量明顯增加，但是與汽車鋼板用量相比還是有非常明顯的差距，制約鋁合金在汽車上發展的主要因素有：

（1）原料成本。以西方國家大批量生產的6011和6016鋁合金汽車覆蓋件板材的市場價格約為每噸38000元左右，而汽車鋼材的市場價格僅為每噸8000元左右，去除密度的差異，鋁合金的材料成本任然要比鋼材高出很多。

（2）鋁合金的力學性能低於鋼材。由下圖可知，鋁合金的強度和延展性甚至比大部分的第一代高強度還低，加上最近第三代高強鋼的興起，進一步壓榨了鋁合金在車身結構件上的發展。

圖12 近50年車用鋁合金用量

（3）研發、生產投入大。如果大量採用鋁合金來代替普通鋼板的話，汽車生產企業不僅需要大量的費用來重新設計和驗證現有的標準和體系，同時企業現有的衝壓、焊裝等工藝都得進行大幅度的調整，甚至需要更換現有的產線等，這都極大的增加了企業的風險和成本，這也是制約鋁合金材料在車身上進一步發展的關鍵因素。

總結

新材料的應用是汽車實現輕量化的關鍵，為實現汽車輕量化目標，世界各大汽車主機廠和材料廠家一直致力於輕量化材料的研發。輕量化材料的使用，可以大大減輕汽車自重，提高汽車的燃油經濟性。

本文對鋁合金在汽車上應用的各方面情況作了簡單介紹，目前鋁合金在應用中主要存在3個問題：鋁合金的普及率不高、成本較現有方案高和部分應用問題尚未解決。

小編看來，隨著鋁製件的工藝完善並投入實車應用，車用鋁合金技術的逐漸成熟，各種結構、工藝的研究，量變必將引起質變，鋁合金的大量使用指日可待！對鋁車身及鋁合金零件的研究是我們鋼鋁混合車身的必經之路。

期經典回顧

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【輕質材料】汽車輕量化，路在何方？

◆【結構優化】自然界的輕量化

◆【成形工藝】我要學熱成形-生產流程

1.以上為【汽車輕量化技術】公眾號的LOGO，其對汽車輕量化的四大方法做了簡單闡述，分別為結構優化、輕質材料、成形工藝及先進連接技術的應用。

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