汽車(chē)輕量化技術(shù)：鋁/鎂合金及其成型技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)

付彭懷，彭立明，丁文江

（上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心，上海 200240）

汽車(chē)輕量化是降低能源消耗、減少污染物排放最有效的措施之一。近年來(lái)，隨著汽車(chē)產(chǎn)量和保有量的持續(xù)增加，我國(guó)面臨的能耗、安全、環(huán)保等問(wèn)題日益突出，汽車(chē)輕量化技術(shù)成為推動(dòng)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、減少汽車(chē)尾氣排放的重要手段。汽車(chē)輕量化，是指在保證汽車(chē)功能性與安全性的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的自身質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料與輕量化制造是輕量化技術(shù)的三個(gè)主要組成部分[1,2]，一種新的輕量化技術(shù)能否在汽車(chē)上獲得應(yīng)用主要受其減重收益與成本增加關(guān)系的影響：只有當(dāng)減重收益大于成本增加時(shí)，輕量化技術(shù)才能夠在汽車(chē)上獲得真正應(yīng)用。本文將綜述鋁合金、鎂合金兩類(lèi)輕金屬材料及其成型技術(shù)在汽車(chē)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

一、鋁合金

鋁合金的密度大約是鋼鐵密度的1/3，是汽車(chē)中應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)材料。研究表明，用鋁合金代替低碳鋼、鑄鐵或者高強(qiáng)鋼，可以實(shí)現(xiàn)30%～60%的減重效果，每千克鋁合金的使用可以減少13～20 kg溫室氣體的排放[3]。以鋁代鋼是汽車(chē)輕量化技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，在豪華車(chē)型上的使用更加明顯。

汽車(chē)用鋁合金主要包括變形鋁合金和鑄造鋁合金，其中鑄造鋁合金占主導(dǎo)，約為汽車(chē)用鋁量的80%，主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、離合器殼、保險(xiǎn)杠、車(chē)輪等，變形鋁合金主要用于車(chē)身覆蓋件的制造，如奧迪A8全鋁車(chē)身。此外，鋁基復(fù)合材料、泡沫鋁、粉末冶金鋁合金也在汽車(chē)中有所應(yīng)用。本節(jié)從鋁合金新材料、成型新技術(shù)、新應(yīng)用等方面介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)輕量化技術(shù)的研究與應(yīng)用動(dòng)態(tài)。

（一）新材料

1. 非熱處理壓鑄鋁合金

針對(duì)鋁合金薄壁壓鑄件，上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了JDA1（Al-Si-Mn-Mg-RE）[4]和JDA2（Al-Mg-Si-Mn）[5]鋁合金，兩類(lèi)鋁合金的特點(diǎn)是不需要經(jīng)過(guò)高溫固溶處理和人工時(shí)效，僅通過(guò)自然時(shí)效即可達(dá)到較高的強(qiáng)度和塑性，室溫拉伸性能如表1所示。JDA1具有優(yōu)秀的壓鑄工藝性能和良好的機(jī)械加工性能、可焊性、拋光性能、延展性，常規(guī)壓鑄后自然時(shí)效即可達(dá)到德國(guó)Silafont36鋁合金T6熱處理后的力學(xué)性能。JDA2密度比純Al小，壓鑄工藝性能良好，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和良好的可焊性、拋光性能、延展性，常規(guī)壓鑄后自然時(shí)效即可超過(guò)德國(guó)Magsimal59鋁合金T6熱處理后的性能。兩類(lèi)非熱處理壓鑄鋁合金特別適合生產(chǎn)薄壁類(lèi)的汽車(chē)部件。

表1 JDA1和JDA2鋁合金室溫拉伸性能

JDA1鋁合金目前已經(jīng)在通用汽車(chē)Cadallac-CT6上獲得了批量應(yīng)用，用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)支架（底盤(pán)系統(tǒng)），如圖1所示。

