鋁與新能源汽車面面觀

王祝堂

(中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京 100814)

英國溫室氣體目前主要來自運輸領(lǐng)域，自2016年以來增長率為2%/a。據(jù)英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部(BFIS)的統(tǒng)計，2016年交通運輸部門的溫室氣體排放占26%，能源供應(yīng)部門的排放量占25%，而排放的主體為汽油車和柴油車，世界其他國家和地區(qū)的排放也大致如此。

為了應(yīng)對全球日益惡化的氣候，英國、挪威、荷蘭、澳大利亞、法國提出，在今后一二十年內(nèi)淘汰現(xiàn)行的內(nèi)燃機，最有效的措施是采用新能源汽車，特別是電動汽車。歐洲經(jīng)濟共同體(EU)提出，為了達到2050年的碳排放目標，現(xiàn)有汽車的80%必須淘汰，代之以電動汽車，為此，2030年電動汽車在新銷售的汽車中應(yīng)占50%[1]。

在全球排放的碳總量中，中國占25%，而美國與歐洲只占27%，中國的人均排放量比全球的平均水平高40%，在此背景下，中國提出了“3060”碳目標，要求2030年前達到“碳達峰”目標；2050年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值實現(xiàn)“碳中和 ”的宏遠目標。在中國交通運輸領(lǐng)域碳排放約占總排放量的10%，其中汽車的排放量占總量的7.5%。2020年中國乘用車全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放總量約6.7億t CO2，其中74%是汽車使用時排放的，26%的CO2排放則是上游產(chǎn)業(yè)鏈制造加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的[2]。

1 電動汽車

用電動汽車取代化石燃料汽車，不是方案選擇問題，也不是討論中的問題，而是必須立即付諸實施的行動，中國、歐洲和美國走在前面，特別是中國，不但在純電動汽車生產(chǎn)、銷售和使用方面是世界第一，而且在研發(fā)方面也居世界引領(lǐng)水平。中國自2016年以來新能源汽車產(chǎn)量就居世界首位，毫無疑問，這種情況將穩(wěn)穩(wěn)延續(xù)下去。

1.1 中國新能源車駛上發(fā)展高速車道

在中國，新能源汽車是指純電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池電動汽車，前者占絕對主導(dǎo)地位。截至2021年年底，中國注冊的電動汽車企業(yè)有450多家，都在使出渾身解數(shù)爭奪這個世界最大的汽車市場的份額。發(fā)展新能源汽車是中國從汽車大國邁向汽車強國必由之路。自2011年以來，中國政府投入巨資刺激新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，充分發(fā)揮了政策、稅收激勵和消費補貼措施的組合作用，還為建設(shè)全面的充電基礎(chǔ)設(shè)施提供資金支持和標準化指導(dǎo)。

據(jù)中國乘用車市場信息聯(lián)席會發(fā)表的數(shù)據(jù)顯示，2021年中國新能源汽車的市場滲透率約15%，銷售量達到前所未有的近300萬輛，同比增長約170%。在2021年全世界銷售的675萬輛新能源汽車中，中國電動汽車的銷量約330萬輛，占53%，而美國銷售的只不過60.8萬輛。實際上早在2019年12月，中國工業(yè)和信息化部就宣布，到2025年以代替能源(主要是電動汽車)驅(qū)動的汽車將占中國汽車銷量的25%。

1.2 中國新能源汽車跑遍世界

中國汽車工業(yè)協(xié)會(以下簡稱中汽協(xié))2022年8月的最新數(shù)據(jù)顯示，前7個月中國汽車企業(yè)出口150.9萬輛，同比增長50.6%；上半年中國新能源汽車共出口20.2萬輛，同比增長1.3倍，占汽車出口總量的16.6%。特斯拉汽車公司、寶馬汽車公司、沃爾沃汽車公司等出口的新能源汽車占比約2/3，中國自主品牌汽車出口的僅占1/3。

