汽車工業(yè)與鋁消費(fèi)

□文/王祝堂

中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會

汽車工業(yè)與鋁消費(fèi)

Automotive and Aluminum Consumption

□文/王祝堂

中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會

汽車工業(yè)的發(fā)展與鋁工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，鋁及鋁合金是汽車輕量化的首選材料。鋁的商業(yè)化生產(chǎn)與汽車的誕生在同一年。1886年美國大學(xué)生霍爾（Charles Manin Hall）與法國大學(xué)生埃羅（Pual Louis Heroalt）幾乎同時(shí)在大洋兩岸獨(dú)立發(fā)明了鋁熔鹽電解法制取工藝，至今全球生產(chǎn)的鋁都是按他們的原理提取的。1886年，卡爾·奔馳發(fā)明第一輛不用馬拉的三輪車，拉開未來文明世界的序幕；1889年巴黎世博會展出第一輛德國奔馳公司制造的汽油發(fā)動(dòng)的汽車，揭開了汽車時(shí)代的序幕。

一、鋁在汽車中的應(yīng)用

1897年克拉克（clark）三輪車和1898年問世的De Dion Bouton汽車的曲柄箱是用鋁制的，開創(chuàng)了鋁在汽車中應(yīng)用的先河。1901年第二屆紐約汽車展上出現(xiàn)了一批鋁制汽車零配件，有的汽車的木制車身已用鋁代替。1903年Gordon Benneth Napier汽車采用了鋁汽缸體。1904年問世的蘭徹斯特（Lanchester）車的后軸架由鋁合金鑄造。

1923年英國著名的汽車設(shè)計(jì)師波美羅（L.H.Pormeroy）設(shè)計(jì)的一款汽車用了相當(dāng)多的鋁合金零部件，其自身質(zhì)量僅相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)汽車的2/3。20世紀(jì)30年代由于鋼材價(jià)格比鋁低得多，能源充裕，鋁在汽車中應(yīng)用放緩。第二次世界大戰(zhàn)期間，鋁是一種戰(zhàn)略物資，在民用方面的應(yīng)用受到限制，同時(shí)由于飛機(jī)及其他軍工產(chǎn)品的需求增加，鋁工業(yè)得到迅速發(fā)展，特別是美國鋁工業(yè)的發(fā)展尤為顯著。戰(zhàn)后，鋁在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣。20世紀(jì)70年代汽車開始使用鋁制保險(xiǎn)杠、進(jìn)氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)頭、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、散熱器、傳動(dòng)系統(tǒng)零件、車輪等。

20世紀(jì)60年代每輛汽車的平均用鋁量為27.2kg，到90年代中期每輛汽車平均用鋁量升到113kg，約占車的自身質(zhì)量的8%。2005年美國轎車每使用0.454kg的鋁制零部件，車的自身質(zhì)量可下降1.021kg，目前美國汽車工業(yè)用鋁量已占其全部鋁消費(fèi)量的11.5%。新世紀(jì)初德國推出了全鋁的奧迪A8，是用鋁最多的小轎車，每輛重550kg；美國福特汽車公司的AIV車的車身也是全鋁的。所謂全鋁轎車是指在目前的技術(shù)條件下，可用鋁合金制造的零件都已鋁化。由于真空釬焊技術(shù)的發(fā)展，1986年美國生產(chǎn)的汽車有一半裝上鋁散熱器，2008年的鋁化率已超過80%，因?yàn)殇X價(jià)格比銅的低，而鋁散熱器的質(zhì)量又比銅的輕50%。

卡車用鋁各國不盡相同，后工業(yè)化國家的鋁化率較高。如美國與加拿大的2008年廂式貨車與特種車的鋁化率達(dá)88.5%以上。車輪是汽車用鋁最多的單一零件，按每輛車配備5個(gè)車輪計(jì)算，車輪的含鋁量約36kg。2008年全世界小轎車的平均鋁含量146kg/輛。實(shí)踐證明，盡量多地采用鋁是解決問題的最有效途徑。采用鎂制零部件的節(jié)能減排效果雖然比鋁的大，但鋁的綜合性能較好，性價(jià)比較高，所以在汽車制造中，鎂在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)還不可能較多地替代鋁。

