鋁合金車身板材在汽車輕量化中的應用

王鴻波，何昌協(xié)

（河南同人鋁業(yè)有限責任公司，河南 三門峽 472100）

中國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，在促進我國制造業(yè)發(fā)展和給人民生活帶來方便的同時，油耗帶來的資源消費問題和尾氣排放帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重。隨著節(jié)能減排的大力推行，加之環(huán)保政策力度的進一步加強，2016年底至2017年上半年持續(xù)放緩的汽車輕量化推進有了回升的態(tài)勢。之前受阻于車用鋁材成本高昂的汽車輕量化，在政策扶持、大環(huán)境發(fā)展趨勢的雙重驅動下重新成為了汽車行業(yè)的焦點。

新能源汽車的全面推廣為汽車輕量化的發(fā)展增加了動力，新能源汽車續(xù)航里程對輕量化車身的需求愈加強烈。按照目前的生產(chǎn)制造水平，純電動汽車每增加1km駛程需增加電池重量1kg，這就意味著如果汽車行駛里程200km,電池重量就需200kg。

1 汽車輕量化的意義

汽車輕量化是在降低汽車的整備質(zhì)量的同時保證汽車的強度和安全性能，并且提供汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車在達到輕量化之后，能夠節(jié)油、減排、提升駕駛樂趣。

（1）減重提效、節(jié)約油耗和降低尾氣排量。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，汽車重量每降低10%，燃油效率可提高6%~8%；滾動阻力每減小10%，燃油效率可提高3%；車橋、變速器等裝置的輕量化也能夠提高傳動效率，進而提高燃油效率。

（2）提高汽車的行駛和安全性能。在駕駛方面，汽車輕量化后其加速性能和制動性能將得到提高，有美國鋁業(yè)協(xié)會報告指出：汽車重量每減輕25%，使汽車加速到96.56km/h所用時間從原來的10s減少到6s[1]；汽車質(zhì)量的減輕使汽車在較低牽引負荷下能夠表現(xiàn)出良好的性能。

（3）提高新能源汽車的續(xù)航里程。新能源汽車輕量化的途徑主要包括車身輕量化、電池輕量化、零部件輕量化和電驅傳動輕量化等。新型輕質(zhì)材料在輕量化進程中顯得越來越重要。目前可用來減輕汽車重量的新型材料主要有以下兩類：一種是高強度鋼，另外一種是輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料、碳纖維等。高強度鋼主要是通過減薄鋼板厚度來實現(xiàn)輕量化，這就導致其在汽車減重上存在瓶頸，即到達一定程度時，高強度鋼無法滿足輕量化要求。

在能源緊缺和環(huán)境污染嚴重的形勢下，新能源汽車的研發(fā)已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。純電動汽車是目前最有價值大規(guī)模推廣應用的產(chǎn)品。對于純電動汽車而言，整備質(zhì)量每減少100kg，增加續(xù)航里程可增加10%，電池成本可節(jié)約15%到20%。汽車輕量化可以幫助新能源汽車增加續(xù)航里程和降低成本。根據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會調(diào)查，如果在新能源汽車上使用輕量化技術，車身減重10%，電耗下降5.5%，續(xù)航里程可增加5.5%。在相同續(xù)航里程情況下，盡管全鋁車身成本較高，但由于節(jié)約電池成本，使全鋁電動車更具有價格優(yōu)勢。如大眾Golf電動車通過采用全鋁車身不僅可以減重187kg，因此，通過輕量化來提高能量使用效率對電動汽車來講尤為重要。

2 鋁合金材料的特點及性能優(yōu)勢

鋁合金是地殼中含量最多的金屬元素，它具有一系列的優(yōu)良性能，比如低密度、高比強度、良好的成形性能及工藝性能等，更重要的是鋁合金的回收再利用性非常好，具有較高的回收率。低密度讓鋁合金比合金鋼更具優(yōu)勢。鋁合金在強度和剛度方面明顯要低于鋼板，但是鋁合金可以通過加厚和優(yōu)化設計來提高強度和剛度，最終達到與鋼板一樣的水平。由于鋁合金的密度要遠遠低于鋼鐵，所以即使增加厚度，鋁合金構件的減重效果仍然非常明顯。數(shù)據(jù)資料顯示，同剛度下，鋁合金減重效果可達50%。

