鋁合金在現(xiàn)代汽車輕量化生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

孫海洋

（云南省玉溪工業(yè)財(cái)貿(mào)學(xué)校，云南 玉溪 653100）

引言

當(dāng)代社會(huì)以驚人的速度發(fā)展著，社會(huì)大環(huán)境的快速發(fā)展帶給人們更佳富足的物質(zhì)生活，極大地滿足了人們?nèi)粘Ｎ镔|(zhì)需要，人們對(duì)自身的生活要求絕不滿足于溫飽，有了更好的生活追求，特別是在汽車方面，人們希望通過汽車獲得更大的便利的同時(shí)也積極響應(yīng)國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排號(hào)召。對(duì)比我國，國外方面在汽車生產(chǎn)輕量化轉(zhuǎn)變方面取得了顯著成效，但是對(duì)比西方發(fā)達(dá)國家，顯然我國有很大的進(jìn)步空間。2000年，對(duì)于我國汽車輕量化而言是至關(guān)重要的一年，因?yàn)閺倪@一年開始，汽車輕量化取得迅猛發(fā)展，尤其是汽車產(chǎn)量更是以較高的速度提升著，產(chǎn)銷量位列全球首位，這也代表著中國已經(jīng)步入汽車消費(fèi)大國的戰(zhàn)列。在這樣的發(fā)展背景下，汽車生產(chǎn)制造企業(yè)一定要清醒地意識(shí)到，雖然車輛為人民的生活提供了極大的便利，在社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中扮演著重要角色，但是隨之而來的是油耗增加，為其增加，帶來了一系列環(huán)保、安全方面的問題[1]。所以本論文圍繞汽車輕量化及鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的運(yùn)用進(jìn)行了一系列探討。

1 現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展方向及意義

1.1 現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展方向

現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展過程中，主要是應(yīng)用新型材料。以低密度輕金屬材料為主，例如鋁、鎂、鈦等，鋁合金、鎂合金、鈦合金密度分別為2.7、1.74、4.51。從這一點(diǎn)可以看出，此類輕金屬材料為現(xiàn)代車輛生產(chǎn)加工指明了全新方向，使得車輛生產(chǎn)環(huán)保性能大大提升，車輛自重減輕許多。在這些低密度金屬材料中尤以鋁合金較為常用，從20世紀(jì)70年代開始備受汽車制造行業(yè)的認(rèn)可與青睞。現(xiàn)階段，世界各國汽車制造中使用最多的輕型材料是鋁合金，由此可見鋁合金材料的使用量相當(dāng)大，高達(dá)15%，還有些國家甚至突破25%。現(xiàn)代汽車輕量化的核心部分還是在車身方面，因?yàn)檐嚿碇亓空紦?jù)全車總重量的三成之多，所以追求車身輕量化已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車生產(chǎn)輕量化的重點(diǎn)，為此必須想方設(shè)法提升鋁合金材料的科學(xué)應(yīng)用水平。

1.2 現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展價(jià)值

分析現(xiàn)代汽車輕量化發(fā)展價(jià)值，主要在下述兩方面體現(xiàn)。首先強(qiáng)調(diào)汽車輕量化發(fā)展，對(duì)于汽車油耗減少有明顯的促進(jìn)作用，車輛在生產(chǎn)制造過程中，整車質(zhì)量和車輛油耗間的關(guān)系相當(dāng)密切，如果可以將車輛的整體質(zhì)量減輕，則可以有效降低車輛能耗，減少尾氣排放。一般情況下，車輛質(zhì)量每下降1 kg，那么1L汽油可以多形式0.012 km。同時(shí)車輛質(zhì)量減輕，可以使得車輛排放的二氧化碳、硫化物、氮化物等有害物質(zhì)的排放量大大減少，從而達(dá)到對(duì)環(huán)境污染有效降低的目的。其次促進(jìn)汽車朝著輕量化方向發(fā)展，還可以極大地提升車輛的行駛性能、安全性能。汽車質(zhì)量減輕了，汽車行駛過程中的加速時(shí)間也會(huì)顯著變短，例如加速到100 m/h，原來的時(shí)間是12 s，減輕質(zhì)量之后，時(shí)間縮短到8 s。同時(shí)車輛質(zhì)量減輕之后，其對(duì)負(fù)荷進(jìn)行牽引的狀態(tài)也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，得到了優(yōu)化調(diào)整，性能更佳，進(jìn)一步提升車輛行駛安全性。