2010年初美國能源部制訂了汽車（小轎車）新的能效標(biāo)準(zhǔn)，要求其燃油效率達(dá)到6.9升/百公里。小轎車在標(biāo)準(zhǔn)公路上行駛時(shí)，車的自身質(zhì)量消耗的能量占85%左右，這說明汽車減重的重要性與迫切性。

1. 典型鋁及鋁合金零部件

鋁及鋁合金在汽車中的用量僅次于鋼與鑄鐵，居第三位，而在全鋁轎車中的用量上升到第二位。在日本鋁壓鑄件及鑄件占汽車全部用鋁量的90%以上。鋁用量的增加主要是由于汽缸體、散熱器、車輪、保險(xiǎn)杠、車身外板及構(gòu)架等鋁化率的提高。

（1）車輪

車輪是重要的保安件，對其安全性有很高的要求。鋁輪在轎車中應(yīng)用相當(dāng)普遍，不但有高的強(qiáng)度，而且有高的疲勞強(qiáng)度、抗震性、可焊性等。鑄造鋁合金還有良好的鑄造性能，鋁輪不但質(zhì)輕，而且散熱性好，可防止輪胎過熱，盡寸精度高，可降低縱向及橫向振動(dòng)。車輪是剛性零件，支撐著輪胎，它與汽車的多種性能關(guān)系緊密，整車的安全性和可靠性很大程度上取決于所有車輪及所裝輪胎的性能和使用期限。

與鋼車輪相比，鋁合金車輪能更好地滿足以上諸多要求，從長遠(yuǎn)看來，轎車輪的鋁化率可望于2020年接近或達(dá)到100%。

（2）底盤零部件

對減輕汽車的重量來說，用鋁合金取代鋼與鑄鐵制造零部件具有相當(dāng)大的潛力。通用汽車公司在卡迪拉克和克爾維特車的懸掛系統(tǒng)中使用了鋁合金部件，懸掛系統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)也基本以鋁代替了鑄鐵。福特汽車公司用鋁合金制造轎車的制動(dòng)盤，重僅2.27kg，僅為鑄鐵盤的1/3，盡管成本上升，但使用期限卻延長了2倍。克萊斯勒汽車公司的尼奧里特車（Neod Lite）的底盤使用了許多鋁合金零件，減重效果顯著：轉(zhuǎn)向機(jī)萬向節(jié)質(zhì)量下降3kg、下控制臂的降低2.6 kg、轉(zhuǎn)向機(jī)殼的減小1.36kg、轉(zhuǎn)向軸的降低1.9kg、后制動(dòng)鼓的下降3.6kg，前制動(dòng)踏板架的減輕0.8kg。

（3）鋁制試驗(yàn)車

一些汽車制造公司在保證行車安全與乘坐舒適性的前提下研發(fā)了鋁試驗(yàn)車，意大利阿里法羅歐公司試制的以節(jié)能為主的埃斯瓦爾車（ESVAR）的質(zhì)量減輕9%，而以安全性為主的斯瓦爾車（SVAR）的質(zhì)量只不過減輕3%。英國BL特克諾爾基公司試制的ECV3車的質(zhì)量比鋼制車的輕45%，其承重部位用鋁合金制造，而非承重部位及外板則用玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）制造。瑞典沃爾沃汽車公司的全鋁LCP2000試驗(yàn)車的承重部位的主車架和地板都是鋁合金的，開發(fā)目的是降低生命周期的總能耗：從原材料選擇、半成品制造、零件加工、部件裝配、整車組裝需要的能量，行駛能耗及報(bào)廢車材料再生能耗的總量看比原有鋼制車節(jié)省約40%。