2022年1月～6月特斯拉上海超級工廠出口汽車約10萬輛，占中國新能源汽車出口總量48%，為去年同期出口量的2倍以上。特斯拉上海工廠制造的高質(zhì)量、高價值電動汽車主要出口到歐洲、澳大利亞、日本、新加坡等發(fā)達國家。同樣，中國自主品牌新能源汽車也在積極開拓國外市場，乘聯(lián)會數(shù)據(jù)顯示，2022年6月在新能源乘用車出口企業(yè)中，東風易捷特出口5 445輛，比亞迪新能源出口2 177輛，神龍汽車出口525輛，江淮汽車出口361輛，一汽紅旗出口192輛。

2020年中國出口的新能源汽車只不過7萬輛左右，占汽車出口總量的7%；2021年中國新能源汽車出口上升至31萬輛，同比增長304.6%，占中國汽車出口總量的15%。值得驕傲的是，與傳統(tǒng)燃油車出口路徑不同，中國新能源汽車出口的目標市場主要為發(fā)達國家，如德國、英國、比利時、挪威、日本、美國等。

近些年來，歐洲一些國家在大力推廣新能源汽車，加大補貼力度，降低進口關(guān)稅，為中國電動汽車出口提供了新空間。挪威對純電動車購買者免征購置稅和進口稅，準許消費者免繳25%的增值稅，并給予路權(quán)等配套政策支持。德國新能源汽車消費者可享受最高9 000歐元的補貼。荷蘭、丹麥、瑞典等也陸續(xù)出臺“禁售燃油車”時間表，加大對新能源汽車市場的扶持力度。

2022年9月，上汽集團有1 000多輛MG MULAN汽車運抵比利時澤布昌赫港，10月起在歐洲市場首發(fā)。隨著國外市場的不斷擴大，中國車企在全球市場實現(xiàn)“換道超車”的重大機遇降臨了。目前各國都在支持新能源汽車發(fā)展，是中國電動汽車走向全世界的大好機遇，是實現(xiàn)從“中國制造”到“中國品牌”轉(zhuǎn)變的大好時機。

中國已有了一批有國際競爭力和創(chuàng)新活力的品牌企業(yè)，營造了開放競爭的市場環(huán)境。借助電動汽車的先發(fā)優(yōu)勢，中國車企正在加速電動汽車的研發(fā)與生產(chǎn)布局，比亞迪、上海通用五菱、吉利等已進入世界電動汽車銷量前列，蔚來、小鵬、理想等造車新勢力企業(yè)正在迅速成長，東風、上汽、長安等已先后推出嵐圖、智已、極狐等具備電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化特征的電動汽車品牌等。

比亞迪汽車泰國有限公司與WHA偉華集團大眾有限公司于2022年9月8日正式簽約，將在泰國建電動汽車制造廠，2024年投產(chǎn)，生產(chǎn)能力15萬輛/a，占地960 000 m2，位于泰國東部經(jīng)濟走廊特區(qū)。泰國政府計劃到2030年將電動汽車產(chǎn)量提升到汽車總產(chǎn)量的約30%。市場研究顯示，東南亞電動汽車市場將由2021年的約5億美元上升到2027年的26.7億美元，年復(fù)合增長率32.73%。當前，中國在泰國的汽車制造企業(yè)還有上汽集團、長城汽車公司和比亞迪汽車公司。

2020年以來，海灣合作委員會國家的街道上到處行駛著中國制造的小汽車，2021年中國制造的小汽車在這些國家的總銷量中占到10%～15%，高于許多傳統(tǒng)制造公司的。沙特是大的中國汽車進口國，也是全球十大中國汽車進口國之一。中等收入和收入受限的消費者最青睞中國小汽車的規(guī)格和價格，中國汽車在沙特的市場份額由2020年的9%上升到2021年的13%以上。2021年中國汽車在巴林、阿曼、卡塔爾和科威特等銷量均占到10%以上。

中國小汽車價廉物美，巴林一家大型汽車租賃公司2021年都換上了中國的。大多數(shù)租賃公司都在朝著這個方向前行，為員工提供汽車的公司也是如此。中國小汽車更便宜、可靠性高、續(xù)航里程長。一輛日本中型轎車在沙特的價格為2.9萬美元～3.4萬美元，而只要花1.9萬美元～2.2萬美元就可以買一輛性能高得多的同類中國小汽車。沙特一家汽車展廳的老板說：中國小汽車通常與德國和美國小汽車的性能相當，而中國小汽車的價格不到德國小汽車價格的1/4，比日本小汽車價格低35%。中國小汽車在安全測試方面也取得了成功，受到各方的一致好評。中國汽車企業(yè)還開始提供價格合理、高規(guī)格的豪華品牌。

