細(xì)論車用鋁材發(fā)展未來(lái)

□文/朱則剛

細(xì)論車用鋁材發(fā)展未來(lái)

Discussed in the Future trends of Automotive Aluminum

□文/朱則剛

目前，全世界鋁消費(fèi)量的15%以上用于汽車制造工業(yè)，有些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家甚至已經(jīng)超過18%，平均每輛汽車用鋁140千克。由于汽車制造業(yè)的繁榮，正在推動(dòng)鋁消費(fèi)量的增長(zhǎng)。

節(jié)能減排促使國(guó)內(nèi)汽車輕量化

汽車用鋁的潛力是很大的，美國(guó)通用汽車公司計(jì)劃在未來(lái)10年內(nèi)汽車單位用鋁量將比現(xiàn)在增加百分之五十，目前其平均用鋁約為131千克。在歐洲，汽車鋁制品化的進(jìn)程也在加快。以北美家庭轎車各種主要材料構(gòu)成為例，北美家庭轎車用材中鋼、塑料、鋁的構(gòu)成分別為54%、8%、8%。盡管鋼和鐵目前仍為北美轎車生產(chǎn)用的主要金屬材料，但是鋼和鐵的應(yīng)用呈逐年下降的趨勢(shì)，而塑料、鋁、鎂輕金屬材料的比重正在逐年增加。在1991年使用高強(qiáng)度鋁合金以來(lái)，北美汽車制造中鋁的用量增加了兩倍，運(yùn)動(dòng)多用途車、皮卡和微型廂式車呈三倍增長(zhǎng)，平均每車用鋁達(dá)116.1kg，比轎車（平均每車109kg）增長(zhǎng)的還要多。我國(guó)汽車行業(yè)保持每年10%的增長(zhǎng)速度，每輛汽車用鋁保持115kg不變，到2010年，汽車用鋁達(dá)到99.6萬(wàn)噸。汽車單車用鋁量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，每年汽車工業(yè)用鋁量將隨著單車用鋁量的上升而增大。

據(jù)有關(guān)部門測(cè)算，一輛車若減重10%，可相對(duì)減少6%到8%的燃油消耗，燃油效率提高5.5%。而要給汽車減重就必須大量采用新型材料，在所有的材料中最優(yōu)良的則是鋁。汽車用鋁具有明顯的減重節(jié)能效果，是促進(jìn)汽車輕量化的重要材料之一。鋁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車，可使整車重量減輕30%～40%。制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減重30%，鋁質(zhì)散熱器比相同的銅制品輕20%～40%，轎車鋁車身比原鋼材制品輕40%以上，汽車鋁車輪可減重30%左右。

此外，鋁回收簡(jiǎn)便，是鋼鐵以外能最大限度回收利用的材料，幾乎90%的汽車用鋁回收并循環(huán)使用。鋁具有良好的物理和化學(xué)性能，工業(yè)生產(chǎn)中的鑄、鍛、沖工藝均能適用，是少數(shù)幾種可采用多種鑄造工藝生產(chǎn)零件的金屬，最適合汽車生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的壓力鑄造工藝。正是由于鋁的這些優(yōu)良性能，加之我國(guó)鋁資源相對(duì)豐富，是僅次于鋼鐵的結(jié)構(gòu)材料，使鋁成為汽車輕量化中經(jīng)濟(jì)適用和最有競(jìng)爭(zhēng)力的材料。

鋁工業(yè)成為汽車發(fā)展最大受益者給業(yè)內(nèi)帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇

根據(jù)Ducker公司的研究結(jié)果，到2010年，世界三大主要汽車市場(chǎng)的用鋁量平均會(huì)達(dá)到287kg/輛。目前，北美的汽車平均用鋁量居世界之首，歐洲汽車工業(yè)用鋁量增長(zhǎng)最快。為了促進(jìn)鋁的消費(fèi)，許多國(guó)家成立了鋁的相關(guān)組織，并將汽車用鋁的應(yīng)用寫入有關(guān)的政策法規(guī)。日本鋁業(yè)協(xié)會(huì)還專門成立了汽車用鋁委員會(huì)。隨著世界汽車輕量化進(jìn)程的加快，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際化日趨激烈，國(guó)產(chǎn)汽車要達(dá)到國(guó)外同類車水平，汽車用鋁增加是必然趨勢(shì)。今后鋁合金的用量將隨著各類汽車產(chǎn)量的上升而增加，必將給我國(guó)鋁工業(yè)提供廣闊的市場(chǎng)，帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇。