LCP2000車在設(shè)計(jì)過程中，為了補(bǔ)償剛性不足將地板中部制成三角形增強(qiáng)，為將前、后座背對著背安裝，后座乘員面向后方。燃料箱和蓄電池裝于三角框中，具有相當(dāng)強(qiáng)的防火性能。凈構(gòu)架（車身框架）、制動(dòng)鼓與圓盤等全是鋁的，整車鋁質(zhì)件的總質(zhì)量占整車質(zhì)量的25%。

（4）車身鋁材的發(fā)展

發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)80年代中期起一批汽車制造商與鋁廠合作加強(qiáng)了對車身鋁材的研發(fā)。1995年德國奧迪公司開始批量生產(chǎn)全鋁車身，使鋁在汽車中的應(yīng)用逐年上升，北美汽車工業(yè)在1990～1998年間的用鋁量上升了102%。

日本住友輕金屬公司與美國雷諾茲金屬公司（Reynolds Metals Com，2005年被美國鋁業(yè)公司并購）共同開發(fā)的SGll2一T4A車身鋁合金板材，其硬度與強(qiáng)度比常規(guī)鋁合金的高，同時(shí)具有沖壓成形性能好，在涂裝后的烘烤過程中可發(fā)生時(shí)效強(qiáng)化作用。

1995年奧迪公司批量生產(chǎn)的Audi A8型轎車開全鋁車身高檔轎車之先河。它的空間框架（ASF）是用鋁合金擠壓型材制成的，由于鋁的強(qiáng)度比鋼的低，所以鋁型材的壁厚比相應(yīng)鋼材壁厚大0.75倍左右。型材框架梁用鋁合金壓鑄接頭連接，需要焊接的連接處可用MIG（金屬惰氣焊）法焊接。鋁合金壓鑄接頭可制成種種形狀，既可以滿足結(jié)構(gòu)需求，又能確保車身節(jié)點(diǎn)有足夠高的剛度。車身外覆蓋件以鋁合金薄板沖制，其厚度為鋼板的1.2～1.25倍，有些覆蓋件的加強(qiáng)板也用的是擠壓鋁型材。

覆蓋件與骨架的連接為鉚接，鉚接的強(qiáng)度比點(diǎn)焊的約高30%。在Audi A8車的連接中鉚接占68%，由于Audi A8型車的車身是用鋁型材、鋁板與壓鑄件制成，所以其質(zhì)量比鋼的輕40%，其靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度也提高了40%以上。

2. 成本高是影響鋁在汽車中應(yīng)用的主要障礙

鋁及鋁合金成本高仍是它們在汽車中進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙，例如鋁合金汽車板材的成本約為鋼板的4倍。在汽車鋁合金零件成本中其加工制造成本主要決定于原材料價(jià)格。但再生鋁的復(fù)化能耗僅相當(dāng)于原鋁提取能耗的5%左右，而廢鋼的再生能耗則相當(dāng)于精鋼冶煉能耗的25%～60%。因此，在汽車零部件制造中盡量多地使用再生鋁是降低成本的有效措施之一，如果一輛轎車的鋁車體結(jié)構(gòu)材料中再生鋁占75%，則于由車體的減輕行駛4年（行駛約93 400km）所節(jié)省的汽油（在其價(jià)格為4.8元/升時(shí)）足以彌補(bǔ)以鋁代鋼成本提高的支出。盡管鋁制零部件的制造及裝配工藝與鋼的相差并不懸殊，但前者的加工制造及裝配成本都比后者的高。

