輕質合金在汽車輕量化中的應用

楊甄鑫,廖抒華

(廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西柳州 545006)

0 引言

2019年,我國汽車產銷分別完成2 572.1萬輛和2 576.9萬輛,產銷量繼續蟬聯全球第一。汽車產量和保有量的不斷增加，帶來了能源、環境等一系列問題。有關研究表明，燃油汽車的質量每減少10%，燃油經濟性可提高8%～10%，同時尾氣的排放也會明顯降低；純電動汽車整車質量降低10 kg，續航里程可增加2.5 km。汽車輕量化可以減少燃油消耗，降低空氣污染，是實現汽車節能減排的有效措施。實現汽車輕量化主要有3種途徑：使用輕量化材料、結構優化設計和制造工藝輕量化，在“中國制造2025”對汽車輕量化的需求中，強調汽車輕量化重點工作領域包含推廣應用高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑料及非金屬復合材料等整車輕量化材料和車身輕量化、底盤輕量化、動力系統以及核心部件的輕量化設計。由此可見，對輕量化材料的研究在汽車輕量化工作領域中具有重要意義。鋼材是汽車上應用最廣泛的材料，為了滿足輕量化的要求也在一直改進，向著高強塑積(強度與延伸率的乘積)、輕量化方向發展[1]，但與采用輕質合金材料制造的零部件相比，減重效果仍有很大差距。一般來說，輕量化材料的應用可以在保持甚至提高車輛的安全性、可靠性、靈活性、剛度以及經濟性的同時，有效地實現減重[2]。輕質合金的特性剛好滿足了這一要求，是實現汽車輕量化的有效方法。本文作者將分別從輕質合金的特性、在汽車中的應用、現存問題三方面進行探討，最后提出了我國輕質合金在汽車輕量化中的發展建議。

1 鋁合金

1.1 鋁合金的特性

鋁合金的密度為2.68 g/cm3，常加入的合金元素有銅、鎂、鋅、硅，質量僅為鋼的30%，同時還具有較高的比強度(強度/密度)，在同樣剛度和強度的設計準則下，鋁合金材料的使用可以有效減輕汽車的質量。同時，相比于鋼，鋁合金的熱導率更高，并且具有良好的抗腐蝕性。鋁合金吸收碰撞能的能力要遠高于鋼材料，極大地提高了汽車的安全性，在使用失效后還可回收循環利用，屬于綠色的環保材料。

1.2 鋁合金在汽車輕量化中的應用

作為汽車用的第二大材料，隨著鋁合金材料的技術和工藝不斷發展，在2025年汽車的用鋁量將達到196 kg/車(乘用車)[3]。

1.2.1 鋁合金鑄造件的應用

鑄造鋁合金是以熔融金屬充填鑄型，獲得各種形狀零件毛坯的鋁合金。鋁合金的導熱性和抗腐蝕性良好，常被用作汽車發動機的汽缸體、汽缸蓋。美國通用公司和法國汽車公司的汽缸套都為全鋁型，我國生產的ZL119、YZ118、ZL120等合金均能夠用于制造汽車的發動機部件[4]。

國內外很多學者對鋁合金壓鑄件進行了研究，汪學陽等[5]針對某電動汽車用車身結構件減震塔的輕量化要求，開發了適合于鋁合金減震塔的高真空壓鑄工藝，實驗結果表明，對減震塔采用鋁化設計在滿足性能要求前提下，實現從5.5 kg減重至3.6 kg；林佳武等[6]從提高汽車發生后撞時車身的耐撞性和輕量化效果出發，對真空高壓鑄造鋁合金后撞梁進行研究，以耐撞性為出發點，通過拓撲優化，結合壓鑄成型和連接工藝等要求，設計出的鋁合金后縱梁質量約9.3 kg，比原件減輕31%；WANG等[7]對鋁合金輪轂低壓鑄造易產生縮孔和氣孔的問題進行了研究，模擬了模具填充和凝固過程中溫度場和應力場的變化，根據實驗和響應面分析，最終利用NSGA-Ⅱ算法完成了多目標優化，得出合理的砂壁厚值，實現了模具的輕量化設計，提高了壓鑄件質量。

