淺析新能源汽車用鋁型材材料性能的影響因素

摘要：隨著新能源汽車行業的快速發展，汽車輕量化成為提升能效和環保性能的重要策略之一。鋁型材作為主要的輕量化材料，其在車身結構、電池、電機及控制系統中的應用日益增多。本文綜述了鋁型材化學成分對性能的影響，分析了加工工藝對鋁型材性能的影響，并探討了熱處理對鋁型材性能的影響。通過技術創新和應用優化，鋁材的性能在車輛安全性、續航里程、操縱性能等方面均有顯著提升。

關鍵詞：新能源汽車；鋁型材；性能；影響因素

引言

汽車輕量化是當前汽車工業中一個重要的研究方向，它能有效降低車輛的能源消耗和碳排放。鋁合金因其輕質、高強、易回收等優點，成為新能源汽車中最為廣泛使用的輕量化材料。現代技術的發展和創新，如結構優化和鋁化應用技術，已經讓鋁合金在新能源汽車的各個部分得到了廣泛應用。研究表明，汽車每降低10% 的重量，燃油效率和續航里程能相應提升，這對于滿足現代社會對環保和能效的高要求具有重要意義。

一、鋁型材化學成分對性能的影響

（一）鋁含量

關于鋁型材性能的關鍵因素，確實鋁含量對其性能有顯著影響，但需指出的是，不僅僅是鋁含量，鋁合金的具體成分和制備工藝也極為重要。鋁合金因添加了其他金屬元素如鎂、硅、銅等，通過合金化能顯著改善其機械性能和導電性能等。例如，在航空航天和軌道交通領域，高強度鋁合金型材不僅僅依靠高鋁含量，還通過合金化以及特定的生產工藝如連續拉擠成型工藝，來達到所需的力學性能和結構穩定性[1]。

此外，我國對高性能鋁材的發展非常重視，通過增強政策扶持，包括財政、金融和稅收優惠，以及積極推進高新技術企業發展，這些措施有助于提升國產高性能鋁材的質量和應用水平。同時，我國的鋁型材生產也在積極擴大應用領域，比如高速列車、船舶及醫療器械等，這些應用領域對鋁合金的質量、耐腐蝕性和機械強度有很高要求[2]。

（二）合金元素

合金元素在鋁型材中發揮重要作用，如銅 （Cu），是鋁合金型材中的重要合金元素，可以顯著提高合金的強度。在變形鋁合金中，銅的含量一般控制在2.5%～5%，但是當銅含量在4%～6.8% 時，合金的強化效果最佳。錳 （Mn），作為鋁合金中的常見元素，其極限固溶度為1.82%，并且隨著錳含量的增加，合金的強度會隨之增加。特別是當錳含量達到0.8% 時，合金的強度會有顯著的提升。硅 （Si）、鎂 （Mg），這兩種元素也經常被添加到鋁合金中，用以提高合金的強度（即單位質量提供的強度）和耐腐蝕性[3]。

（三）雜質

雜質元素通常會影響鋁型材的力學性能和承載能力。例如，鉍（Bi）元素在凝固時會膨脹，這對鋁型材的成型有一定的補縮作用。在鋁鎂合金中加入鉍還可以防止鈉脆開裂，適合于變形鋁合金。

雜質與合金元素的控制問題上，首先需要考慮的是含量控制，確保合金元素如銅、錳、硅和鎂的含量在合適的范圍內，以發揮其強化作用，同時避免超過其極限固溶度，因為超過固溶度可能會引起材料性能的下降。其次，是需要進行雜質管理，雖然某些雜質如鉍在特定條件下可有益于鋁合金的性能，但總體而言，需要嚴格控制雜質的種類和含量，以免產生負面影響。

另外，就是技術支持和政策扶持，利用政策和財政扶持措施，加強技術研發和產業升級，確保鋁合金材料的高性能和質量穩定。

二、加工工藝對鋁型材性能的影響

（一）鑄造工藝

1. 連續（或半連續）鑄造

連續（或半連續）鑄造工藝生產的鋁合金鑄錠，鑄錠表面光滑、粗晶晶區小、枝晶細小而均勻。可以有效減少氣孔和縮孔等缺陷，從而改善鋁型材的密度和機械強度。通過晶粒細化技術可有效促進形核、抑制晶粒長大，得到均勻、細小的等軸晶粒。連續（或半連續）鑄造按其作用原理，可分為普通模鑄造、隔熱模鑄造和熱頂鑄造，目前對于鋁合金圓鑄錠常用的是連續熱頂鑄造。連續熱頂鑄造熱頂內的金屬熔體與流盤內液面處于同一水平，實現了同水平鑄造，其鑄錠質量好、晶內結構細小、組織致密，氣孔、疏松、氧化膜廢品少，鑄造生產效率和成品率高，但由于鑄錠接觸二次水冷時間較早，鑄錠中心裂紋傾向大。