2 鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的具體運(yùn)用

2.1 現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中鋁合金形成工藝

鋁合金在現(xiàn)代汽車形成工藝中的應(yīng)用越來越廣泛，這同車輛輕量化的整體發(fā)展趨勢(shì)高度契合。當(dāng)前環(huán)節(jié)，無論是國內(nèi)還是國外，在進(jìn)行車輛制造的時(shí)候應(yīng)用到的鋁合金成形工藝主要體現(xiàn)在鑄造成形工藝以及半固態(tài)成形工藝。其中鑄造成形工藝作為主要的鋁合金成型工藝，很多車輛在實(shí)際生產(chǎn)過程中都會(huì)應(yīng)用到這一工藝，鑄造工藝又可以進(jìn)一步細(xì)分為重力鑄造工藝、低壓鑄造工藝、擠壓鑄造工藝、精密鑄造工藝等。這些工藝特征顯著，主要體現(xiàn)為質(zhì)量可靠、便于大批量生產(chǎn)、尺寸精密程度高；其次半固態(tài)成形工藝作為鋁合金成形工藝中非常先進(jìn)的工藝，其制造出來的產(chǎn)品和最終鋁合金產(chǎn)品非常接近。一一般而言，在鋁合金產(chǎn)品成形之前，既有固態(tài)存在也有液態(tài)存在，這樣的狀態(tài)極大地促進(jìn)了質(zhì)變[2]。充分發(fā)揮半固態(tài)成形工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，使得鋁合金在填充的時(shí)候具備平穩(wěn)程度高的填充型腔。半固態(tài)成形工藝借助其改善零構(gòu)件力學(xué)性能、尺寸精密度、延長模具應(yīng)用時(shí)間等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了世界車輛生產(chǎn)制造界的廣泛關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。

2.2 現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中鋁合金的實(shí)際應(yīng)用

2.2.1 鋁合金在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年，汽車輕量化的發(fā)展主趨勢(shì)明顯，所以在進(jìn)行車輛制造的時(shí)候，鋁合金的使用量大大提升。鋁的一大優(yōu)點(diǎn)是可以重復(fù)使用，節(jié)省了生產(chǎn)原鋁所需能源的95%。與其他材料相比，它更環(huán)保，回收的鋁幾乎可以用于任何領(lǐng)域。目前，鋁在汽車?yán)幚眍I(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其在金屬回收方面具有很高的廢品價(jià)值。尤其是制造車身的時(shí)候，使用到的鋁合金材料更多，因?yàn)檐嚿硎褂娩X合金材料制造能夠極大的減輕零部件質(zhì)量。

根據(jù)CM集團(tuán)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們估計(jì)中國單輛車鋁板的消費(fèi)量約為20 kg，占汽車鋁合金的10%～15%，與歐美市場(chǎng)相比仍有差距。隨著我國新能源汽車普及率的快速提高，國內(nèi)鋁板市場(chǎng)具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ攒嚿砻姘鍨槔?018年，中國單燃料汽車和純電動(dòng)汽車車身面板的鋁消耗量分別為4.4 kg和8.0 kg，分別為最大潛在消耗量的6%和12%；據(jù)估計(jì)，到2025年，增長率將分別為14.2 kg和23.3 kg，分別占最大潛在消費(fèi)量的19%和28%。

