鋁合金車身板材在汽車輕量化中的應(yīng)用

王鴻波，何昌協(xié)

（河南同人鋁業(yè)有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472100）

中國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，在促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展和給人民生活帶來方便的同時(shí)，油耗帶來的資源消費(fèi)問題和尾氣排放帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。隨著節(jié)能減排的大力推行，加之環(huán)保政策力度的進(jìn)一步加強(qiáng)，2016年底至2017年上半年持續(xù)放緩的汽車輕量化推進(jìn)有了回升的態(tài)勢(shì)。之前受阻于車用鋁材成本高昂的汽車輕量化，在政策扶持、大環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)的雙重驅(qū)動(dòng)下重新成為了汽車行業(yè)的焦點(diǎn)。

新能源汽車的全面推廣為汽車輕量化的發(fā)展增加了動(dòng)力，新能源汽車?yán)m(xù)航里程對(duì)輕量化車身的需求愈加強(qiáng)烈。按照目前的生產(chǎn)制造水平，純電動(dòng)汽車每增加1km駛程需增加電池重量1kg，這就意味著如果汽車行駛里程200km,電池重量就需200kg。

1 汽車輕量化的意義

汽車輕量化是在降低汽車的整備質(zhì)量的同時(shí)保證汽車的強(qiáng)度和安全性能，并且提供汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車在達(dá)到輕量化之后，能夠節(jié)油、減排、提升駕駛樂趣。

（1）減重提效、節(jié)約油耗和降低尾氣排量。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，汽車重量每降低10%，燃油效率可提高6%~8%；滾動(dòng)阻力每減小10%，燃油效率可提高3%；車橋、變速器等裝置的輕量化也能夠提高傳動(dòng)效率，進(jìn)而提高燃油效率。

（2）提高汽車的行駛和安全性能。在駕駛方面，汽車輕量化后其加速性能和制動(dòng)性能將得到提高，有美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告指出：汽車重量每減輕25%，使汽車加速到96.56km/h所用時(shí)間從原來的10s減少到6s[1]；汽車質(zhì)量的減輕使汽車在較低牽引負(fù)荷下能夠表現(xiàn)出良好的性能。

（3）提高新能源汽車的續(xù)航里程。新能源汽車輕量化的途徑主要包括車身輕量化、電池輕量化、零部件輕量化和電驅(qū)傳動(dòng)輕量化等。新型輕質(zhì)材料在輕量化進(jìn)程中顯得越來越重要。目前可用來減輕汽車重量的新型材料主要有以下兩類：一種是高強(qiáng)度鋼，另外一種是輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料、碳纖維等。高強(qiáng)度鋼主要是通過減薄鋼板厚度來實(shí)現(xiàn)輕量化，這就導(dǎo)致其在汽車減重上存在瓶頸，即到達(dá)一定程度時(shí)，高強(qiáng)度鋼無法滿足輕量化要求。

在能源緊缺和環(huán)境污染嚴(yán)重的形勢(shì)下，新能源汽車的研發(fā)已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。純電動(dòng)汽車是目前最有價(jià)值大規(guī)模推廣應(yīng)用的產(chǎn)品。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，整備質(zhì)量每減少100kg，增加續(xù)航里程可增加10%，電池成本可節(jié)約15%到20%。汽車輕量化可以幫助新能源汽車增加續(xù)航里程和降低成本。根據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)調(diào)查，如果在新能源汽車上使用輕量化技術(shù)，車身減重10%，電耗下降5.5%，續(xù)航里程可增加5.5%。在相同續(xù)航里程情況下，盡管全鋁車身成本較高，但由于節(jié)約電池成本，使全鋁電動(dòng)車更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。如大眾Golf電動(dòng)車通過采用全鋁車身不僅可以減重187kg，因此，通過輕量化來提高能量使用效率對(duì)電動(dòng)汽車來講尤為重要。

2 鋁合金材料的特點(diǎn)及性能優(yōu)勢(shì)