2. 高韌性壓鑄鋁合金

針對(duì)壓鑄鋁合金塑性較低的問(wèn)題，英國(guó)伯明翰大學(xué)Fan Z團(tuán)隊(duì)[6]開(kāi)發(fā)了高韌性壓鑄鋁合金，該合金含有5.0 wt%～5.5 wt% Mg、1.5 wt%～2.0 wt%Si、0.5 wt%～0.7 wt% Mn、0.15 wt%～0.20 wt% Ti和＜0.25 wt% Fe，經(jīng)過(guò)壓鑄成型后，as-cast試棒室溫力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度為150 MPa、抗拉強(qiáng)度為300 MPa、伸長(zhǎng)率為15%，可以滿足車(chē)身對(duì)高塑性壓鑄鋁合金的需要。

（二）成型新技術(shù)

1. 鋁合金大型部件真空壓鑄技術(shù)

針對(duì)常規(guī)鋁合金壓鑄件內(nèi)部氣孔較多的問(wèn)題，上海交通大學(xué)通過(guò)開(kāi)發(fā)高真空壓鑄系統(tǒng)，包括模具抽真空系統(tǒng)、真空截流排氣閥、密封設(shè)計(jì)及排氣管路布置等，實(shí)現(xiàn)了真空控制系統(tǒng)與壓鑄機(jī)壓射控制系統(tǒng)的高效聯(lián)合，在鳳陽(yáng)愛(ài)爾思輕合金精密成型有限公司3 550 t大型精密臥式壓鑄機(jī)上完成了鋁合金V6發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）的壓鑄成型，如圖2所示。大型鋁合金部件的高真空壓鑄技術(shù)將成為未來(lái)汽車(chē)部件成型技術(shù)的主流發(fā)展方向。

圖1 JDA1鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)支架(底盤(pán)系統(tǒng))

圖2 鋁合金V6發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄現(xiàn)場(chǎng)照片

2. 鋁合金半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)

半固態(tài)金屬顯微組織均勻，在切應(yīng)力作用下具有很好的流動(dòng)性，不易產(chǎn)生缺陷和偏析，可以通過(guò)熱處理進(jìn)一步提高鑄件力學(xué)性能，因此與常規(guī)液態(tài)壓鑄成型相比，半固態(tài)壓鑄技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。為了降低半固態(tài)壓鑄生產(chǎn)成本，充分利用鋁合金流變壓鑄的優(yōu)勢(shì)，北京有色金屬研究總院設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了鋁合金半固態(tài)漿料在線制備系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了半固態(tài)漿料在線制備與零件壓鑄成型動(dòng)態(tài)匹配，目前已經(jīng)完成鋁合金卡鉗、氣室支架、抗扭連桿、左中支架等汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)部件的試生產(chǎn)，每個(gè)部件實(shí)現(xiàn)減重35%～48%。鋁合金半固態(tài)卡鉗及其顯微組織如圖3所示。由于鋁合金半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)的成本僅稍高于常規(guī)壓鑄，其在汽車(chē)零部件中的應(yīng)用前景非常廣闊，特別適合10 kg以下部件的大批量壓鑄制備。

3. 鋁合金卡車(chē)輪轂旋壓成型技術(shù)

圖3 鋁合金半固態(tài)流變壓鑄卡鉗(底盤(pán)系統(tǒng))及其內(nèi)部顯微組織（T6處理后共晶硅呈細(xì)小彌散分布）

圖4 山東鎂卡車(chē)輪有限公司生產(chǎn)的鍛旋鋁合金卡車(chē)輪轂

鋁合金輪轂（底盤(pán)系統(tǒng)）替代商用車(chē)鋼輪轂具有重要的節(jié)能減排效果，在乘用車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)成為主流。2016年，國(guó)內(nèi)鋁合金卡車(chē)輪轂呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。鋁合金卡車(chē)輪轂?zāi)壳爸饕捎缅懺?旋壓（鍛旋）技術(shù)制造，圖4為山東鎂卡車(chē)輪有限公司生產(chǎn)的鍛旋鋁合金卡車(chē)輪轂。除了鍛旋技術(shù)之外，上海交通大學(xué)針對(duì)卡車(chē)輪轂還研發(fā)了厚板旋壓成型技術(shù)：選用35 mm鋁合金中厚板材為初始坯料，采用強(qiáng)力彎曲旋壓將鋁合金板材中部材料成形輪輻，將鋁合金板材邊部材料預(yù)成形輪輞，采用劈開(kāi)旋壓將預(yù)成形輪輞劈開(kāi)為輪輞前片坯料和后片坯料，采用強(qiáng)力變薄旋壓將前片坯料和后片坯料分別成形輪輞前片和輪輞后片。與鍛旋技術(shù)相比，厚板旋壓成型技術(shù)無(wú)需預(yù)制鍛造毛坯，設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、材料利用率高、加工成本低、生產(chǎn)效率高，節(jié)約成本可達(dá)60%，有望成為鋁合金卡車(chē)輪轂的另一主流成型技術(shù)。