多年以來(lái)，汽車行業(yè)一直在汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和制造技術(shù)等方面開展試驗(yàn)研究工作，開發(fā)安全可靠、高速舒適、節(jié)能環(huán)保型現(xiàn)代汽車，其首要的部題是汽車輕量化。汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)高速、安全、環(huán)保、舒適的最佳途徑。鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼鐵制造汽車，可使整車質(zhì)量減輕30%～40%，制造發(fā)動(dòng)機(jī)可減重30%，制造缸體和缸蓋可減重30%～40%，轎車全鋁車身比原鋼材制品輕40%以上，汽車鋁合金車輪減重可達(dá)50%左右。汽車輕量化的需求使得鋁合金的發(fā)展面臨一個(gè)更廣闊的空間，據(jù)專家預(yù)測(cè)，汽車材料鋁化率達(dá)到60%以上在經(jīng)濟(jì)上是可取的。據(jù)此推測(cè)，未來(lái)汽車的鋁化極限可達(dá)30%～50%或以上。新的汽車鋁材開發(fā)與應(yīng)用集中在三個(gè)方面，其一，車身、車架全鋁化及大型鋁合金型材的開發(fā)應(yīng)用。其二，防沖擋及車門剛性結(jié)構(gòu)的全鋁化。其三，轉(zhuǎn)動(dòng)部分零部件的全鋁化。

鋁在汽車制造中的應(yīng)用范圍正不斷地增長(zhǎng)

汽車用鋁主要是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤行走系統(tǒng)、車身系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)等。在西歐、北美和日本，轎車和輕型車的車輪鋁化率達(dá)80%以上，空調(diào)器則完全采用鋁材，散熱系統(tǒng)的鋁化率歐洲達(dá)到80%以上，美國(guó)達(dá)70%以上。目前，我國(guó)汽車用鋁量相對(duì)較低，除熱交換材料的研究和應(yīng)用已取得了較好的成績(jī)，鋁化率達(dá)到50%左右，其它方面都比較薄弱。為減輕重量，鋁在汽車制造中的應(yīng)用范圍正不斷地增長(zhǎng)。除結(jié)構(gòu)件、行走機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)屬件之外，鋁在外覆件范圍也獲得重要的應(yīng)用。比塑料更具吸能性并同時(shí)可再塑特性，這就給予鋁在未來(lái)提供更加好的機(jī)會(huì)。即便鋁的成本明顯高于鋼板，而且加工工藝更為復(fù)雜，但也阻擋不了這種趨勢(shì)的發(fā)展。

隨著技術(shù)的發(fā)展，在汽車上鋁除單獨(dú)應(yīng)用之外，還與諸如鋼加以復(fù)合，制造三層復(fù)合feran(鋁—鋼—鋁)，用于消聲器設(shè)備、熱保護(hù)裝置、氣缸蓋密封等以及其它保護(hù)汽車不受發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣設(shè)備熱量影響的零部件。鋁與優(yōu)質(zhì)鋼的復(fù)合，通過一種控制很精密的輥壓方法保持大約30%的變形性能，從而達(dá)到可成形性的最高要求。這種材料用在諸如汽車在保持優(yōu)質(zhì)鋼精美條件下而又要求減重的那些地方。還有一種所謂鋁涂覆法，就是對(duì)鋼件涂敷鋁。這是一種最有利于環(huán)境保護(hù)的選用方法。這種水溶性電鍍工藝，是用鋁或者鋁合金進(jìn)行表面涂覆。涂層厚在5μ以上，無(wú)氣隙，具有突出的可成形性，而且提供極端使用條件下最好的防銹保護(hù)能力。除此之外，一種面世不久的鋁一木質(zhì)夾層復(fù)合板(aluwood)越來(lái)越頻繁地用到商用車車身上。aluwood，是一種具有可維修性和具良好回收能力的木質(zhì)芯其兩面貼以鋁薄板的復(fù)合板，最外層是僅0.4mm(包括很薄的涂漆)。這種aluwood以各種不同的厚度供貨。aluwood與目前常用的plywood(膠合板)的結(jié)構(gòu)與特性比較，可以看出aluwood較之plywood性能良好。