目前，隨著汽車保有量的不斷增加和人們環(huán)保意識的逐漸增強，報廢汽車的回收和再生越來越受到關注。鋁制品的性能優(yōu)勢決定了鋁具有較高的回收價值率，可達到80%左右，并且鋁材是對環(huán)境完全無害的綠色材料。優(yōu)越的性能決定了鋁合金材料在汽車輕量化領域中的重要地位。

3 鋁合金車身板材在現(xiàn)代化汽車生產(chǎn)中的應用

3.1 汽車用鋁合金車身板應用現(xiàn)狀

鋁合金在車身上的應用是從發(fā)動機罩和行李箱蓋開始，由于鋁合金輕量化效果明顯，并具有質(zhì)量輕、抗腐蝕能力強、耐用性好及減少行人撞擊傷害等顯著優(yōu)點，促使鋁合金在車身上的應用逐步擴大。用于汽車車身板的鋁合金主要有2000系、5000系、6000系、7000系合金。其中5000系、6000系最適合代替鋼板；5000系（Al-Mg）是熱處理不可強化合金，通過Mg元素產(chǎn)生固溶強化效應，使其成形性和抗腐蝕性能提高，但該系合金只能采用加工硬化方式來提高強度。使用狀態(tài)多為退火態(tài)，常用于汽車內(nèi)板等形狀復雜的部位，如汽車發(fā)動機內(nèi)蓋板。該系合金能在淬火后較低屈服狀態(tài)下供貨，具有良好的沖壓性能，并能在最終的烤漆處理中進一步實現(xiàn)強化，適用于外板等強度、剛度要求高的部位，主要用于汽車外覆蓋件。目前使用較多的6000系合金主要有AA6111、AA6022（北美車企使用），AA6016（歐洲車企使用），AA6016、AA6022、AA6111（日本車企使用）[2]。國內(nèi)應用情況例如，江淮汽車車身用鋁板包含5182和6106鋁合金，它們分別用于發(fā)蓋內(nèi)板和發(fā)蓋外板，厚度分別為1.0mm和1.2mm。

中國忠旺鋁業(yè)為長城華冠純電動跑車前途K50提供車身用鋁，前途K50采用全鋁骨架車身結構。2016年11月，中國忠旺參與設計制造的奇瑞新能源純電動車S51已經(jīng)正式上市，成為國內(nèi)自主品牌中第一個實現(xiàn)全鋁車身化的車型。明泰鋁業(yè)生產(chǎn)的5052鋁合金主要應用于轎車車門，其性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在塑性高、耐腐蝕性強和表面質(zhì)量優(yōu)異等特點。蔚來ES8成為國內(nèi)首個獨立研發(fā)量產(chǎn)的輕量化全鋁車身平臺。ES8全鋁車身上鋁材的使用率高達96.4%，成為全球量產(chǎn)的全鋁車身中鋁材應用量比例最高的車型。

3.2 鋁合金材料在汽車生產(chǎn)中的應用所存在的障礙

經(jīng)過對鋁合金材料不斷研究，在汽車制造過程中其使用量明顯增加，但與鋼的用量相比還存在一定的差距，阻礙鋁材質(zhì)應用推廣的主要因素有以下幾點[3]：