西方發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)60年代就逐步將鋁合金材料應(yīng)用到車輛生產(chǎn)領(lǐng)域。鋁合金材料的廣泛使用不僅減輕了車輛質(zhì)量同時(shí)還是得車輛的結(jié)構(gòu)剛性得到了極大的改善，大多數(shù)零件支持回收再利用，為節(jié)能減排提供了有效助力。據(jù)SMM統(tǒng)計(jì)，到2020年，全球汽車鋁板產(chǎn)能約為390萬t，國外產(chǎn)能約為288萬t，約占73.8%。全球汽車鋁板產(chǎn)能主要分布在美國、德國、日本等國家，美國市場(chǎng)份額高達(dá)44%；國內(nèi)產(chǎn)能約102萬t，占26.2%。從附屬制造商的角度來看，諾貝利斯、美國鋁業(yè)的持股比例較高，分別為27%、12%和12%。

2.2.2 汽車生產(chǎn)中鋁合金材料的應(yīng)用

1）鑄造鋁合金的應(yīng)用。鑄造鋁合金在汽車生產(chǎn)過程中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。該材料可以結(jié)合車輛生產(chǎn)過程中的實(shí)際需要確定不同的鑄造工藝。其中，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的時(shí)候，使用鋁合金，以此獲得極佳的抗腐蝕性以及導(dǎo)熱性。與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、氣缸體等材料的要求高度契合起來。將鋁合金材料用在汽車輪轂制造中，發(fā)揮鋁合金材料尺寸精密程度高、散熱性能佳、質(zhì)量輕和高使用率等優(yōu)勢(shì)，以低壓鑄造以及重力鑄造為核心鑄造工藝。

對(duì)于壓鑄，有兩個(gè)問題：第一，金屬型薄壁件凝固速度快，影響變質(zhì)效果；第二，當(dāng)鑄件充滿時(shí)，鋁湯將被大量氣體包裹。除了氣體產(chǎn)生孔，鑄件表面附近的氣泡在隨后的熱處理過程中也會(huì)出現(xiàn)膨脹問題。這是因?yàn)楫?dāng)鑄件凝固后進(jìn)行熱處理時(shí)，氣孔會(huì)因高溫而膨脹，合金會(huì)因高溫而軟化。此時(shí)凝固過程中沒有金屬型堵塞，鑄件表面容易形成鼓包，嚴(yán)重鼓包不僅會(huì)影響外觀，而且在加載時(shí)會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，從而導(dǎo)致鼓包裂紋的產(chǎn)生。因此，傳統(tǒng)鑄造廠通常不進(jìn)行熱處理進(jìn)行高溫鑄造鋁合金。

當(dāng)鑄造模具被吸入時(shí)，模具中的氣體可以顯著減少。這樣，在固化成型后，零件進(jìn)行固溶和人工時(shí)效熱處理，不會(huì)出現(xiàn)脹形問題。此時(shí)，由于硅相在熱處理后具有更多的圓形顆粒，因此可以顯著提高材料的塑性，并在斷裂后達(dá)到延伸率設(shè)計(jì)指標(biāo)。除了保留壓力鑄件的固有優(yōu)勢(shì)外，這種高壓真空鑄件還可以應(yīng)用于更靈活的連接方式，如鉚接和焊接（焊接氣孔和突起也由包裹引起）。它們用于各種要求高塑性和韌性的加載場(chǎng)合。華中科技大學(xué)成形材料與基體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也成功完成了ZL101-T6鋁鎂合金真空鑄件的試驗(yàn)生產(chǎn)。后來開發(fā)的汽車底盤零件的斷裂后伸長率可以達(dá)到7.3%，這在中國是一個(gè)非常成功的例子。

2）變形鋁合金的應(yīng)用。變形鋁合金在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)比鑄造鋁合金其優(yōu)勢(shì)更為突出，主要體現(xiàn)在韌性以及強(qiáng)度等方面。變形鋁合金的合金含量相對(duì)更低，所以在汽車裝飾件、結(jié)構(gòu)件、散熱體系和車身面板等部位有廣泛運(yùn)用。將變形鋁合金用早車身面板制造方面，憑借自身的端造性強(qiáng)，強(qiáng)度佳、綜合性好等優(yōu)勢(shì)，滿足汽車輕量化生產(chǎn)的具體需要。其他鋁合金構(gòu)件在汽車懸掛零件上有著廣泛應(yīng)用，主要是該構(gòu)件的應(yīng)用使得車輛的行駛平穩(wěn)性大大提升，促進(jìn)車輛行駛安全可靠。