鋁在保險(xiǎn)杠上應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上，一系列的結(jié)構(gòu)元件在防撞方面起著關(guān)鍵的作用。其中，首先包括前后保險(xiǎn)杠橫梁，以及在汽車前部所謂的防撞箱形結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)件應(yīng)能在強(qiáng)烈負(fù)荷下塑性變形，并由此而吸收能量。重要的是，所需力與經(jīng)過整個(gè)變形行程的能量吸收盡可能平衡。

發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)框部件發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)框部件要求重量輕，熱傳導(dǎo)性能好和易于制造，鋁合金鑄件用于汽缸蓋、缸體和進(jìn)口岐管，變速箱體外殼和離合器罩。

為滿足汽車部件的用鋁要求開發(fā)各種生產(chǎn)方法和工藝技術(shù)，例如，重力壓鑄、低壓壓鑄、擠壓壓鑄和高壓壓鑄，低壓壓鑄生產(chǎn)成本低。未來(lái)的挑戰(zhàn)是把鋁合金應(yīng)用到那些尚沒有采用鋁合金的汽車零部件方面去，當(dāng)然是在成本合理的基礎(chǔ)之上，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和延長(zhǎng)模具使用壽命是降低成本的關(guān)鍵，并且高壓壓鑄在更廣泛的范圍里代替低壓壓鑄。

多種材料車體對(duì)于減輕汽車自重降低成本頗具市場(chǎng)潛力。所謂多種材料車體就是采用鋼鐵、鎂合金、鋁合金和塑料樹脂等材料制成車體，各種材料的成本和性能均滿足汽車使用的要求，例如梅塞德斯：奔馳600CL，其采用抗拉強(qiáng)度高的簿鋼板做減震器，鋁合金簿板用作內(nèi)裝板，鋁擠壓型材用于發(fā)動(dòng)機(jī)，鋁壓鑄件用于汽車后部分，鎂壓鑄件用于車門內(nèi)襯，纖維增加塑料用于車頂蓬。多種材料車體對(duì)于減輕汽車自重降低成本頗具市場(chǎng)潛力。

鍛造鋁合金用于連接梁，鋁合金鑄件用于車輪，最近寶馬 S系列采用鋁合金材料用于懸臂件，尼桑Cedric和Gloria轎車的鋁懸臂連接件均用半固態(tài)成型工藝技術(shù)生產(chǎn)，梅塞德斯·奔馳S車型的分框架是采用真空壓鑄工藝技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金鑄件。將來(lái)采用半液態(tài)或半固態(tài)成型工藝技術(shù)的鋁合金鑄件會(huì)取代鋁合金鍛體，真空壓鑄工藝技術(shù)生產(chǎn)一體化的大型簿壁件會(huì)降低生產(chǎn)成本和減輕車體重量，改善汽車穩(wěn)定性。其他汽車部件7000系列鋁合金擠壓材主要用于減震器和門撐條，過去一些豪華型轎車是采用鋼管來(lái)制作，要求高抗拉強(qiáng)度，在780MPa～1480MPa之間。