（三）新應(yīng)用

1. 鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)

隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，鋁合金復(fù)合材料逐步開(kāi)始在汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)（底盤(pán)系統(tǒng)）上應(yīng)用。2014年蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和盧塞恩應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)打造的電動(dòng)賽車(chē)Grimsel實(shí)現(xiàn)了百公里加速1.785 s的方程式賽車(chē)記錄，該電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)即采用了SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。相對(duì)于常用的灰鑄鐵，SiC顆粒與鋁基復(fù)合材料具有低密度和高導(dǎo)熱性優(yōu)點(diǎn)，制動(dòng)盤(pán)減重高達(dá)50%～60%。

2. 全鋁車(chē)身逐漸普及

自從奧迪A8采用全鋁車(chē)身之后，全鋁車(chē)身在乘用車(chē)上的應(yīng)用正逐漸普及。2016年1月，北京新能源汽車(chē)股份有限公司生產(chǎn)的EX微型純電動(dòng)汽車(chē)（量產(chǎn)版）采用了輕量化的全鋁車(chē)身設(shè)計(jì)。2016年2月，奇瑞新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司年產(chǎn)6萬(wàn)輛鋁合金骨架車(chē)身純電動(dòng)乘用車(chē)項(xiàng)目在安徽省蕪湖市弋江區(qū)高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)開(kāi)工建設(shè)，主要生產(chǎn)S51EV、S61EV、A0-SUV EV純電動(dòng)乘用車(chē)型。2016年4月，奇瑞捷豹路虎汽車(chē)有限公司常熟工廠全鋁車(chē)身車(chē)間竣工投產(chǎn)，其制造的全新捷豹XFL長(zhǎng)軸距版全鋁車(chē)身轎車(chē)鋁化率高達(dá)75%，其車(chē)身為鋁合金板，車(chē)身架構(gòu)為鋁合金擠壓型材，以壓鑄件、鑄件作為節(jié)點(diǎn)連接件，車(chē)身質(zhì)量?jī)H297 kg。上海通用汽車(chē)有限公司凱迪拉克工廠制造出高鋁化率CT6車(chē)型：采用輕量化車(chē)身設(shè)計(jì)的凱迪拉克CT6車(chē)型轎車(chē)車(chē)身，其鋁材占比達(dá)到57.72%。2016年1月，廣西源正新能源汽車(chē)有限公司的18輛全鋁車(chē)身新能源公交客車(chē)整車(chē)集中下線并投放到南寧市公交線路，目前該公司的全鋁車(chē)身輕量化技術(shù)已成功應(yīng)用于6～18 m全系列城市新能源公交客車(chē)。

二、鎂合金

作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用備受期待，鎂合金結(jié)構(gòu)件可以在鋁合金結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)30%左右的減重效果。盡管20世紀(jì)30年代鎂合金即開(kāi)始應(yīng)用在汽車(chē)上，但到目前為止其在汽車(chē)上的應(yīng)用仍十分有限，主要原因是鎂合金易氧化燃燒、成型較困難，強(qiáng)度與塑性、耐腐蝕性能較差，難以滿足汽車(chē)的應(yīng)用要求。本節(jié)從鎂合金新材料、成型新技術(shù)、新應(yīng)用等方面介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)輕量化技術(shù)的研究與應(yīng)用動(dòng)態(tài)。

（一）新材料

1. 高性能鎂稀土合金開(kāi)發(fā)

針對(duì)汽車(chē)等領(lǐng)域?qū)p量化結(jié)構(gòu)件的需要，解決鎂合金強(qiáng)度、塑性、耐熱性能、耐腐蝕性能較差的核心問(wèn)題，上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了JDM1—JDM4系列鎂稀土合金[7～11]，其典型拉伸力學(xué)性能如表2所示。