3）鋁基符合材料的應(yīng)用。鋁基復(fù)合材料其尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)，密度低，強(qiáng)度高。將其應(yīng)用于汽車生產(chǎn)過程中，達(dá)到抗疲勞、抗斷裂等目的。除此以外，應(yīng)用此類鋁合金，對(duì)比傳統(tǒng)鑄鐵制造材料，質(zhì)量明顯降低，甚至可以降低60%質(zhì)量之多，在驅(qū)動(dòng)軸、搖臂等零件中應(yīng)用廣泛。

3 汽車用鋁材重點(diǎn)研發(fā)新方向

3.1 對(duì)未來汽車的要求

汽車用鋁材在未來車輛生產(chǎn)過程中的應(yīng)用更為廣泛。未來汽車制造過程中，更需要將環(huán)境污染問題、車輛行駛安全性、燃料消耗等方面的問題高效解決。由于電動(dòng)車輛不會(huì)有廢氣產(chǎn)生，所以其將成為未來車輛的核心代表，但是電動(dòng)汽車一定要使用電池替代發(fā)動(dòng)機(jī)，而對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)，電池的輸出功率明顯小很多，為此必須實(shí)現(xiàn)車輛車體輕量化目標(biāo)。鋁化程度是提升汽車輕量化水平的關(guān)鍵手段。但是，隨著鋁使用比重的提升，導(dǎo)致生產(chǎn)成本也進(jìn)一步提升。為此今后汽車鋁化程度的提升必須結(jié)合鋁化實(shí)際需要，與生產(chǎn)成本之間達(dá)成平衡。

3.2 新型鋁合金車身材料的研發(fā)

車身作為汽車的主體架構(gòu)，構(gòu)成的零部件較多。而車身又由外板和內(nèi)板兩部分構(gòu)成，一般選擇耐腐蝕性能佳以及時(shí)效硬化性強(qiáng)的材料作為外板材，選擇成形性能優(yōu)良以及耐腐蝕性強(qiáng)的材料作為內(nèi)板材。選擇強(qiáng)度大同時(shí)焊接性能優(yōu)的材料作為骨架材；選擇擠壓性好以及焊接性能優(yōu)良的材料作為擠壓材。

對(duì)于現(xiàn)代汽車而言，車輛車身呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的流線型，這就決定了其復(fù)雜的外形，外形由很多曲面形成，成形困難系數(shù)高。車身作為車輛的核心承重構(gòu)件同時(shí)還需要承受來自于空氣的阻力。構(gòu)成車身的零部件相當(dāng)多，需要阻焊以及焊接。除此以外，還需要車身的材料有理想的耐腐蝕性、耐候性、抗磨性。總結(jié)起來，現(xiàn)代汽車車身材料需要具備下述性能，首先強(qiáng)度和剛度需要保持在中等以上；必須具備良好塑性，適應(yīng)深沖變形；具備良好的可焊接性；具有一定的耐腐蝕性以及耐磨性；具有很強(qiáng)的自時(shí)效性；密度相對(duì)較低，具有較高的比強(qiáng)度以及比剛度。