鋁合金是地殼中含量最多的金屬元素，它具有一系列的優(yōu)良性能，比如低密度、高比強(qiáng)度、良好的成形性能及工藝性能等，更重要的是鋁合金的回收再利用性非常好，具有較高的回收率。低密度讓鋁合金比合金鋼更具優(yōu)勢(shì)。鋁合金在強(qiáng)度和剛度方面明顯要低于鋼板，但是鋁合金可以通過加厚和優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高強(qiáng)度和剛度，最終達(dá)到與鋼板一樣的水平。由于鋁合金的密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼鐵，所以即使增加厚度，鋁合金構(gòu)件的減重效果仍然非常明顯。數(shù)據(jù)資料顯示，同剛度下，鋁合金減重效果可達(dá)50%。

目前，隨著汽車保有量的不斷增加和人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，報(bào)廢汽車的回收和再生越來越受到關(guān)注。鋁制品的性能優(yōu)勢(shì)決定了鋁具有較高的回收價(jià)值率，可達(dá)到80%左右，并且鋁材是對(duì)環(huán)境完全無害的綠色材料。優(yōu)越的性能決定了鋁合金材料在汽車輕量化領(lǐng)域中的重要地位。

3 鋁合金車身板材在現(xiàn)代化汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 汽車用鋁合金車身板應(yīng)用現(xiàn)狀

鋁合金在車身上的應(yīng)用是從發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李箱蓋開始，由于鋁合金輕量化效果明顯，并具有質(zhì)量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)、耐用性好及減少行人撞擊傷害等顯著優(yōu)點(diǎn)，促使鋁合金在車身上的應(yīng)用逐步擴(kuò)大。用于汽車車身板的鋁合金主要有2000系、5000系、6000系、7000系合金。其中5000系、6000系最適合代替鋼板；5000系（Al-Mg）是熱處理不可強(qiáng)化合金，通過Mg元素產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)，使其成形性和抗腐蝕性能提高，但該系合金只能采用加工硬化方式來提高強(qiáng)度。使用狀態(tài)多為退火態(tài)，常用于汽車內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)蓋板。該系合金能在淬火后較低屈服狀態(tài)下供貨，具有良好的沖壓性能，并能在最終的烤漆處理中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，適用于外板等強(qiáng)度、剛度要求高的部位，主要用于汽車外覆蓋件。目前使用較多的6000系合金主要有AA6111、AA6022（北美車企使用），AA6016（歐洲車企使用），AA6016、AA6022、AA6111（日本車企使用）[2]。國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況例如，江淮汽車車身用鋁板包含5182和6106鋁合金，它們分別用于發(fā)蓋內(nèi)板和發(fā)蓋外板，厚度分別為1.0mm和1.2mm。

中國(guó)忠旺鋁業(yè)為長(zhǎng)城華冠純電動(dòng)跑車前途K50提供車身用鋁，前途K50采用全鋁骨架車身結(jié)構(gòu)。2016年11月，中國(guó)忠旺參與設(shè)計(jì)制造的奇瑞新能源純電動(dòng)車S51已經(jīng)正式上市，成為國(guó)內(nèi)自主品牌中第一個(gè)實(shí)現(xiàn)全鋁車身化的車型。明泰鋁業(yè)生產(chǎn)的5052鋁合金主要應(yīng)用于轎車車門，其性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在塑性高、耐腐蝕性強(qiáng)和表面質(zhì)量?jī)?yōu)異等特點(diǎn)。蔚來ES8成為國(guó)內(nèi)首個(gè)獨(dú)立研發(fā)量產(chǎn)的輕量化全鋁車身平臺(tái)。ES8全鋁車身上鋁材的使用率高達(dá)96.4%，成為全球量產(chǎn)的全鋁車身中鋁材應(yīng)用量比例最高的車型。

3.2 鋁合金材料在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用所存在的障礙

經(jīng)過對(duì)鋁合金材料不斷研究，在汽車制造過程中其使用量明顯增加，但與鋼的用量相比還存在一定的差距，阻礙鋁材質(zhì)應(yīng)用推廣的主要因素有以下幾點(diǎn)[3]：

（1）鋁材具有較高的生產(chǎn)成本；

（2）增加使用維修成本。在使用過程中若鋁合金車身遇到損壞，需要更高的專業(yè)化技能和裝備維修水平，甚至需要更換受損的零部件，這些都增加了用戶的使用維修成本。

（3）鋁材技術(shù)工藝研究不深入，需增加研發(fā)費(fèi)用。若使用鋁合金板材代替鋼板，汽車或汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)勢(shì)必要進(jìn)行新的生產(chǎn)工藝和流程的研發(fā)，需大量資金投入。而且新產(chǎn)品的批量生產(chǎn)還需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，必要時(shí)可能還要更換企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備、模具等，同時(shí)采用一套全新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這樣會(huì)使車企風(fēng)險(xiǎn)和成本增加，導(dǎo)致在制作鋁車身初期，效率降低，且產(chǎn)品質(zhì)量和精度也難以保證。