JDM1鎂合金[7,8]是Mg-Nd-Zn-Zr系合金，采用彌散Zr化合物和垂直基面的β′（Mg3Nd）亞穩(wěn)態(tài)析出相的協(xié)同強(qiáng)化，利用微量鋅、鋯元素促進(jìn)室溫非基面位錯(cuò)滑移的韌化機(jī)制，合金典型的室溫力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度為140 MPa、抗拉強(qiáng)度為300 MPa、伸長(zhǎng)率為10%。

JDM2鎂合金[9]是Mg-Gd-Y-Zr系合金，采用鎂-重稀土系合金共格時(shí)效析出相為主要強(qiáng)化方式，合金典型的室溫力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度為230 MPa，抗拉強(qiáng)度為340 MPa，伸長(zhǎng)率為3%。JDM2變形鎂合金在引入織構(gòu)強(qiáng)化機(jī)制以后，獲得了室溫抗拉強(qiáng)度超過(guò)500 MPa，屈服強(qiáng)度超過(guò)450 MPa、伸長(zhǎng)率大于10%的優(yōu)異力學(xué)性能。

JDM3鎂合金[10]是Mg-Gd-Y-Zn-Zr系合金，在JDM2基礎(chǔ)上，引入適量小原子Zn，使得部分稀土元素與Zn原子形成高溫穩(wěn)定的長(zhǎng)周期堆垛有序（LPSO）結(jié)構(gòu)，由于LPSO具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗扭折能力，與析出相的慣習(xí)面垂直，形成“LPSO+析出相”共存強(qiáng)化單元。JDM3鎂合金300℃實(shí)驗(yàn)室試棒抗拉強(qiáng)度＞250 MPa。

JDM4鎂合金[11]是Mg-Gd-Y-Ag-Zr系合金，在高強(qiáng)度JDM2合金基礎(chǔ)上，通過(guò)Ag元素微合金化調(diào)控鎂稀土合金中沉淀析出相形態(tài)，形成“棱柱面析出相+基面析出相”復(fù)合強(qiáng)化。JDM4鎂合金的室溫屈服強(qiáng)度超過(guò)300 MPa，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到420 MPa。

2. 高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金

針對(duì)輕量化散熱部件的需要，上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種具備較高強(qiáng)度、良好導(dǎo)熱性能的壓鑄鎂合金[12]，其導(dǎo)熱系數(shù)＞100 W/m·K，屈服強(qiáng)度＞120 MPa，中性鹽霧腐蝕性能與商業(yè)AZ91D相當(dāng)。目前，高導(dǎo)熱壓鑄鎂合金已經(jīng)完成小規(guī)模壓鑄生產(chǎn)，可用于生產(chǎn)有散熱要求的汽車(chē)零部件。

3. 高韌性壓鑄鎂合金

針對(duì)現(xiàn)有壓鑄鎂合金塑性較差的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所孟建課題組[13]采用稀土元素Sm代替AE44中的LaCe混合稀土，通過(guò)壓鑄制備了Mg-4Al-4Sm-0.3Mn（wt%）鎂合金，室溫下該合金的伸長(zhǎng)率可達(dá)21%，屈服強(qiáng)度為157 MPa，抗拉強(qiáng)度為245 MPa，相對(duì)于傳統(tǒng)的AE44伸長(zhǎng)率提高了近一倍。伸長(zhǎng)率顯著提升主要得益于材料中第二相形態(tài)的改變，如圖5所示。

4. 高速擠壓變形鎂合金

日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所（NIMS）與國(guó)立長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)共同發(fā)明了新型高強(qiáng)度變形鎂合金（Mg-1.1Al-0.3Ca-0.2Mn-0.3Zn, wt%, AXMZ1000）[14]。AXMZ1000鎂合金對(duì)擠壓速率敏感性較低，可以采用高速擠壓，其常溫下成型性能可與中等強(qiáng)度的鋁合金媲美。高速擠壓AXMZ1000變形鎂合金有望在汽車(chē)座椅（車(chē)身系統(tǒng)）等部件上獲得應(yīng)用。