在汽車零部件成本中還有服務(wù)使用成本與“后使用”成本。乘用車在使用期間的成本決定于行駛里程、燃料消耗及其價(jià)格。由于鋁車體質(zhì)量比鋼車體輕，當(dāng)然會節(jié)省一大筆燃料費(fèi)，但節(jié)約量在很大程度上決定于燃料價(jià)格。燃料價(jià)格越高，鋁車體結(jié)構(gòu)增加的成本（高的原材料成本與加工制造、安裝成本的上升）的回收期就越短。燃料價(jià)格總是在上升，因此汽車減重是一個(gè)“永恒"的話題，減重就是節(jié)能減排。在此還未計(jì)算使用鋁使汽車自身質(zhì)量減輕而減少排放溫室氣體所帶來的社會經(jīng)濟(jì)效益。

所謂“后使用”成本實(shí)質(zhì)上就是指汽車報(bào)廢后的廢料及廢件的價(jià)值，當(dāng)然廢鋁的價(jià)格比廢鋼高得多，可惜汽車用鋁量還不多，在1998年至2007年的l0年內(nèi)歐洲商務(wù)汽車的用鋁量翻了一番多，2007年到2017年的10年內(nèi)歐洲汽車的用鋁量還將超過1倍多。

二、鋁及鋁合金在中國汽車中的應(yīng)用

汽車制造業(yè)是中國四大支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是用鋁最多的產(chǎn)業(yè)。2008年世界汽車總產(chǎn)量7 052.66萬輛，按每輛消費(fèi)鋁142kg計(jì)算，鋁的總用量約1 001.4萬噸，占全球鋁消費(fèi)總量5 800萬噸（原鋁3791萬噸，再生鋁2009萬噸）的17.3%，這20年的年平均增長率17.8%；1 999年～2009年的平均增長率22.3%，為世界汽車產(chǎn)量年平均增長率的18.6倍（1999年全球汽車總產(chǎn)量5 625.9萬輛，2008年為7 052.7萬輛，年平均增長率1.2%）。中國汽車鋁化率與發(fā)達(dá)國家相比尚有一定的差距，但已進(jìn)入高速發(fā)展階段。小轎車的鋁化率高于大、中型客車，更高于貨車，引進(jìn)生產(chǎn)線的鋁化率高于國產(chǎn)線。壓鑄件和鑄件在鋁的用量中所占的比例大大高于鋁加工材。2008年上海桑塔納轎車的鋁含量約占整車自身質(zhì)量的9.6%，其中82%以上為壓鑄件與鑄件，如車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、轉(zhuǎn)向器殼體、變速箱后蓋、踏腳支架、進(jìn)氣歧管、變速箱殼體等。其中車輪的質(zhì)量約36kg/輛、氣缸蓋質(zhì)量10.25 kg/輛、進(jìn)氣歧管質(zhì)量2.06kg/輛，變速箱殼體質(zhì)量8.45kg/輛，其他鋁件質(zhì)量約10kg/輛。

西安西沃客車公司是國內(nèi)首家生產(chǎn)豪華全鋁旅游客車及高級長途客車的合資企業(yè)，主導(dǎo)產(chǎn)品為Volvo BIOM豪華旅游大客車，其底盤及2000系統(tǒng)模塊技術(shù)制造的底盤與2000系統(tǒng)模塊技術(shù)制造的車身是全鋁合金的，由2Al2鋁合金的板、型材作車身，用量約1噸/輛，大梁為2A12鋁合金擠壓型材，用量約240kg/輛，頂棚是用厚1.5mm、2.0mm、3.0mm～6.0mm的5A02一H24鋁合金板材制造的，用量約5m2/輛。2010年3月28日中國吉利有限公司斥資18億美元就收購沃爾沃公司一事與福特公司在瑞典哥德堡正式簽約。吉利公司獲得沃爾沃轎車公司100%股權(quán)以及包括知識產(chǎn)權(quán)在內(nèi)的相關(guān)資產(chǎn)，并首次確認(rèn)將在中國建設(shè)新廠生產(chǎn)沃爾沃轎車，既買到沃爾沃的核心技術(shù)、專利等知識產(chǎn)權(quán)和制造設(shè)施，還獲得了沃爾沃在全球的經(jīng)銷渠道，為中國汽車產(chǎn)業(yè)“走出去”提供了現(xiàn)成的通道，迅速提升、中國及零部件在歐、美、日市場的比例，解決中國汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新所面臨的知識產(chǎn)權(quán)問題，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)化后國家汽車市場——“你中有我”零的突破，從根本上改變了中國汽車產(chǎn)業(yè)的國際形象。2009年西沃客車有限公司鋁用量約3.5萬噸。

