汽車行業(yè)發(fā)展對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件的需求與展望

（通用汽車中國科學(xué)研究院，上海 201206）

當(dāng)前，汽車工業(yè)正經(jīng)歷著百年未有的巨大變革，以電氣化（Electrification）為代表的新技術(shù)發(fā)展方向已經(jīng)不可動搖，媒體和從業(yè)人員稱之為汽車工業(yè)2.0時代（Auto 2.0）的到來[1—3]。一大批新能源造車勢力以及各大傳統(tǒng)造車巨頭紛紛宣布，將投入巨資進行全新一輪的電動車和無人駕駛車的激烈競爭，各類全新平臺和車型應(yīng)運而生。在這樣一個汽車歷史轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵時刻，汽車部件的設(shè)計和制造也發(fā)生著巨變，大部分現(xiàn)有的零部件都面臨著全新設(shè)計，或者有可能消失的局面，而全新的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的推出，又帶來了許多全新的部件。

汽車工業(yè)使用了大量的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件，也消耗了大量的輕質(zhì)合金材料，例如國內(nèi)每年汽車用鋁就超過500 萬t，再加上周邊配套和下游零部件制造商，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)值超過千億人民幣，對國民經(jīng)濟影響巨大[2—5]。隨著汽車工業(yè)的快速變革，以及節(jié)能減排對輕量化需求的進一步提升，輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)部件的需求和發(fā)展也發(fā)生了巨大的變化。文中將從汽車的各個關(guān)鍵子系統(tǒng)、不同結(jié)構(gòu)材料和成形工藝類型等方面，分別探討汽車行業(yè)新的發(fā)展趨勢下對結(jié)構(gòu)承載部件的影響和需求。

1 汽車子系統(tǒng)對輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件的需求

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)

傳統(tǒng)內(nèi)燃機的動力總成系統(tǒng)是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件的主要應(yīng)用領(lǐng)域，這類部件結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，常常伴隨著高溫高壓的服役條件，因此這類零件特別適合鑄造工藝來生產(chǎn)。典型部件有發(fā)動機缸體和缸蓋、變速箱殼體、活塞、油底殼等等。至少到2025 年之前，傳統(tǒng)燃油車仍然是主要的交通工具，所以這些輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件仍將會有大量的生產(chǎn)需求。隨著新能源汽車的加速發(fā)展，傳統(tǒng)車企投入了大量的資金到新能源車平臺，導(dǎo)致傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力總成研發(fā)停滯或者減緩，因此，后續(xù)內(nèi)燃機總成只會延續(xù)現(xiàn)有平臺或者基于現(xiàn)有平臺的改進，之后很難有全新的內(nèi)燃機動力總成平臺推出。

全新的電動化驅(qū)動平臺的推出，會有大量的新部件推出，例如電機殼體、電池包殼體、變速器殼體等部件，這些部件都是傳統(tǒng)內(nèi)燃機方式動力系統(tǒng)中不存在的，需要進行全新設(shè)計和制造。這些全新輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件具有更新迭代速度快的特點，傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力系統(tǒng)的更新?lián)Q代可能需要5～8 年，但是這些新能源部件的更新?lián)Q代有可能只有2～3 年，甚至更短。這對新型部件設(shè)計、生產(chǎn)和質(zhì)量控制等方面都提出了巨大的挑戰(zhàn)，例如動力電池包殼體，目前有鋁合金擠壓型材焊接、高強度鋼板沖壓、鋁合金壓鑄一體成形等多種方案，這些材料和工藝也都在不斷地改進和提升，以期滿足動力電池包不斷升級的需求。

1.2 車身和覆蓋件系統(tǒng)