表2 JDM1—JDM4鎂稀土合金典型力學(xué)性能

（二）成型新技術(shù)

1. 鎂合金汽車(chē)輪轂成型技術(shù)

鎂合金汽車(chē)輪轂（底盤(pán)系統(tǒng)）質(zhì)量較小，具有能耗低、操控性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)提出即受到汽車(chē)廠商的關(guān)注，但由于成品率和產(chǎn)品穩(wěn)定性較低、價(jià)格較高等因素，鎂合金汽車(chē)輪轂一直未能夠進(jìn)行大批量銷(xiāo)售。隨著林州市鼎鑫鎂業(yè)科技有限公司和河南德威科技股份有限公司兩家正反擠壓成型生產(chǎn)線的建設(shè)與投產(chǎn)，鎂合金汽車(chē)輪轂有望進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。鎂合金汽車(chē)輪轂正反擠壓成型技術(shù)流程如圖6所示（圖片源于鼎鑫鎂業(yè)科技有限公司），包括連鑄坯料的切割、均質(zhì)化處理后的正反擠壓一次性成型、機(jī)加工及表面涂裝。目前AZ80正反擠壓鎂合金汽車(chē)輪轂已經(jīng)開(kāi)始了小批量銷(xiāo)售。

與此同時(shí)，上海交通大學(xué)在前期鎂合金汽車(chē)輪轂低壓鑄造成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出鑄造+旋壓復(fù)合成型（鑄旋）技術(shù)。鑄旋成型技術(shù)與早期低壓鑄造成型技術(shù)相比，能夠顯著提高鎂合金汽車(chē)輪轂鑄坯成品率，輪輞部分通過(guò)旋壓變形后顯微組織顯著細(xì)小，室溫力學(xué)性能得到明顯的提高。圖7(a)為采用鑄旋成型技術(shù)制備的20寸鎂合金汽車(chē)輪轂；輪輞旋壓前后的顯微組織如圖7(b)、(c)所示，旋壓變形顯著細(xì)化了輪輞處的顯微組織。

圖5 壓鑄Mg-4Al-4Sm-0.3Mn合金as-cast下的顯微組織：第二相呈塊狀分布[13]

圖6 鎂合金汽車(chē)輪轂的正反擠壓成型流程圖

2. 大型復(fù)雜薄壁鎂合金部件真空壓鑄技術(shù)

與鋁合金相比，鎂合金的高速充型能力更佳，特別適合制備大尺寸薄壁部件。2016年，由Meridian公司生產(chǎn)的AM60B鎂合金薄壁壓鑄車(chē)門(mén)獲得美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)頒發(fā)的年度鑄造大獎(jiǎng)，成為大型復(fù)雜薄壁鎂合金壓鑄部件的代表作。該車(chē)門(mén)之前由7個(gè)鋼制沖壓件焊接而成，重新采用鎂合金設(shè)計(jì)之后，質(zhì)量減少50%左右，工藝連接點(diǎn)（焊點(diǎn)和鉚釘）也由62個(gè)減少到10個(gè)，顯示出了鎂合金在車(chē)身部件上的應(yīng)用潛力。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，上海交通大學(xué)聯(lián)合東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司等正在針對(duì)汽車(chē)用減震臺(tái)和副車(chē)架展開(kāi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期待鎂合金在減震塔和副車(chē)架兩類(lèi)大型復(fù)雜薄壁部件的成型技術(shù)與應(yīng)用上獲得突破。

（三）新應(yīng)用

1. 鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體/缸蓋工作在一個(gè)熱力耦合的苛刻條件下，對(duì)材料要求較高。在與通用汽車(chē)公司完成JDM1鎂合金缸體低壓鑄造技術(shù)之后，上海交通大學(xué)與浙江凱吉汽車(chē)零部件制造有限公司合作開(kāi)展了JDM1鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的鑄造成型與裝車(chē)路況實(shí)驗(yàn)。在凱吉現(xiàn)有的鋁合金缸蓋模具的基礎(chǔ)上，通過(guò)鑄造工藝的調(diào)整，采用傾轉(zhuǎn)澆注成功制備了JDM1鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋（圖8(a)）。缸蓋完成T6熱處理和機(jī)加工后進(jìn)行了裝車(chē)實(shí)驗(yàn)：汽車(chē)行駛了9 000多千米后將鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋拆除測(cè)量，燃燒室和排氣道清洗后發(fā)現(xiàn)，鎂合金缸蓋溫度最高部位的燃燒室和排氣道尺寸上沒(méi)有變化，表面整潔光滑，如圖8(b)所示。對(duì)凸輪軸孔和挺桿孔尺寸進(jìn)行了測(cè)量，前后數(shù)據(jù)對(duì)比表明凸輪軸和挺桿在使用過(guò)程中無(wú)磨損，即JDM1鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋能夠長(zhǎng)期勝任汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力耦合的復(fù)雜工況使用要求。