4 鋁合金車身板材的生產(chǎn)工藝介紹

鋁合金車身板的抗時(shí)效穩(wěn)定性、成形性、表面處理技術(shù)和烘烤硬化性等特性是影響板材力學(xué)性能和工藝性能的關(guān)鍵因素，因而這些性能在板材生產(chǎn)加工過程中會(huì)受到重點(diǎn)關(guān)注。鋁合金車身板的生產(chǎn)工藝流程主要包括以下工序：熔鑄→熱軋→冷軋→熱處理（淬火/退火），如下圖所示。

下述流程中，車身外板的性能是否達(dá)標(biāo)主要取決于連續(xù)固溶熱處理工序的控制。

圖1 汽車車身用鋁合金板主要生產(chǎn)工藝流程圖

根據(jù)合金品種，固溶處理加熱速度、固溶溫度、保溫時(shí)間、溫控精度和冷卻方式均有嚴(yán)格要求，尤其要求固溶保溫完成后要迅速立即進(jìn)行淬火冷卻。冷卻方式主要有兩種水冷和空冷，一般來說，車身外板6xxx系鋁合金采用水冷，車身內(nèi)板5xxx系鋁合金采用空冷，也有部分6xxx系鋁合金采用空冷。車身內(nèi)板的性能是否達(dá)標(biāo)主要取決于連續(xù)退火熱處理工序。鈍化處理后，經(jīng)過輥涂或噴涂的鋁卷具有優(yōu)良的表面層，有利于吸附潤(rùn)滑劑，更好地保證汽車生產(chǎn)廠商板材沖壓成型；鈍化處理另一作用增強(qiáng)了鋁卷粘合強(qiáng)度，提高了漆層的穩(wěn)定性。

5 我國(guó)汽車輕量化發(fā)展所面臨的主要難題

目前我國(guó)汽車輕量化技術(shù)在理論研究方面和實(shí)際應(yīng)用方面均與國(guó)外存在明顯差距，技術(shù)發(fā)展面臨如下難題。

（1）輕量化技術(shù)的研究是綜合多學(xué)科知識(shí)體系所進(jìn)行的系統(tǒng)性、創(chuàng)新性的應(yīng)用研究，切忌只注重某單項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。

（2）汽車輕量化技術(shù)涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，其關(guān)鍵、核心技術(shù)的研發(fā)突破必須要由國(guó)家級(jí)的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署，然而目前此類機(jī)構(gòu)尚未建立。

（3）產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密，基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究未能很好地銜接起來，技術(shù)人才缺乏，工藝技術(shù)水平落后。

6 結(jié)語(yǔ)

汽車減重顯然能帶來很多的好處，但從目前市場(chǎng)表現(xiàn)來看，我國(guó)的輕量化技術(shù)起步較晚，缺乏經(jīng)驗(yàn)，仍未建立起完善的產(chǎn)業(yè)鏈。在汽車輕量化之路上，仍然面臨著眾多難題。

當(dāng)前，隨著新能源汽車的發(fā)展，輕量化更是重中之重。鋁合金材料以其自身優(yōu)勢(shì)必將在汽車輕量化發(fā)展中發(fā)揮重要作用。作為鋁加工企業(yè)，應(yīng)將汽車用鋁合金板的生產(chǎn)成本作為關(guān)注焦點(diǎn)，重點(diǎn)從生產(chǎn)工藝、設(shè)備和管理等多角度制定降低成本措施，為鋁板材的大批量生產(chǎn)與應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

[1]王祝堂，張新華.汽車用鋁合金[J].輕合金加工技術(shù)，2011,39（2）：1-13.

[2]張毅，連昌偉.鋁板在車身覆蓋件沖壓生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)[J].鍛壓技術(shù)，2015,1（40）：48-51.

[3]王茵，張海文.金屬基復(fù)合材料在汽車工業(yè)上的應(yīng)用[J].貴陽(yáng)金筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（2）：120-122.