對于技術數據的考慮，以下幾點尤為重要：

（1）合金選擇，依據所需的機械性能和成本效益進行合金類型的選擇。

（2）鑄造參數，包括鑄造溫度、鑄造速度、鑄造水壓等，這些參數直接影響到鑄件的成型精度和內部質量。

（3）制造成本，連鑄工藝的生產效率高，適合大批量生產，有助于降低單件的成本。

（4）技術標準，遵循相關的技術標準和規定，確保產品的質量和性能。

2. 納米強化技術

在鑄造工藝中，納米強化技術通過引入納米級陶瓷顆粒（如納米TiC）顯著提升了鋁型材的力學性能，尤其是在強度和韌性方面的表現。納米TiC 顆粒的添加不僅增強了鋁合金的抗拉強度，同時還提高了材料的均勻伸長率和疲勞強度，這對于需要高性能承載結構的應用場景（如航空航天和軌道交通）至關重要。這些性能的提升，可以歸結于納米顆粒對材料微觀結構的優化影響，使鋁合金在受力時能更好地抵抗裂紋的擴展和延展性的提高。此外，納米強化技術還能有效抑制高強鋁合金，在中高溫環境下納米析出相的粗化，這一點對于延長鋁合金的使用壽命和提高其耐高溫性能尤為關鍵。納米析出相的粗化通常會導致合金強度的下降，通過納米強化可以保持這些析出相的穩定性，從而在寬廣的溫度范圍內保持材料的力學性能。

（二）冷熱加工

1. 冷加工

冷加工通常是在室溫下對材料進行變形處理，這可以引起材料的加工硬化，即通過塑性變形來提高強度。這種方法尤其適用于已經通過鑄造預處理的鋁型材。

2. 熱加工

熱加工（如熱軋或鍛造）使材料在較高溫度下變形，有助于增加其塑性。這種加工可以通過改變晶粒結構來優化材料的機械性能。

3. 冷卻速度的影響

鋁型材的冷卻速度也是一個關鍵因素，高冷卻速度可以提高鑄錠的結晶速度，使得晶內結構更加細化，從而增強材料的整體性能。通過控制冷卻速度，可以減少鑄錠中的疏松和氣孔，改善金屬的致密性。

（三）表面處理

鋁型材的表面處理技術主要包括陽極氧化、噴涂等方法，這些工藝能顯著提升鋁型材的耐腐蝕性和美觀度[4]。

1. 陽極氧化

陽極氧化是一種通過電解處理，在鋁或鋁合金表面形成厚的氧化膜的工藝。這種氧化膜不僅提高了材料的裝飾性和穩定性，還能增強其耐候性和耐磨性。陽極氧化的常見類型包括硫酸陽極氧化、鉻酸陽極氧化、草酸陽極氧化及磷酸陽極氧化，其中硫酸陽極氧化是最為常用的方法。此外，陽極氧化后的封孔處理是保證氧化膜質量的關鍵步驟，常見的封孔方法包括熱封孔、冷封孔、中溫封孔和有機物封孔。

2. 噴涂

噴涂處理包括粉末噴涂和噴砂氧化兩種形式。粉末噴涂是一種靜電噴涂技術，使用干燥的粉末狀物質，通過高溫燒結形成堅固且光亮的涂層。這種涂層具有極強的耐酸性、耐堿性和耐磨性，能有效抵抗紫外線和酸雨的侵蝕。噴砂氧化則是一種表面二次處理技術，通過噴砂來細化型材表面的微孔，增強材料的抗氧化能力。

三、熱處理對鋁型材性能的影響

（一）退火處理

首先，鋁型材的熱處理主要包括幾種方式，如固溶處理、時效處理以及其他表面改善處理。固溶處理是一種常見的熱處理方式，通過高溫使鋁合金中的合金元素在鋁基體中溶解，并通過快速冷卻來重新分布合金元素，這樣不僅可以增加材料的硬度和強度，也有助于材料的塑性和韌性的提高。此外，淬火是另一種重要的熱處理方式，它通常在固溶處理之后進行，其目的是在不再加熱的情況下保持鋁型材較長時間自然冷卻，這有助于消除材料內部的應力并穩定鋁型材的力學性能。時效處理則是在淬火后進行的，該過程在一定的溫度下保持適當的時間，使固溶體發生分解，這也是一種有效的去應力方法，有助于進一步發揮材料的強度和耐腐蝕性能。

（二）時效處理

時效處理，尤其是人工時效和自然時效，是通過控制鋁合金中的過飽和固溶體析出第二相（如共格的亞穩相質點）來實現強化。這種過程在鋁合金固溶處理后進行，通過加熱到低于溶解度曲線的某一溫度并保溫一段時間來促進第二相的脫溶，從而增強合金的強度和硬度。細化晶粒通常通過添加細化劑進行，這些細化劑可以在鋁及鋁合金的熔體中形成非均質形核作用，或者通過溶質的偏析及吸附作用來抑制晶粒長大，進而改善合金的組織形態和力學性能。這與時效處理的機理不同，后者主要依靠沉淀硬化。

結論

鋁型材作為新能源汽車輕量化的關鍵材料，不僅提高了汽車的環保標準和經濟效益，還通過減輕整車重量，增強了車輛的駕駛性能和乘坐舒適性。當前，鋁材的應用已涵蓋車身、電池包、電機等多個方面，未來的發展趨勢將是進一步優化其應用工藝，提高材料性能，擴大應用范圍。此外，持續的技術創新和優化設計將是推動鋁材在新能源汽車領域應用的關鍵。

參考文獻：

[1] 王爽， 王睿， 李鵬偉， 等. 新能源汽車用6082 鋁合金型材的組織及性能研究[J]. 輕合金加工技術，2020，48（2）：5.

[2] 陳勇慧. 新能源汽車擠壓鋁型材擠壓模具案例解析[J]. 鋁加工，2022（6）：64-67.

[3] 鄒照. 新能源汽車電池組外框鋁型材模具設計[J]. 輕合金加工技術，2020， 48（08）：36-39.

[4] 張穎. 新能源汽車用6061 鋁合金擠壓型材的疲勞和耐腐蝕性能研究[D]. 華南理工大學，2019.