鋁合金在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用

根據(jù)美國(guó)環(huán)保局（EPA）2005年數(shù)據(jù)，交通運(yùn)輸?shù)臏厥覛怏w排放僅次于電氣行業(yè)。2006-2013年，全球汽車(chē)保有量平均以4%的速度增長(zhǎng)，而中國(guó)私人汽車(chē)擁有量增長(zhǎng)速度更高達(dá)20%以上，汽車(chē)保有量的快速增長(zhǎng)加大了環(huán)境壓力。隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)愈加重視，各項(xiàng)減排法規(guī)的出臺(tái)，汽車(chē)行業(yè)減排勢(shì)在必行；此外，世界能源儲(chǔ)量有限的約束、能源價(jià)格上漲也刺激汽車(chē)行業(yè)節(jié)能工作的開(kāi)展。研究表明，約75%的油耗與整車(chē)質(zhì)量有關(guān)，為降低油耗及排放，汽車(chē)輕量化勢(shì)在必行。

汽車(chē)輕量化的概念最早起源于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)。20世紀(jì)初賽車(chē)運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)提出參賽賽車(chē)質(zhì)量的限制，成為史上第1個(gè)輕量化事件。此后，主要發(fā)達(dá)國(guó)家分別從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝3個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化。

汽車(chē)輕量化不僅僅是指汽車(chē)質(zhì)量的下降，而是在保證汽車(chē)整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或使用新材料最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量，努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動(dòng)和良好的操縱性、高可靠性等，從而達(dá)到降低燃油消耗、減少污染排放的目的。歐洲鋁協(xié)研究數(shù)據(jù)表明，若汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；若滾動(dòng)阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車(chē)橋、變速器等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率提高10%，燃油效率可提高7%。具體從絕對(duì)量來(lái)說(shuō)，汽車(chē)質(zhì)量每降低100kg，每百公里可節(jié)約0.6L燃油；大量使用鋁合金的汽車(chē)，平均每輛汽車(chē)可降低質(zhì)量300kg（從1 400kg到1 100kg），壽命期內(nèi)排放可降低20%。此外，輕量化還將在一定程度上提高車(chē)輛操控穩(wěn)定性和碰撞安全性。

一、汽車(chē)輕量化技術(shù)

實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的途徑主要有以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝（圖1）。

1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要任務(wù)是在滿(mǎn)足工藝要求的前提下進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計(jì)，主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（表1）。

2.先進(jìn)制造工藝

實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的先進(jìn)工藝主要包括液壓成型技術(shù)和激光焊接技術(shù)。

液壓成型技術(shù)。20世紀(jì)70年代末期，德國(guó)率先開(kāi)始對(duì)管材液壓成型技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，并于20世紀(jì)90年代初率先采用管材液壓成型技術(shù)制造汽車(chē)構(gòu)件，該技術(shù)因1994年的“ULSAB”計(jì)劃的開(kāi)展而得到快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的沖壓-焊接工藝相比，液壓成型技術(shù)可降低11%的零件成本、14%的設(shè)備成本、減輕零件7.3%的質(zhì)量，目前，已有超過(guò)50%的汽車(chē)底盤(pán)裝配有液壓成型產(chǎn)品。

激光焊接技術(shù)。該技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的以高能量密度的激光為熱源的精密焊接技術(shù)。其應(yīng)用包括汽車(chē)零件的激光焊接、板材的激光焊機(jī)、車(chē)身激光焊接，激光焊接已成為汽車(chē)制造生產(chǎn)中最主要的焊接方法之一。

液壓成型技術(shù)和激光焊接技術(shù)和對(duì)比見(jiàn)表2。

3.輕量化材料的應(yīng)用

在輕量化技術(shù)中，輕量化材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是當(dāng)前最主要研究方向。在輕量化材料的使用方面，用高強(qiáng)度鋼和鋁、鎂合金替代普通鋼來(lái)制造汽車(chē)主要承載構(gòu)件已成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。此外，塑料、復(fù)合材料、精細(xì)陶瓷也被應(yīng)用到汽車(chē)結(jié)構(gòu)中。其中，使用高強(qiáng)度鋼、玻璃纖維復(fù)合材料、鋁、鎂、碳纖維復(fù)合材料代替原本的低碳鋼可分別減輕質(zhì)量15%～25%、25%～35%、40%～50%、55%～60%、55%～60%。圖2為輕量化材料在汽車(chē)中的應(yīng)用部位圖，表3為輕量化材料性能及應(yīng)用對(duì)比。

二、汽車(chē)輕量化材料——鋁合金

鋁是最早成為鋼材替代品的汽車(chē)制造材料，目前鋁已成為汽車(chē)制造中用量?jī)H次于鋼材和鑄鐵的材料，在全鋁汽車(chē)中，其用量甚至排在第2位。目前，鋁代鋼的成本仍然略高，但是鋁代鋼仍可以通過(guò)減輕車(chē)重所減少的油耗來(lái)幫助消費(fèi)者節(jié)約用車(chē)成本。乘用車(chē)的主要組件在整車(chē)質(zhì)量中所占比例不同，在整車(chē)中，質(zhì)量最大的組件為動(dòng)力系統(tǒng)、底盤(pán)系統(tǒng)以及車(chē)身，這3大系統(tǒng)的總質(zhì)量達(dá)到整車(chē)質(zhì)量的83%，其中車(chē)身質(zhì)量占比為28%。鋁合金代替鑄鐵和鋼材零件的質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)表4。