圖7 JDM1鎂合金鑄旋成型汽車(chē)輪轂(a)；(b)旋壓前顯微組織(as-cast)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率分別為85 MPa、138 MPa、4.8%；(c) 旋壓后顯微組織(as-flow formed), 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別為278 MPa、317 MPa、8.4%

圖8 JDM1鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋(a)和(b)經(jīng)過(guò)9 000多千米路況實(shí)驗(yàn)后燃燒室的表面形貌

2. 全鎂車(chē)身

2016年9月，山東沂星電動(dòng)汽車(chē)有限公司開(kāi)發(fā)制造出鎂合金輕量化電動(dòng)客車(chē)，車(chē)身長(zhǎng)8.3 m，車(chē)身骨架全部采用鎂合金材料，車(chē)身蒙皮為鋁合金板，鎂合金用量為226 kg，與鋼制車(chē)身骨架相比減重達(dá)70%，展示了鎂合金在車(chē)身部件上的減重優(yōu)勢(shì)。

三、鋁/鎂合金汽車(chē)部件應(yīng)用阻力與發(fā)展建議

盡管鋁合金、鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)，但目前大批量應(yīng)用仍然阻力重重。

1. 原材料成本升高

鋼制件采用鋁合金、鎂合金制備后，構(gòu)件采購(gòu)成本顯著提高。以車(chē)身用的鋁合金板材為例，6011和6016鋁合金汽車(chē)覆蓋板材的市場(chǎng)價(jià)格為每噸38 000元，而汽車(chē)鋼板的市場(chǎng)價(jià)格僅為每噸8 000元，去除密度差異，鋁材的材料成本仍比鋼材要高出許多。這也是為什么目前全鋁車(chē)身主要用于高端汽車(chē)的主要原因，中低端汽車(chē)的售價(jià)很難承受輕量化所帶來(lái)的制造成本的上漲。

2. 研發(fā)與生產(chǎn)成本提高

鋁合金、鎂合金代替鋼材時(shí)，需要根據(jù)新材料的特性進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)，產(chǎn)品試制與檢測(cè)，設(shè)備、模具與生產(chǎn)線更新等，這些研發(fā)攤銷(xiāo)，顯著提高了新產(chǎn)品的制造成本，也顯著增加了企業(yè)的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。研發(fā)成本較高和研發(fā)收益的不確定性是汽車(chē)企業(yè)不愿意主動(dòng)進(jìn)行鋁/鎂合金輕量化嘗試的主要原因。

3. 維修成本增加

鋁/鎂合金材質(zhì)較軟，在使用過(guò)程中容易發(fā)生變形損壞，而這些損壞通常很難采用鈑金這類(lèi)比較簡(jiǎn)單的工藝進(jìn)行修補(bǔ)，往往需要專(zhuān)業(yè)化技能和裝備進(jìn)行維修，甚至更換新配件，顯著提高了用戶的使用成本。

4. 鎂合金防腐與連接技術(shù)不成熟

鎂合金由于自身氧化膜層不致密，耐蝕性能較差，科研機(jī)構(gòu)雖然開(kāi)發(fā)了多種防護(hù)涂層，但技術(shù)缺少實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。由于在汽車(chē)上應(yīng)用較少，鎂合金與鋁、鋼制件的連接問(wèn)題尚未充分暴露，這方面的研究也比較少。