部分汽車用鋁合金鑄造構件的應用案例見表1。

表1 鋁合金鑄造構件應用案例

1.2.2 鋁合金沖壓件的應用

1899年第一臺鋁制車身汽車在柏林展出，這是一輛魚雷形狀的電動汽車，時速達到了105.882 km/h，如圖1所示[8]。

圖1 1899年鋁制車身

現在鋁合金廣泛應用于新能源乘用車車身中，相對于傳統鋼制車身，可以實現減重率30%～40%，國內的蔚來汽車ES8、國外的特斯拉等都采用了全鋁車身。與鋁合金相比，高強鋼在新能源汽車車身中的應用具有較高的性價比，成本低、制造簡單，并且減重效果明顯，主要應用于中低端汽車，如長安、吉利、奇瑞等汽車。有研究表明，新能源汽車車身97%可使用HSS(高強鋼)和AHSS(先進高強鋼)鋼材，車身質量可減少39%，達到188 kg，與目前鋁制車身結構一樣輕，并實現五星安全評級[9]。

鋁合金沖壓件的優異性能吸引了很多學者的注意，眾泰汽車開發完成了某大型SUV車型的鋁合金發蓋，具有成型性好、耐腐蝕性強、強度高和耐高溫等性能[10]，所開發的鋁合金發蓋較鋼制發蓋的質量降低了10.5 kg，減重率高達42.2%；王莉穎和沈左軍[11]通過AutoForm軟件對鋁合金板和鋼板在拉延成形過程進行有限元模擬，最后與現場生產相對比得出以下結論：鋁合金在沖壓成形中較鋼板更容易產生開裂和起皺，在產品設計中要盡可能增大產品R角和降低零件結構斷面高低差；ZHENG等[12]提出了一種新策略來制定合理的壓邊力加載方案，并設計了多點壓邊力加載系統，以提高黏性介質壓力成形中鋁合金發動機蓋成形性能，有利于促進黏性介質壓力成形工藝在汽車鋁合金覆蓋件成形中的應用。

部分汽車的鋁合金沖壓件應用案例見表2。

表2 鋁合金沖壓件應用案例

1.2.3 鋁合金型材構件的應用

鋁合金型材構件作為結構件，其剛度較高，并且價格明顯低于鋁合金沖壓件，因此在汽車行業中被廣泛使用。鋁合金型材構件采用薄壁化、中空化可以實現30%～50%的減重效果；吸能性好，用作防撞梁等碰撞件時可吸收大量的沖擊；耐腐蝕性強，在用作車身骨架功能件和結構件時，一般無需電泳。

2013款路虎攬勝運動版采用全鋁輕量化車身及輕量化懸架，較上一代車型減重420 kg(從2 535 kg減重到2 115 kg)。白車身應用鋁合金達到94%，B柱也采用了鋁合金制造，其中鋁合金板材應用達到78%，鑄造鋁合金構件應用了15%，型材構件為6%。使用AC300T61高吸能性鋁合金型材制造了吸能盒，質量為6 kg，相比上一代減重20%[13]。

部分汽車的鋁合金型材構件的應用案例[13]見表3。

表3 鋁合金型材構件應用案例

1.3 鋁合金應用的現存問題

雖然鋁合金的成本一直在不斷降低，但與鋼材相比仍有一定差距。有研究表明：在底盤系統中使用高強鋼代替普通鋼材可以實現減重約30%，并且與鋁合金相比可以實現成本降低30%[14]。鋁合金材料在車身方面的應用研究如鋁合金成型工藝及模具優化、焊接工藝、特定環境性能和維修方法研究較少[15]，高端產品的加工成形較少，以及成本較鋼材貴的原因，導致長期以來鋁合金主要在高端車型以及對輕量化要求嚴格的新能源汽車上應用。