（1）鋁材具有較高的生產(chǎn)成本；

（2）增加使用維修成本。在使用過程中若鋁合金車身遇到損壞，需要更高的專業(yè)化技能和裝備維修水平，甚至需要更換受損的零部件，這些都增加了用戶的使用維修成本。

（3）鋁材技術工藝研究不深入，需增加研發(fā)費用。若使用鋁合金板材代替鋼板，汽車或汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)勢必要進行新的生產(chǎn)工藝和流程的研發(fā)，需大量資金投入。而且新產(chǎn)品的批量生產(chǎn)還需要進行大量實驗來驗證，必要時可能還要更換企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)設備、模具等，同時采用一套全新技術標準。這樣會使車企風險和成本增加，導致在制作鋁車身初期，效率降低，且產(chǎn)品質(zhì)量和精度也難以保證。

4 鋁合金車身板材的生產(chǎn)工藝介紹

鋁合金車身板的抗時效穩(wěn)定性、成形性、表面處理技術和烘烤硬化性等特性是影響板材力學性能和工藝性能的關鍵因素，因而這些性能在板材生產(chǎn)加工過程中會受到重點關注。鋁合金車身板的生產(chǎn)工藝流程主要包括以下工序：熔鑄→熱軋→冷軋→熱處理（淬火/退火），如下圖所示。

下述流程中，車身外板的性能是否達標主要取決于連續(xù)固溶熱處理工序的控制。

圖1 汽車車身用鋁合金板主要生產(chǎn)工藝流程圖

根據(jù)合金品種，固溶處理加熱速度、固溶溫度、保溫時間、溫控精度和冷卻方式均有嚴格要求，尤其要求固溶保溫完成后要迅速立即進行淬火冷卻。冷卻方式主要有兩種水冷和空冷，一般來說，車身外板6xxx系鋁合金采用水冷，車身內(nèi)板5xxx系鋁合金采用空冷，也有部分6xxx系鋁合金采用空冷。車身內(nèi)板的性能是否達標主要取決于連續(xù)退火熱處理工序。鈍化處理后，經(jīng)過輥涂或噴涂的鋁卷具有優(yōu)良的表面層，有利于吸附潤滑劑，更好地保證汽車生產(chǎn)廠商板材沖壓成型；鈍化處理另一作用增強了鋁卷粘合強度，提高了漆層的穩(wěn)定性。

5 我國汽車輕量化發(fā)展所面臨的主要難題

目前我國汽車輕量化技術在理論研究方面和實際應用方面均與國外存在明顯差距，技術發(fā)展面臨如下難題。

（1）輕量化技術的研究是綜合多學科知識體系所進行的系統(tǒng)性、創(chuàng)新性的應用研究，切忌只注重某單項技術的研發(fā)。

（2）汽車輕量化技術涉及眾多技術領域，其關鍵、核心技術的研發(fā)突破必須要由國家級的研究機構進行戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署，然而目前此類機構尚未建立。

（3）產(chǎn)、學、研結合不夠緊密，基礎研究和技術開發(fā)研究未能很好地銜接起來，技術人才缺乏，工藝技術水平落后。

6 結語

汽車減重顯然能帶來很多的好處，但從目前市場表現(xiàn)來看，我國的輕量化技術起步較晚，缺乏經(jīng)驗，仍未建立起完善的產(chǎn)業(yè)鏈。在汽車輕量化之路上，仍然面臨著眾多難題。

當前，隨著新能源汽車的發(fā)展，輕量化更是重中之重。鋁合金材料以其自身優(yōu)勢必將在汽車輕量化發(fā)展中發(fā)揮重要作用。作為鋁加工企業(yè)，應將汽車用鋁合金板的生產(chǎn)成本作為關注焦點，重點從生產(chǎn)工藝、設備和管理等多角度制定降低成本措施，為鋁板材的大批量生產(chǎn)與應用打下良好基礎。

[1]王祝堂，張新華.汽車用鋁合金[J].輕合金加工技術，2011,39（2）：1-13.

[2]張毅，連昌偉.鋁板在車身覆蓋件沖壓生產(chǎn)中的關鍵技術[J].鍛壓技術，2015,1（40）：48-51.

[3]王茵，張海文.金屬基復合材料在汽車工業(yè)上的應用[J].貴陽金筑大學學報，2004，（2）：120-122.