從21 世紀(jì)初的汽車輕量化浪潮中，車身和覆蓋件的輕量化一直是主角。從奧迪推出全鋁車身開始，車身輕量化一直是汽車輕量化的代名詞。隨著各國對節(jié)能減排的日益重視，輕量化趨勢會一直延續(xù)下去。新能源車和智能駕駛車推出，汽車輕量化又上升到一個新的高度，特別是動力電池系統(tǒng)的自重問題短時間內(nèi)難以解決，因此，輕量化又擔(dān)負(fù)起增加續(xù)航里程的艱巨任務(wù)。從各大新能源車企來看，大部分新推出的車型都是全鋁車身，例如特斯拉model S 和X，蔚來的ES8 和ES6，至少也是鋼鋁混合車身，主要原因還是輕質(zhì)合金部件對車身減重的巨大貢獻(xiàn)。

從車身零部件來看，各大車企特別是中高端車型已經(jīng)普遍接受了高壓鑄造結(jié)構(gòu)件作為車身部件一體化/輕量化的解決方案。典型的部件就是減震塔，傳統(tǒng)的沖壓焊接到壓鑄一體化設(shè)計，零部件大幅減少，輕量化效果也很明顯。此外四門兩蓋系統(tǒng)采用鋁合金沖壓和鎂合金壓鑄一體成形也已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，隨著輕量化需求的進一步推進以及相關(guān)材料和部件供應(yīng)商的產(chǎn)量加大，價格瓶頸問題也會隨之解決。

覆蓋件部件是外觀要求較高的部件，目前主要采用鋼板成形。全鋁車身的設(shè)計引入了6×××鋁板作為汽車覆蓋件，這類產(chǎn)品目前主要還是高端車型在使用，有鋁合金自然時效和沖壓回彈難以控制等技術(shù)原因，也有高端供應(yīng)商少價格高的原因。

1.3 底盤和懸掛系統(tǒng)

底盤和懸掛系統(tǒng)使用了大量的輕質(zhì)合金部件，輕質(zhì)材料使用比例也是汽車各個子系統(tǒng)中最高的。代表性的部件包括輪轂、控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)和副車架等，這些零部件行業(yè)已經(jīng)大范圍應(yīng)用接近半個世紀(jì)了。底盤系統(tǒng)設(shè)計受到新能源方向的影響較大，主要是因為電池包、副車架與電機系統(tǒng)在底盤子系統(tǒng)中的集成。目前，電動車平臺底盤系統(tǒng)采用了大量的鋁合金結(jié)構(gòu)部件，對底盤輕量化做出了巨大的貢獻(xiàn)。在懸掛系統(tǒng)中，輪轂和轉(zhuǎn)向節(jié)作為輕質(zhì)部件的典型代表，在電動化和智能化的發(fā)展過程中沒有發(fā)生顯著變化。

1.4 內(nèi)外飾和其他系統(tǒng)

在汽車的內(nèi)外飾子系統(tǒng)中，因為承載部件不多，傳統(tǒng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的使用量相對較少。具有代表性的部件為方向盤骨架、儀表盤骨架、座椅骨架等支架類部件。由于內(nèi)飾部件通常服役狀況較好，沒有嚴(yán)苛的耐腐蝕要求，鎂合金部件具有一定的滲透率，特別是方向盤骨架滲透率非常高，超過了80%。隨著輕量化趨勢的發(fā)展，這些部件中輕質(zhì)材料會有更為廣泛的需求，也能為汽車輕量化提供有利支撐。

2 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的需求與展望

汽車工業(yè)中鋁合金結(jié)構(gòu)部件的主體是鑄件，例如發(fā)動機部件，變速箱部件和底盤部件都是以鑄造鋁合金部件為主要供應(yīng)體系，壓延和擠型等變形鋁在汽車部件中主要是生產(chǎn)散熱器、鋁制車門和覆蓋件、防撞梁等部件。目前，鋁鑄件大約占車用鋁合金部件的75%左右，變形類產(chǎn)品特別是壓延類鋁板和車身壓鑄結(jié)構(gòu)件是新的增長點，具有良好的發(fā)展空間。