2 鎂合金

2.1 鎂合金的特性

在工程應用中鎂合金是最輕的結構材料之一，常規鎂合金如AZ91密度為1.81 g/cm3，約為鋼材的1/4，用鎂合金代替鋁合金可以再減少15%～20%的質量。相對于鋁合金，鎂合金的比剛度和比強度更高；它的熔點為650 ℃，比熱容為1.03 kJ/m3，具有較低的鍛造溫度和熱容量；表面加工性能和鑄造精度較高，不侵蝕鐵模；凝固速度快、動力學黏度低；電磁屏蔽性能強，散熱性良好且回收方便。

2.2 鎂合金在汽車輕量化中的應用

我國的鎂資源儲量豐富，2018輕量化材料發展路線圖中也明確指出2030年中國單車鎂合金達到45 kg。

2.2.1 鎂合金在引擎系統中的應用

引擎系統的輕量化對降低零部件的慣性力，提高轉動速度，降低噪聲和油耗有顯著效果。鎂合金制造的汽缸蓋可以減小發動機的質量、提高壓縮比，由一汽集團等共同研發的高性能稀土鎂合金，解決了稀土鎂合金壓鑄、熔煉工藝的系列難題[16]，這種稀土鎂合金制造的汽缸蓋被應用在重卡汽車460馬力的發動機上，具有輕質、綠色的特點；奧迪汽車在很早便開始探索鎂合金在發動機中的應用，并在2005年推出了由鎂、鋁合金混合制造的渦輪增壓發動機，采用的鎂合金汽缸體相比普通鑄鐵汽缸體可減輕23 kg[17]。

在汽車運行中，發動機支架主要起到固定、減震和緩沖的作用，呂洪燕等[18]針對某款車型的鎂合金發動機支架壓鑄工藝進行優化設計，采用商用鎂合金AZ91壓鑄成形，實驗結果表明：抗拉強度為254.44 MPa、屈服強度為232.71 MPa、伸長率為7.33%；底座最大壓縮變形量為0.08 mm，性能達到了汽車發動機支架檢驗標準。

鎂合金在汽車引擎系統中的應用案例見表4。

表4 鎂合金在引擎系統中的應用

2.2.2 鎂合金在傳動系統中的應用

傳動系統是汽車的重要組成部分，傳動系統的輕量化，可以帶來更強的動力輸出，減小噪聲和降低油耗[19]。長安汽車在研發的微型汽車上應用了壓鑄鎂合金，以AZ91D鎂合金代替ADC12鋁合金，實現了變速箱由原來的12.62 kg減重為7.95 kg[20]；大眾汽車在帕薩特和奧迪A4/A6上使用了鎂合金變速箱(12.7 kg/個)，在中國制造的桑塔納車型也使用了鎂合金變速箱[21]；蔚來汽車開發了鎂合金減速器殼，質量8.8 kg減重效果達30%，導熱性能與鋁相當，可以實現840 N·m的高扭矩傳輸；YOON等[22]在數值模擬的基礎上，研究了Mg-8Al-0.5Zn合金差速器箱的溫鍛工藝，分析了鎂合金差速器箱的微觀結構、組織演變和機械性能，與傳統球墨鑄鐵相比，溫鍛差速器箱可降低約50%的質量。

在傳動系統中應用的鎂合金零部件還有齒輪箱外殼、分動器殼、電機支架、葉片導向器、離合器活塞等。

2.2.3 鎂合金在車體系統中的應用

在汽車座椅的組成中，骨架的質量占到整個座椅的60%～70%，是實現輕量化的首要選擇。 在國外，奔馳最先將鎂合金座椅骨架安裝在SEL型敞篷車上，隨后福特汽車、日本豐田公司、韓國現代汽車等也開始采用鎂合金代替傳統的鋼制座椅骨架。在國內，長安的一款純電動車型，采用正向開發壓鑄鎂合金座椅骨架，結合座椅骨架結構特點及法規性能要求，采用強度中等、塑性較高及成形性較好的AM50鎂合金材料，結合工藝分析和CAE分析結果對座椅骨架結構進行優化設計，前排鎂合金座椅骨架平均減重9 kg，最終實現了正向鎂合金座椅骨架設計。