從上述鋁/鎂合金部件在汽車(chē)上應(yīng)用的阻力可以看出，鋁/鎂合金輕量化技術(shù)尚處于一個(gè)發(fā)展階段，從原材料、研發(fā)生產(chǎn)到售后維修，甚至在某些關(guān)鍵技術(shù)上仍處于一個(gè)有待完善的階段，在這樣一個(gè)發(fā)展階段抓住機(jī)遇提高我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的鋁/鎂合金輕量化技術(shù)能力是每一個(gè)材料和汽車(chē)科技工作者共同面臨的難題。筆者提出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議供參考。

（1）提高中國(guó)汽車(chē)企業(yè)新材料的應(yīng)用能力。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)經(jīng)過(guò)三十多年的高速發(fā)展，制造能力和工業(yè)規(guī)模得到了顯著提升，但新材料的應(yīng)用能力較低，原創(chuàng)性的設(shè)計(jì)多來(lái)自于國(guó)外。因此，只有提升汽車(chē)工業(yè)的原創(chuàng)設(shè)計(jì)能力才能從根本上釋放我國(guó)鋁/鎂合金部件的輕量化需求。

（2）完善產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)基地，降低鋁/鎂合金部件輕量化成本。目前鋁/鎂合金部件產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，相關(guān)廠商缺乏，原材料價(jià)格居高不下。如車(chē)身用鋁合金板目前只有少數(shù)幾家跨國(guó)公司能夠批量穩(wěn)定生產(chǎn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不充分，原材料價(jià)格較高。因此，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)可以有針對(duì)性地布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，形成產(chǎn)業(yè)基地，通過(guò)市場(chǎng)充分競(jìng)爭(zhēng)和規(guī)模效應(yīng)降低鋁/鎂合金部件產(chǎn)品的價(jià)格，降低輕量化成本。

（3）深入開(kāi)展個(gè)性化基礎(chǔ)研究，攻克瓶頸問(wèn)題。針對(duì)鋁/鎂合金部件輕量化技術(shù)難題，如鎂合金的耐腐蝕問(wèn)題，可以變換思路，從應(yīng)用中的防腐處理入手，解決鎂合金耐腐蝕性能較差的難題。

（4）以壓鑄工藝的應(yīng)用為突破口。汽車(chē)工業(yè)對(duì)零部件的價(jià)格非常敏感，鋁/鎂合金部件的大批量應(yīng)用須建立在較低的生產(chǎn)成本上。壓鑄工藝生產(chǎn)效率高、大批量生產(chǎn)后單件攤銷(xiāo)成本較低。因此，汽車(chē)廠商可以采用鋁/鎂合金標(biāo)準(zhǔn)部件的方式降低零部件的生產(chǎn)成本。

（5）以鎂合金汽車(chē)輪轂應(yīng)用為突破點(diǎn)。新能源汽車(chē)已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展方向，新能源汽車(chē)取代傳統(tǒng)汽油車(chē)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于新能源車(chē)的續(xù)航能力獲得突破。除了與電池參數(shù)有關(guān)外，續(xù)航能力還與汽車(chē)的輕量化相關(guān)。路況試驗(yàn)表明，出租車(chē)鋁合金輪轂更換成同尺寸的鎂合金輪轂后，續(xù)航能力提高＞8%。因此，可以以鎂合金輪轂在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用為突破點(diǎn)，推動(dòng)鎂合金在汽車(chē)上的更多應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

2016年，我國(guó)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》指出，到2020年，乘用車(chē)新車(chē)平均油耗要求達(dá)到5.0 L/100 km；到2025年，乘用車(chē)新車(chē)平均油耗達(dá)到4.0 L/100 km；到2030年，乘用車(chē)新車(chē)平均油耗達(dá)到3.2 L/100 km。為了達(dá)到這樣一個(gè)目標(biāo)，2030年單車(chē)用鋁量將超過(guò)350 kg，單車(chē)用鎂量將達(dá)到45 kg，因此在未來(lái)的10～15年，鋁合金、鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用將呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。作為中國(guó)鋁合金、鎂合金新材料與成型技術(shù)主要研發(fā)機(jī)構(gòu)之一，上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心愿與國(guó)內(nèi)外同行、上下游企業(yè)共同應(yīng)對(duì)這一歷史性挑戰(zhàn)，抓住機(jī)遇，推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)輕量化的進(jìn)程。

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