汽車用鑄造鋁合金以Ai-Si系合金為主，所用鋁鑄件多采用壓力鑄造、低壓鑄造和金屬型重力鑄造工藝生產(chǎn)，其中壓鑄件占70%以上。當(dāng)今世界轎車和輕型車幾乎都裝用鋁合金缸蓋和進(jìn)氣管。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)10%的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋采用鋁鑄件。至21世紀(jì)初，北美轎車市場(chǎng)上鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)占有率幾乎接近100%，鋁合金缸蓋和進(jìn)氣管，一般采用金屬型重力鑄造和低壓鑄造；發(fā)動(dòng)機(jī)活塞為金屬型重力鑄造產(chǎn)品，采用共晶或過共晶鋁－硅合金。目前，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體多用壓鑄工藝生產(chǎn)，鑲鑄缸套，一般用共晶或亞共晶鋁－硅合金，該合金耐磨和耐熱性能好，但鑄造性能較差，機(jī)加工性能不如亞共晶鋁－硅合金和鑄鐵，目前各公司均在研制開發(fā)和應(yīng)用低硅和中硅的鋁合金。

傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤行走系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和薄壁殼體件多用壓鑄工藝生產(chǎn)，為獲得好的鑄造工藝性能，一般選Ai-Si合金。鑄造鋁合金車輪采用低壓鑄造和擠壓鑄造工藝生產(chǎn)，選用Ai-Si合金。

變形鋁合金材料主要用在汽車的散熱系統(tǒng)、車身、底盤等部位上，汽車水箱、汽車空調(diào)器的蒸發(fā)器和冷凝器等主要是用復(fù)合帶箔材及管材；車身頂板、車身側(cè)板、擋泥板、地板，以及底盤等則是多用板材、擠壓型材。日本近年來(lái)，由于汽車散熱系統(tǒng)、車身鋁合金化進(jìn)程的加快，使汽車用變形鋁合金材料也迅速增長(zhǎng)。美國(guó)汽車工業(yè)用變形鋁合金占該國(guó)汽車用鋁量的1/3左右。

中國(guó)汽車鋁材需求及用鋁前景

為了獲得大的生產(chǎn)批量，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，目前，汽車工業(yè)選用鑄造工藝生產(chǎn)鋁合金零件較多，汽車用鋁約3/4為鑄造鋁合金。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近20年來(lái)，全球鋁鑄件的總產(chǎn)量平均每年以約3%的速度遞增，而總產(chǎn)量中的60%～70%用于汽車制造。據(jù)預(yù)測(cè)，世界轎車鋁鑄件平均用量到135kg，增長(zhǎng)94%。

目前，我國(guó)汽車鋁鑄件的年需求量為15萬(wàn)噸至18萬(wàn)噸，并正以每年1.5萬(wàn)噸至1.8萬(wàn)噸的速度遞增。隨著轎車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁材化和鋁車輪裝車率上升，部分引進(jìn)轎車鋁鑄件轉(zhuǎn)入國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，我國(guó)汽車鑄件的需求量將不斷增加，汽車鋁鑄件市場(chǎng)的增長(zhǎng)空間巨大。轎車車身用鋁是業(yè)內(nèi)關(guān)注的問題，資料介紹，采用210kg的鋁車身比相應(yīng)的鋼車身輕40%左右，在不改變汽車容積下，提高車速，增大乘坐空間，使汽車行使平穩(wěn)，安全舒適。吉利汽車在國(guó)家提出節(jié)約型社會(huì)的前提下，在發(fā)動(dòng)機(jī)總成上，已經(jīng)大量使用鑄鋁件（進(jìn)氣歧管，缸體和缸蓋等），吉利在整車上，車輪也已經(jīng)大量使用鋁質(zhì)產(chǎn)品，還包括熱交換器（散熱器和冷凝器）。

汽車工業(yè)要推進(jìn)汽車擴(kuò)大用鋁，加強(qiáng)與鋁工業(yè)的緊密合作，開發(fā)節(jié)能降耗環(huán)保型現(xiàn)代汽車，使國(guó)產(chǎn)汽車用鋁達(dá)到世界先進(jìn)水平，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)鋁工業(yè)的發(fā)展，讓中國(guó)汽車工業(yè)和中國(guó)鋁工業(yè)共同邁進(jìn)世界先進(jìn)行列。中國(guó)汽車工業(yè)在鋁材方面的應(yīng)用還落后于發(fā)達(dá)國(guó)家水平，中國(guó)汽車用鋁還有很大的發(fā)展空間。未來(lái)我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展為鋁業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)鋁業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步也必將推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。