山東省科學院為首研發的“電動客車鎂合金輕量化車架原型”項目，這種電動客車車身長8.3 m、24座，車架采用200 kg以上的擠壓型材鎂合金制造，比鋁合金還輕約110 kg，可以減少約27%的制動距離，降低約13%和7%的車內、外噪聲，相比鋼制車架續航里程提高4%左右[23]。

鎂合金在車體系統中的應用還有安全氣囊外殼、加油箱蓋、空調機外殼、車門內襯、儀表板、車燈外殼、引擎蓋、車身骨架、前端模塊框架、儀表板骨架、行李架骨架、電器支架、車頂框架等。

2.2.4 鎂合金在底盤系統中的應用

研究表明采用鎂合金輪轂替代鋁合金輪轂，可有效降低對環境的不利影響[24]。鎂合金輪轂強度高，抗沖擊性和抗疲勞性強；質量輕，可以提高操縱性，節省了燃油消耗；高溫依賴性低，散熱性能好，可延長輪胎的使用壽命[25]。河南德威科技股份有限公司鎂合金汽車輪轂項目，使用國際先進專利技術，現已達到年產100萬只的目標，如圖2所示。

圖2 鎂合金輪轂

鎂合金的性能非常適合采用壓鑄工藝生產，可以將某些支架、附屬結構較多的零部件進行集成設計，以達到減少零部件和模具數量的目的。如圖3所示，某汽車用儀表板轉向支撐，通過采用鎂合金壓鑄，可集成儀表板骨架周邊30～40個支架類零部件，降低了人工成本，減少了模具數量且提高了總成的尺寸穩定性，質量為3.6 kg，相對于鋼制質量減輕了50%以上。

圖3 鎂合金轉向支撐

鎂合金在汽車底盤系統中的應用案例見表5。

表5 鎂合金在汽車底盤系統中的應用

2.3 鎂合金應用的現存問題

鎂合金的生產加工成本過高與技術水平的差距是鎂合金所面臨的一大難題，因此鎂合金還沒有能夠在汽車上大量的使用。鎂合金的柔韌性較差，塑性變形機制和破壞準則極其復雜，在汽車碰撞中容易斷裂，因此鎂合金塑性變形的研究對鎂合金產品的開發意義重大[27-28]；抗蠕變性能較差使得鎂合金無法應用于發動機缸體等動力總成部件[21]；鎂合金不耐腐蝕，以及腐蝕產生的對疲勞和壽命的影響，也是現在面臨的問題之一。

3 鈦合金

3.1 鈦合金的特性

鈦的密度是4.51 g/cm3，大約為鐵(7.6 g/cm3)的2/3，熔點為1 668 ℃，比鐵、鎳都高，可以作為耐熱材料。鈦合金具有很高的強度，一般在800～1 200 MPa之間，經過時效強化的鈦合金強度可以達到極高的水平，在1 600 MPa左右。鈦合金的抗腐蝕性能強，比強度高于鋁合金和鋼，抗疲勞和蠕變性能好，高溫力學性能優，并且塑性較好[29]。

3.2 鈦合金在汽車輕量化中的應用

鈦合金的價格昂貴，故在豪華車、賽車和跑車中應用較多。由于設計和材料特性，鈦合金零部件主要分布在引擎系統和底盤系統中[30]。

3.2.1 鈦合金在引擎系統中的應用

鈦合金的密度低，強度高、耐疲勞性能好，最早被使用在賽車上，能為賽車提供更快的速度和可靠性。發動機中的零部件是高速運動的，鈦合金制作的零部件質量輕，可以提高發動機的轉速和燃油經濟性；減輕振動和噪聲，提升乘坐舒適性[31]。發動機中的連桿不僅要承受往復拉壓的低周疲勞，還要承受高速運動時的沖擊載荷。采用鈦合金制作的連桿剛好滿足這一要求，并且由于連桿質量的降低，發動機的性能也會有很大的改善。本田公司的NSX賽車和法拉利2003En20型V12發動機中都使用了鈦合金連桿，機動性明顯提高[32]，圖4為某款鈦合金連桿。

