铝合金：汽车轻量化的主力

1.由铝合金相伴的汽车轻量化潮流

图1. 欧洲汽车平均用铝量变化

如今，“轻量化”这个词已经由汽车行业的术语发展为媒体新闻里的高频词汇。《中国制造2025》中，也已把轻量化当成汽车产业发展的重要方向。简单来说，轻量化就是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能降低汽车整车重量，从而提高汽车动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。近年来，由于环保和节能要求日趋严格，汽车轻量化已成为世界汽车发展的势不可挡的趋势。据欧洲铝业协会报告，汽车质量每降低 100kg，每百公里可节约 0.6L燃油，减排CO₂800-900g。铝的密度仅有钢的1/3，且具有良好的可塑性和回收性，是理想的汽车轻量化材料。上世纪70年代第一次第二次石油危机期间，面对日益高涨的石油价格，世界范围内的汽车制造商尝试用铝合金制造之前钢制的散热器、气缸盖与保险杠等部件以提高燃油效率。从此，铝合金在汽车中的比例不断提高。著名咨询公司达科国际（Ducker Worldwide）公布的研究数据表明，欧洲汽车平均用铝量自1990年已经翻了三倍，由50kg增长到目前的151kg，并将在2025年增长至196kg.

图2. 欧洲汽车用铝（140kg）分布比例（2012年数据）

目前，汽车轻量化趋势越来越猛烈，铝合金在轮毂、发动机、散热器、 油管等方面的应用非常广泛。车身质量占汽车总质量的40%左右，对于整车的轻量化而言，车身的轻量化起着举足轻重的作用。据2016年欧洲车身会议（EuroCarBody 2016）资料显示，铝合金应用率已经达部分高端车型白车身（即完成焊接但未涂装的车身）质量的一半以上。如阿斯顿·马丁（Aston Martin）DB11铝合金应用率高达86.1%， 第2代本田NSX（Acura NSX）达79.0%， 第5代路虎发现（Land Rover Discovery）达62.9%。然而，铝合金在普通车型车身上的应用还偏少。著名咨询公司达科国际（Ducker Worldwide）的数据显示，铝合金板在汽车车身的渗透率 2015 年时仅为 4%。时至今日，全铝车身制造依然是一项处于金字塔尖的技术，只在部分高端车型上得以应用。车身轻量化是目前汽车制造商轻量化发展方面的重要攻关课题。

图3. Aston Martin DB11铝合金应用分布

2.车用铝合金的主要种类

目前汽车用铝合金基本可分为压铸铝合金和变形铝合金，其中以压铸铝合金为主,约占66%左右。 变形铝合金又可以分为轧制板材（18%），挤压型材（11%）及少量锻压件（5%）。值得注意的是，2016年铸造铝合金虽然仍是车用铝合金的主要形式，但其份额较2012年下降了8个百分比。相反，由于车身轻量化的发展，轧制板材的份额由2012年的13%显著增长为2016年的18%。与此同时，挤压型材与锻压件的份额变化不大。

图4. 2016年与2012年欧洲汽车用铝种类对比

（1）铸造铝合金

铸造铝合金是目前大部分汽车上用量最大的铝合金种类，广泛用于车轮、发动机部件、底架、减震器支架以及空间框架等结构件。在汽车工业中，铸造铝合金轮毂是普及最快、铝化率较高的零部件。目前，绝大多数铝合金车轮采用A356合金通过低压铸造法制造，部分高档车轮则采用挤压铸造（业态模锻）、锻造或旋压技术制造。发动机的缸体和缸盖均要求材料导热性能好，抗腐蚀能力强，这正是铝合金的优势所在。目前大量国内外汽车采用了铝制缸体和缸盖，但铸铁仍在部分要求高强高耐性的场合使用。近年来，新型Al-Si-Cu-Mg-Fe系合金的开发及相应铸造技术的发展，使铝合金铸件达到更高性能，进一步推动了铝合金在发动机部件（包括柴油发动机）上的应用。缸体缸盖的铸造方法也较为多样，常见的有重力铸造、低压铸造等。此外，铸造铝合金在减震器支架、电动车电池包、结构箱体等结构件得到大量应用。由于这些部件多为形状复杂的薄壁件，故多采用Al-Si合金由高压铸造方法制造。