2.1 鋁合金

當(dāng)前，汽車工業(yè)的平均用鋁量在150～180 kg，全鋁車身和新能源車型可達(dá)400 kg 以上。根據(jù)Ducker于2018 年的報道[6]，鋁合金在汽車中的應(yīng)用年增長率超過8%，到2025 年平均每車用鋁有望可達(dá)220 kg以上。

目前車用鋁合金部件大量采用的是鑄造成形工藝，例如壓鑄發(fā)動機缸體，低壓鑄造輪轂都已經(jīng)形成相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)處于國際前沿水平，以輪轂行業(yè)為例，每年有大量的輪轂從中國出口到國外，同時國內(nèi)輪轂行業(yè)也紛紛在國外設(shè)廠，降低物流和關(guān)稅成本。此外，國內(nèi)動力總成部件的壓鑄水平和規(guī)模也是最大的，形成了以長三角和珠三角為聚集區(qū)的一大批壓鑄企業(yè)，不但滿足國內(nèi)汽車部件，也有很大的出口量。

從材料類型來看，底盤類零件都采用A356（美國牌號）或者AlSi7Mg（德國牌號），這類零件都采用低壓/重力鑄造工藝，部件都需要T6 熱處理。動力系統(tǒng)的殼體類壓鑄件主要采用Al-Si-Fe 體系，這類零件應(yīng)用量最大的合金類型為 A380（美國牌號）、AlSi9Cu3Fe（德國牌號）和ADC12（日本牌號），都是亞共晶鋁硅體系，然后銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～4%之間，能夠一定程度上提升屈服強度，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.8%～1.3%之間，為了解決壓鑄過程的粘模問題。這類零件部件對伸長率要求不高，一般低于3%，合金元素控制要求較低，可采用再生鋁生產(chǎn)。車身結(jié)構(gòu)件部件采用Al-Si-Mn 體系，主要是AlSi10MnMg（德系牌號）和A365（美國牌號），這類零件的特點是高伸長率，合金范圍要求嚴(yán)格，不能采用再生鋁生產(chǎn)，通常需要10%以上滿足車身部件的連接要求。

從2010 年開始，在國際上興起了一股真空壓鑄生產(chǎn)車身結(jié)構(gòu)件的浪潮，國內(nèi)的壓鑄廠主要以外資和合資企業(yè)為代表，為高端車型的的車身結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)大型真空壓鑄薄壁件，該類零件的主要材料為AlSi10-MnMg 材料，主要特點是需要超高真空，以滿足T7（固溶+過時效）熱處理和鉚接性能。需要強調(diào)的是，車身結(jié)構(gòu)件的出現(xiàn)，對鋁合金材料的需求和研發(fā)提供了巨大的驅(qū)動力，主要原因是現(xiàn)有的真空壓鑄件需要熱處理才能實現(xiàn)高伸長率，用于跟周邊車身部件進行鉚接，因此該類零件的成品率不高，高質(zhì)量供應(yīng)商少，價格偏高。國際上各大鋁合金和車企的研發(fā)機構(gòu)，都在研發(fā)無需熱處理可鉚接的壓鑄鋁合金材料，用于車身部件，例如德國萊茵公司的Magsimal-59 和Castduct-18 合金、美國鋁業(yè)公司的C611 和A152 合金、通用汽車研發(fā)中心的A379 等，目前已經(jīng)有可量產(chǎn)的非熱處理合金實現(xiàn)了商業(yè)化，由于非熱處理高韌性合金的出現(xiàn)，使得車身結(jié)構(gòu)件的成本和性能具有較大優(yōu)勢，隨著新能源車型大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的快速增長，該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速的發(fā)展。