據(jù)歐洲鋁協(xié)預(yù)測(cè)，汽車(chē)材料鋁化率達(dá)到60%在經(jīng)濟(jì)上是可取的，未來(lái)汽車(chē)鋁化的極限可達(dá)到50%。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)用鋁大幅提高，全球汽車(chē)平均用鋁量1978年僅50kg/輛，2008年上升到107kg/輛，增長(zhǎng)了1.14倍。預(yù)計(jì)到2015年，歐洲地區(qū)汽車(chē)用鋁量將有望達(dá)到200kg/輛，10年后可以提高到300kg/輛，而北美更是可以提高到320kg/輛。

其實(shí)，鋁在汽車(chē)中的應(yīng)用史已經(jīng)很長(zhǎng)。鋁進(jìn)入汽車(chē)的應(yīng)用最早可以追溯到1899年，之后鋁一直應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)跑車(chē)和賽車(chē)，而真正將鋁帶入汽車(chē)輕量化量產(chǎn)階段的廠(chǎng)商是奧迪。1994年奧迪汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了全球第1輛全鋁車(chē)身框架轎車(chē)——第1代Audi A8（圖3），其使用的全鋁空間框架結(jié)構(gòu)（ASF車(chē)身結(jié)構(gòu)）在車(chē)身的強(qiáng)度和安全水平超過(guò)了現(xiàn)代轎車(chē)的基礎(chǔ)之上，汽車(chē)自身的質(zhì)量卻減輕了大約40%；1999年，AudiA2成為首批采用該技術(shù)的量產(chǎn)車(chē)。如今，奧迪獨(dú)創(chuàng)的ASF技術(shù)，已經(jīng)運(yùn)用于A8、TT、R8等眾多量產(chǎn)車(chē)型上。這一技術(shù)的運(yùn)用，著重提高了上述奧迪車(chē)型的動(dòng)力性能和高效性能。

近年來(lái)奧迪、捷豹路虎、福特等都使用了全鋁式的車(chē)身結(jié)構(gòu)，鋁合金已經(jīng)成為了一種比較理想的輕量化材料，鋁合金還可以按照添加合金的不同和比例的不同以及制造工藝的區(qū)別，應(yīng)用在車(chē)身、車(chē)架、制動(dòng)盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動(dòng)器殼體、離合器殼體、車(chē)輪、制動(dòng)器零件、把手及罩蓋殼體類(lèi)等地方。目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造業(yè)的汽車(chē)用鋁與發(fā)達(dá)國(guó)家存在著一定差距，但隨著汽車(chē)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨國(guó)際化和節(jié)能減排的需求，汽車(chē)用鋁量的增加已是必然趨勢(shì)，據(jù)中鋁預(yù)測(cè)，10年后我國(guó)的汽車(chē)用鋁可由當(dāng)前的平均每輛車(chē)92kg提高到220kg（圖4）。

三、結(jié)語(yǔ)

受全球輕量化需求的影響，美國(guó)、日本、挪威等國(guó)都開(kāi)展了輕量化材料的研發(fā)，主要代表公司為：美鋁公司、美國(guó)世紀(jì)鋁業(yè)公司、挪威海德魯公司、日本神戶(hù)制鋼公司，其中美國(guó)鋁業(yè)公司因汽車(chē)輕量化而股價(jià)大漲，鋁業(yè)龍頭諾貝麗斯公司（Novelis）也大幅擴(kuò)張汽車(chē)用鋁板的產(chǎn)能。

受需求和國(guó)家政策影響，我國(guó)已有多家上市公司從事輕量化材料的生產(chǎn)，主要以江蘇亞太輕合金科技股份有限公司、南京云海金屬股份有限公司、廣東鴻圖科技股份有限公司、山東興民鋼圈股份有限公司、吉林利源精制股份有限公司、南山鋁業(yè)股份有限公司、中國(guó)忠旺控股有限公司、寧波華翔電子股份有限公司為代表。

按照目前我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)預(yù)計(jì)，到2015年我國(guó)汽車(chē)工業(yè)用鋁板帶需求有望達(dá)到55萬(wàn)～60萬(wàn)t。急速增長(zhǎng)的汽車(chē)鋁板市場(chǎng)為我國(guó)鋁加工企業(yè)創(chuàng)造了絕好的機(jī)會(huì)。隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)整車(chē)制造技術(shù)的進(jìn)步及汽車(chē)輕量化的發(fā)展，汽車(chē)用鋁型材量將會(huì)繼續(xù)增加。據(jù)汽車(chē)行業(yè)預(yù)測(cè)，到 2020年我國(guó)汽車(chē)（小轎車(chē)、卡車(chē)、商務(wù)車(chē)等）產(chǎn)量將達(dá)到2 500萬(wàn)輛，鋁型材需求量在75萬(wàn)t左右。

由于鋁合金的成本較高，因而短期內(nèi)會(huì)提高輕量化汽車(chē)的構(gòu)成成本，鋁合金在汽車(chē)輕量化中的使用收到需求方面較強(qiáng)的制約。近期，國(guó)際貨幣基金組織（IMF）將全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度調(diào)低至3.5%，全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)減速很可能會(huì)導(dǎo)致輕量化需求不足，可能會(huì)導(dǎo)致鋁合金在輕量化中的使用不及預(yù)期；此外，鋁合金在汽車(chē)中的使用也受制于輕量化技術(shù)的提高速度、鋁合金本身成本的下降速度。目前，鋁已接近成本價(jià)，鋁價(jià)反彈可能到導(dǎo)致鋁合金成本提高，限制鋁合金在輕量化中的使用。