（2）变形铝合金

相较于铸造铝合金，变形铝合金在汽车上的平均应用份额还较少。达科国际（Ducker Worldwide）的调查表明，2016年变形铝合金仅占车用铝合金的34%（轧制板材18%，挤压型材11%，锻压件5%）。然而在部分采用全铝车身的高端车型上，变形铝合金的份额远远高于铸造铝合金。目前业内对包括全铝车身技术在内的变形铝合金的研发与应用技术投入较大，其所占比例迅速增大。达科国际（Ducker Worldwide）预测，由于铝合金车身技术的快速发展，变形铝合金（特别是轧制板材）在汽车上的应用将迎来迅速增长（如图1所示）。

车用变形铝合金主要包括5xxx系（Al-Mg系）、6xxx系（Al-Mg-Si系），以及少量2xxx系（Al-Cg系）、7xxx系（Al-Zn-Mg系）。其中，5xxx系合金不可热处理强化，成型性能优良，但成型后易出现屈服点延长而表面起皱，影响产品外观质量，因此主要用于内板等形状复杂的部位。6xxx系合金则可通过Mg、Si的固溶及Mg₂Si相的时效析出进行热处理强化，其涂装烘干后强度提高，且有较高的抗凹痕性，适用于外板、车身框架等要求强度、刚性的部位。除轧制板材，挤压型材也是重要车用变形铝合金，一般适用于等截面的结构件，如保险杠、吸能盒、前纵梁前段、门槛、后纵梁后段。中等强度的6xxx因其较高的挤出速率和表面质量，以及挤压过程中的时效硬化特性，是挤压型材的主要材料。在部分强度要求较高的场合，高强7xxx 系铝合金也用来生产挤压型材。同时，为提高抗冲击强度， 型材断面多采用“口”、“日”、“目”字形。

图5. 挤压型材制造的“日”字型吸能盒（左侧为碰撞前，右侧为碰撞吸能后）

3.车用铝合金的挑战与发展方向

铝合金在汽车轻量化浪潮中发挥了重要作用，然而也面临着重要挑战。实际上，轻量化并不仅仅是要求减重，而是要做到车辆的性能、安全、成本和重量四者之间的平衡。目前，车用铝合金面临的核心阻力仍然是高昂的成本，这使得全铝车身的应用只能局限于高端车型而暂时无法向数量庞大的经济车型拓展。铝合金的性能限制，也是制约其发展的重要因素。在某些部件上，它仍然无法取代钢铁。同时，铝合金的连接技术，尤其是铸铁-铝、钢-铝、镁-铝等多材料连接技术也是铝合金在汽车上应用受阻的一大因素。奥迪全新A8 D5就“抛弃”了坚持了二十余年的全铝车身，而采用了重量可观的高强钢。受此影响，D5车型比上一代车型增重51KG，但车身抗扭刚性大幅提升24%，安全性大幅增强，同时也大幅降低了成本。

欧盟曾在第六框架计划下于2004-2009年组织9个国家和地区的38家单位合作实施了超轻车身联合研发项目（SuperLight-Car）。该项目经验表明，车用铝合金的进一步发展，应同时致力于新型高性能合金和新型生产技术的研发。研发工作还需要整合资源，由汽车制造商牵头，联合原材料、零部件供应商及相关科研机构，共同探索先进的轻量化技术，推动车身轻量化相关产业链的建立。

主要参考资料：

1.Hirsch, J. (2014). Recent development in aluminium for automotive applications. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 24(7), 1995-2002.

2.Hirsch, J. (2011). Aluminium in innovative light-weight car design. Materials Transactions, 52(5), 818-824.

3.Lahaye, C., Hirsch, J., Bassan, D., Criqui, B., Sahr, C., Goede, M., & Volkswagen, A. G. (2008). Contribution of aluminium to the multi-material light-weight BIW design of superlight-car [C]. In HIRSCH J, SKROTZKI B, GOTTSTEIN G. Proceedings of the 11th International Conference on Aluminium Alloys. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (pp. 2363-2373).

4.Aluminum Content in Cars. Ducker Worldwide,https://www.ducker.com/

5.Aluminium in cars, unlocking the light-weighting potential. European Aluminium Association,https://www.european-aluminium.eu/

6.Goede, M., Stehlin, M., Rafflenbeul, L., Kopp, G., & Beeh, E. (2009). Super Light Car–lightweight construction thanks to a multi-material design and function integration, European Transport Research Review, 1: 5-10.

7.2016欧洲车身会议(EuroCarBody）资料。

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