此外，鋁合金在汽車中增長速度最快的是壓延類產(chǎn)品在四門兩蓋部件上的應(yīng)用，以6×××系鋁板為例，目前已經(jīng)在發(fā)動機罩蓋上獲得了50%以上的份額。跟鑄造類鋁合金部件不同，壓延類產(chǎn)品主要還是以進口或者外商獨資企業(yè)生產(chǎn)為主，國內(nèi)雖然是鋁壓延產(chǎn)品的大國，但不是強國，目前已經(jīng)有一批國內(nèi)鋁合金壓延產(chǎn)品的企業(yè)正在大力發(fā)展汽車板業(yè)務(wù)，相信在2025年之前能夠?qū)崿F(xiàn)汽車板行業(yè)較高的國產(chǎn)化率。從材料的角度來看，車用鋁板主要包括成形性好的5×××系（例如5182 和5754），這類鋁合金沒有熱處理強化特性，主要生產(chǎn)門內(nèi)板復(fù)雜成形部件；另一類6×××系鋁板（例如6016 和6061）由于具有良好的時效硬化特性，適合于成形四門兩蓋的外板。由于汽車外板的生產(chǎn)和涂裝工藝較為復(fù)雜，需要完美的匹配6×××系合金固溶態(tài)或者預(yù)時效態(tài)的自然時效特性（一般有效期半年），因此，6×××系合金對鋁板生產(chǎn)企業(yè)和使用廠商具有較高的要求。

2.2 鎂合金

目前，汽車工業(yè)平均用鎂量在10 kg 以內(nèi)。從2000年開始，各國政府和研發(fā)機構(gòu)投入大量的資源進行鎂合金的研發(fā)和產(chǎn)品的推廣，特別是我國作為鎂合金資源的大國，一直希望將鎂合金在汽車工業(yè)中的用量進一步提高。但是，車用鎂合金的用量并沒有出現(xiàn)預(yù)期的大幅增長，主要的鎂合計牌號還是以 AZ91D 和AM50 為主，主要的鎂合金產(chǎn)品以方向盤骨架、儀表盤骨架、座椅骨架等內(nèi)飾部件。限制鎂合金大規(guī)模應(yīng)用的一個主要原因還是由鎂合金特性決定的，鎂合金的耐腐蝕性能差，特別是電偶腐蝕是困擾鎂合金在非內(nèi)飾承載部件系統(tǒng)中應(yīng)用的最大阻力。

汽車輕量化和部件集成化的發(fā)展趨勢，能夠發(fā)揮鎂合金材料流動性好、易成形大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢，將促使鎂合金的新的大規(guī)模應(yīng)用，例如車門內(nèi)板和行李箱后蓋內(nèi)板，采用壓鑄鎂合金可以實現(xiàn)最優(yōu)輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。目前，我國具有最多的鎂合金礦產(chǎn)和冶煉資源，也具有最大噸位壓鑄裝備的下游生產(chǎn)企業(yè)，在該領(lǐng)域我國已經(jīng)形成了全球最為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，能夠?qū)崿F(xiàn)從原鎂到高端鎂合金壓鑄件的全流程生產(chǎn)和制造。

3 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件成型工藝的需求與展望

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件的成形工藝包括鑄造類和變形類兩種，目前，車用壓延類和擠型類部件的工藝和材料都相對穩(wěn)定，而車用鑄造類部件設(shè)計的工藝類型種類多，產(chǎn)品廣，新型工藝也層出不窮。以下將從高壓鑄造和金屬型鑄造兩種工藝對車用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件的成形工藝現(xiàn)狀與展望進行探討。

3.1 高壓鑄造

目前，車用鋁合金部件使用的壓鑄工藝及其主要產(chǎn)品包括：傳統(tǒng)高壓鑄造（發(fā)動機缸體，變速器殼體等殼體類部件），小于5 kPa 的超真空壓鑄（減震塔，縱梁等車身結(jié)構(gòu)件），以及各類壓鑄工藝的變種（例如超低速壓鑄、擠壓壓鑄、半固態(tài)壓鑄等）。隨著新能源部件和智能駕駛車輛部件的增多，對壓鑄工藝提出的要求也越來越多，例如純鋁系電機轉(zhuǎn)子的壓鑄、散熱型電控箱殼體的焊接等。這些新的需求給傳統(tǒng)壓鑄企業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，壓鑄企業(yè)需要及時調(diào)整研發(fā)方向，針對新的零部件要求能夠轉(zhuǎn)換成壓鑄工藝、材料、模具等具體要求，并通過優(yōu)化生產(chǎn)出高質(zhì)量合格鑄件。