重慶專用車廠生產(chǎn)的吉普車使用了拉網(wǎng)板和涂層板，要求拉網(wǎng)板不收縮，涂層板厚度0.8mm；西安車輛廠生產(chǎn)的油罐車的罐是用3003鋁合金板材焊接的，用量約1噸/輛；中國生產(chǎn)的客車平均用鋁量（不含車輪）約300kg/輛。

鋁散熱器采用復(fù)合鋁材，該系統(tǒng)由散熱管（ф5mm～ф25 mm）、散熱片和水箱等組成。

美國鋁業(yè)公司與中國鄭州宇通客車有限公司共同研制的新一代節(jié)能環(huán)保全鋁大客車不僅美觀時(shí)尚，而且全車采用的鋁合金框架結(jié)構(gòu)清晰可見，體現(xiàn)了材料、設(shè)計(jì)、工藝的完美結(jié)合，更重要的是，鋁制環(huán)?？蛙嚨氖褂脤⑦M(jìn)一步推動(dòng)交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排與低碳社會的進(jìn)程，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。有關(guān)研究表明，在車輛運(yùn)行周期中，其自身質(zhì)量每下降1 000kg，就可以減少燃料消耗4 800L，降低溫室氣體排放11.2噸。該車的鋁合金車門的質(zhì)量僅10.2kg，而傳統(tǒng)的鋼制車門的卻高達(dá)22.7kg，即下降了55.1%。

鑄造鋁合金在制造汽車零部件中用得最多，特別是再生鋁合金。上海大眾汽車公司桑塔納轎車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞是用KS275合金鑄造的，這是日本神戶鋼鐵公司的一種鋁一硅系合金，其成分與ZLl09鋁合金的相近，它具有強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)、耐熱性好、定型后變形率小等特點(diǎn)，每輛車的用量1.2kg。汽車內(nèi)燃機(jī)殼體多用日本牌號的ADC12和AC4B鋁合金鑄造，其成分與中國的ZLl02鋁合金的相當(dāng)，具有良好的攻絲加工等機(jī)械加工性能。當(dāng)前93%以上的汽車鋁車輪是用A356型鋁合金低壓鑄造的，也有用A514鋁合金的，中國大部分選用ZL101鋁合金。用鍛造法、半固態(tài)模鍛法、機(jī)械加工法、擠壓鑄造法制造的輪車僅占6%左右。大型公共汽車及重型卡車的車輪因受力大，都是鍛造的，美國鋁業(yè)公司是最大的供應(yīng)商。

鋁合金缸蓋及進(jìn)氣歧管，一般采用金屬型重力鑄造和低壓鑄造法生產(chǎn)，選用的合金有美國的A319、A356、A360鋁合金，中國的ZL104、ZL106、ZL107鋁合金。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞為金屬型重力鑄造產(chǎn)品，采用共晶型或過共晶型鋁一硅系合金，如美國的A13320、A63320、A02220、A03280、A03280合金，中國的ZLl08鋁合金等。目前，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體多用壓鑄法生產(chǎn)，鑲鑄的缸套可用共晶或亞共晶型鋁一硅型合金，為鑄得整體缸體和提高耐磨性，可選用過共晶型鋁一硅合金，如A390鋁合金，它有高的耐磨性及耐熱性，但鑄造性能較差，機(jī)械加工性能也不如亞共晶鋁一硅合金和鑄鐵的，因此，有轉(zhuǎn)用和研發(fā)低硅及中硅鋁合金的必要。