近年來，得益于國家發(fā)改委以及科技部的全力支持，組織汽車行業(yè)以及有色金屬行業(yè)的相關(guān)企業(yè)、大學(xué)、研究院等組成了聯(lián)合研究小組，圍繞適應(yīng)我國車輛工業(yè)用的鋁合金車身材料展開了深入研究工作。提出明確要求，鋁合金板材性能需要與美國6111以及5182鋁合金水平相持平，與此同時(shí)其烘烤硬化性也需要保持較佳水準(zhǔn)。板材與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板外板沖壓性能的基本要求高效契合起來，油漆防腐性能符合鍍層板的基本刑訊能夠。焊接以及翻邊成形能與汽車外形以及對(duì)應(yīng)零件的基本要求高度契合起來。為了保障上述性能指標(biāo)充分滿足，攻關(guān)組對(duì)變形鋁合金板材的化學(xué)工程、生產(chǎn)工藝、預(yù)處理工藝、熱處理狀態(tài)、沖壓成形性以及烘烤硬化性等展開細(xì)致深入的研究。與制造企業(yè)高效配合起來，圍繞汽車零部件的加工性能以及使用性能展開深層次的研究，取得了初步成果。近年來，使用特殊擠壓加工方法生產(chǎn)的框架型材正在展開深入研究，該研究可以預(yù)測(cè)無框架式車身的材料利用率以及車身剛性以及生產(chǎn)效率的提升等成效。在這樣的場(chǎng)合下，如何建立使得直線型材曲線化的擠壓技術(shù)、彎曲加工技術(shù)、連接技術(shù)等相當(dāng)關(guān)鍵。下表1為主要汽車車身板鋁合金室溫力學(xué)性能，可以清晰的看到，鋁合金板材的主要力學(xué)性能同冷軋鋼板比較相近，同時(shí)通過模擬烤漆處理之后可以得到有效強(qiáng)化，所以能夠直接取代鋼作為汽車車身板來使用。

表1 主要汽車車身板鋁合金室溫力學(xué)性能

汽車用鋁合金板材，特別是汽車用鋁合金外板作為鋁合金板材生產(chǎn)中的優(yōu)秀產(chǎn)品，在對(duì)其展開研究的時(shí)候需要重點(diǎn)關(guān)注抗時(shí)效穩(wěn)定性、成形性、烘烤硬化性、翻邊延性、油漆光鮮均勻性、抗凹性和表面處理工藝等等。這一系列特性之間聯(lián)系密切同時(shí)也有矛盾存在，與鋁合金汽車板力學(xué)性能、工藝性能、構(gòu)件成形性、零部件功能具體要求高度契合起來。基本研究方向是借助合金成分設(shè)計(jì)軟件，保障汽車外覆蓋件用鋁合金板合金系統(tǒng)選擇以及確定，必須與板材成形性作為核心依據(jù)，全方位探析Fe、Mn、tail、Zn等合金元素和含量對(duì)板材性能產(chǎn)生的具體影響，保障其性價(jià)比以及性能匹配叨叨最佳狀態(tài)[3]。包括熱軋板的均勻化程度、組織細(xì)化處理技術(shù)、冷軋工藝控制以及優(yōu)化技術(shù)。合理優(yōu)化預(yù)處理技術(shù)，板材晶粒度以及第二相細(xì)化以及均勻性控制技術(shù)，鋁合金汽車板成形性以及抗凹性評(píng)估對(duì)策等等。

3.3 鍛造鋁合金車輪和結(jié)構(gòu)件研發(fā)

汽車上應(yīng)用的鋁合金鍛件主要是輪轂、保險(xiǎn)杠等，在大客車、重型汽車上應(yīng)用尤為廣泛。近年來，也陸續(xù)應(yīng)用到一些中小型汽車、摩托車等上面。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，世界上幾年來輪轂應(yīng)用廣泛程度不斷提升，每年以20%的速度增長著，當(dāng)前使用量突破十幾億。我國大型汽車企業(yè)也在展開深入的研究，隨著汽車用量的不斷增加，鋁輪轂、其他鋁鍛件用量也會(huì)不斷提升。

4 結(jié)語

汽車輕量化以及鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，符合可持續(xù)發(fā)展理念，符合環(huán)保綠色理念，為了加快我國汽車工業(yè)用鋁材的發(fā)展，迎合汽車工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展需要，必須強(qiáng)化宏觀調(diào)控工作，支持研發(fā)汽車用新鋁合金、新材料，提升生產(chǎn)工藝的優(yōu)化水平，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到降低成本的目的。