隨著汽車部件的高致密度以及機械性能要求日益增加，采用擠壓鑄造、半固態(tài)壓鑄等新型壓鑄工藝的部件也越來越受歡迎。這類零件最大的特點就是可實現(xiàn)T6（完全固溶+時效）熱處理，部件可達(dá)到底盤類零件的強度，并且具有跟壓鑄接近的高效率，目前在底盤類支架零件已經(jīng)有替代傳統(tǒng)壓鑄件的產(chǎn)品出現(xiàn)。跟傳統(tǒng)壓鑄工藝相比，擠壓和半固態(tài)壓鑄產(chǎn)品需要進一步提升質(zhì)量穩(wěn)定性，拓寬工藝范圍，提高產(chǎn)品的性價比，擴大供應(yīng)體系。

3.2 金屬型鑄造

金屬型鑄造主要包括低壓鑄造、重力或重力傾轉(zhuǎn)鑄造，以及差壓鑄造工藝等，這幾類工藝對應(yīng)的典型汽車部件為輪轂、缸蓋和轉(zhuǎn)向節(jié)。

從低壓鑄造工藝來看，目前這是最適合輪轂的工藝，超過90%以上的主機廠輪轂都是用這類工藝生產(chǎn)。但是，是由于汽車設(shè)計的發(fā)展趨勢偏向于大直徑的輪轂，例如2000 年以前大部分輪轂是15～16寸，現(xiàn)在趨勢是17～19 寸輪轂，這對傳統(tǒng)的輪轂制造工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前，重力傾轉(zhuǎn)工藝生產(chǎn)輪轂在售后和日系車較為普遍，該工藝結(jié)合旋壓工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)輪轂的順序凝固，比較適合大尺寸寬胎面輪轂的生產(chǎn)，具有良好的外觀和機械性能以及良好的市場前景。

差壓鑄造工藝目前在轉(zhuǎn)向節(jié)部件中獲得了廣泛應(yīng)用，主要原因是這類零件對質(zhì)量穩(wěn)定性和疲勞性能要求很高，差壓工藝通過冷卻和中低壓凝固壓力較好地解決了這類要求，但是差壓鑄造對裝備和模具有較高要求，只適合轉(zhuǎn)向節(jié)這類厚大部件，尺寸中等的零件并不適合尺寸較大的輪轂和副車架等部件。

圖1 汽車關(guān)鍵子系統(tǒng)的輕質(zhì)材料成形工藝和主要合金類型Fig.1 Materials and manufacturing processes for lightweight components in key automotive sub-systems and main types of alloys

目前，新能源車和自動駕駛車的新型結(jié)構(gòu)部件，都在嘗試各種新型成形工藝，例如電池包殼體零件，目前由于量不是很大，主要采用型材焊接的方法進行生產(chǎn)，但是各家廠商都在嘗試鑄造這一高效低成本的工藝方案，已經(jīng)有低壓鑄造和超真空壓鑄生產(chǎn)的電池包殼體問世，但是都沒有大規(guī)模生產(chǎn)，具體哪一種方案更適合，需要經(jīng)過市場和技術(shù)的考驗。另外，重力或重力傾轉(zhuǎn)工藝生產(chǎn)電機殼體已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，主要是由于該零件通常具有冷卻水路，金屬型工藝較為適合生產(chǎn)含芯部件。

4 展望

隨著汽車電氣化和智能化的推進，對傳統(tǒng)的輕質(zhì)合金及其成形工藝提出了新的挑戰(zhàn)，也產(chǎn)生了大量的新機遇。我國具有全球最全的汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈體系，隨著供給側(cè)改革的推進，我國的汽車輕質(zhì)部件供應(yīng)鏈體系也會在汽車工業(yè)2.0 時代發(fā)揮積極重要的作用。