圖4 鈦合金連桿

氣閥需要在高溫、高壓、強負荷的惡劣工況下工作，用鈦合金鑄造的氣閥，既達到了汽車輕量化的效果，還提高了零件的可靠性。宋緯[33]對鈦合金氣閥的鑄造工藝進行了優化，采用了不同的工藝鑄造了鈦合金氣閥，結果顯示：采用超聲輔助離心鑄造的鈦合金氣閥的耐腐蝕性能和耐磨損性能得到了顯著提高；XU等[34]對粉末冶金工藝進行研究，制備了Ti-5Al-3Mo-2Fe合金，并且成功地將Ti-5Al-3Mo-2Fe合金加工成汽車發動機進氣閥，相比鋼制氣閥可減輕2/3的質量。

除此以外，鈦合金零部件在引擎系統中的應用案例見表6。

表6 鈦合金零部件在引擎系統中的應用

3.2.2 鈦合金在底盤系統中的應用

排氣是底盤系統的重要組成部分之一，大眾公司為Golf 4Motion和Audi A2 1.2 TDI開發了鈦制排氣系統，質量節省達50%[35]；2019年日本新日鐵住金公司宣布，準備將公司之前開發的新型鈦基合金用于高級跑車“日產GTR”的排氣系統，該合金具有較高的可加工性和耐熱性，因此被選為制造商指定材料[36]。鈦合金還被制成了輪轂安裝在邁凱倫P1混合動力跑車上，此款輪轂采用激光立體成形的3D打印技術，在節省成本、工時的同時還提高了材料強度。這是世界上首個3D打印鈦合金輪轂，由5個輻條、一個碳纖維輪輞和一個中心部件組成，車輪的各個部件通過鈦合金緊固件組裝成整體，如圖5所示。

圖5 3D打印鈦合金輪轂

輪轂螺栓要承受高剪切力、大承重、長周期微動磨損，在保證其可靠性的同時采用鈦合金材料可以大大減輕其質量。TIFAN(鈦弗鈉-科技創新企業)其推出的鈦合金輪轂螺栓比原廠螺栓質量減少45%以上，強度提高超過125%[37]。圖6為Tifan生產的鈦合金輪轂螺栓。

圖6 鈦合金輪轂螺栓

鈦合金零部件在汽車上的應用還有汽車門突入梁、汽車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、框架螺釘、離合器片、壓力板、變速按鈕、輪機轉子、懸掛彈簧、剎車延時器等[38]。

3.3 鈦合金應用的現存問題

鈦合金零部件的性能優異，但仍然沒有達到大規模的使用，其根本原因是鈦合金的成本太高。這主要是因為純鈦的制備困難，且合金元素多以價格較高的V等作為合金元素提高強度。近年來隨著粉末冶金注射成形、噴射成型等新技術的發展，鈦合金近凈成形技術及電子束焊、激光焊等現代焊接技術的不斷進步，成本過高已成為阻礙鈦合金大量應用于汽車工業的最主要原因[31]。

4 結論

(1)鋁合金的應用可以實現較好的輕量化效果，但會增加成本，故現階段在奧迪、路虎、寶馬等高端車型上應用較多。在汽車上不同零部件的選材中應多角度考慮指標[39]，選擇最優的材料，以實現較好的效果。

(2)鎂合金是很有發展前景的輕量化材料，但鎂合金高端產業從基礎研究到應用研究，產品開發到終端應用，大部分被國外廠商所掌握[40]。要不斷加強我國鎂合金產業布局，改進鎂合金深加工和生產制造水平，加快鎂合金輕量化材料研究，不再受制于人。

(3)鈦合金的性能優異，是很有潛力的輕量化材料，但其價格遠遠高于其他材料，成為制約其發展的主要原因。在未來發展中要加強對鈦合金的基礎研究，降低其制造成本，是實現鈦合金在汽車上大量應用的關鍵一步。

當前汽車輕量化材料占比最高的國家是德國，國產汽車單車的輕質合金占比與國外品牌相比仍有很大差距。汽車輕量化是實現我國汽車工業轉型升級和高質量發展的關鍵核心技術之一，要不斷提升汽車工業的原創設計能力，才能從根本上促進我國輕質合金在汽車輕量化中的發展需求。