俄羅斯歡迎中國汽車。一些歐洲、美國、日本等國限制汽車出口或退出俄羅斯市場，出路只有增加本國的產(chǎn)量或增加從中國進口量，這為中國汽車出口俄羅斯創(chuàng)造了大好機會。俄羅斯“汽車之家”公司總經(jīng)理A.奧利霍夫斯基說：西方國家對俄羅斯的制裁導(dǎo)致俄汽車銷量急劇下降。2022年5月俄新車銷量同比下降83.5%。2022年前5個月降幅也有52%，現(xiàn)在只有中韓制造商還在繼續(xù)供貨。

盡管目前中國汽車在俄的銷量還不大，但其市場份額逐年遞增。中國有80多個出口汽車品牌，在俄受追捧的有吉利、哈弗、奇瑞和長安等。奧利霍夫斯基說：“中國汽車在俄日益受到追捧不僅因為與其他汽車品牌相比，它們更加經(jīng)濟實惠，還與汽車本身經(jīng)歷的技術(shù)變革有關(guān)。其獨特的原創(chuàng)設(shè)計和先進的工藝技術(shù)都在引領(lǐng)著世界潮流。憑借出色的配置，中國汽車在舒適性和安全方面勝過韓國、日本和歐洲品牌的。此外，中國汽車制造商非常靈活且以客戶為導(dǎo)向，根據(jù)俄羅斯顧客的需求調(diào)整車型款式。”

專家認為，目前在俄市場處于領(lǐng)頭羊地位的中國公司潛力巨大。但長遠看，唯有生產(chǎn)本地化才能確保領(lǐng)先。當前，哈弗和吉利的前景最為業(yè)界推崇，哈弗2019年在圖拉設(shè)廠，投資15億美元，現(xiàn)有生產(chǎn)能力8萬輛/a，規(guī)劃生產(chǎn)能力15萬輛/a。吉利則在白俄羅斯建有汽車裝配廠。此外，紅旗和福田也即將在俄羅斯建廠，并且很可能是生產(chǎn)電動汽車。

中國電動巴士風靡全球，就連汽車王國日本也從中國引進電動巴士，2021年12月，京都市和京阪電氣鐵道在市內(nèi)循環(huán)巴士中引進4輛中國電動巴士，希望促進日本企業(yè)奮起直追。在日本關(guān)西地區(qū)，大阪府的阪急巴士中從2022年4月起也有中國巴士在運行。據(jù)國際能源署統(tǒng)計，2021年全球銷售的電動巴士約9萬輛。

2021年12月在英國格拉斯哥召開了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第26次締約方大會(COP26)，中國比亞迪公司為這次會議的交通提供了120多輛電動巴士，通過改進技術(shù)實現(xiàn)了快速充電，運行性能與乘座坐舒適性勝過柴油巴士的。截至2022年7月，比亞迪公司為全世界提供了5萬輛電動巴士。在日本政府為8種引進的電動巴士提供補貼當中，有7種是中國車型。唯一的日本企業(yè)是北九州市的初創(chuàng)企業(yè)，但該公司目前也是委托中國生產(chǎn)電動車。日野汽車公司將于近期投放市場的小型巴士也并非自主開發(fā)，也是委托比亞迪公司制造。

奧迪公司于2022年6月21日對外表示：2033年將停產(chǎn)柴油車和汽油車，從2026年開始計劃只推出新的純電動車型，同時在2033年前逐步停止生產(chǎn)內(nèi)燃機車；不過，由于中國的需求強勁，奧迪在中國的合作伙伴可能會在2033年后繼續(xù)生產(chǎn)內(nèi)燃汽車；2022年推出的新電動車型數(shù)量已超過了柴油和汽油車型，奧迪公司的目標是到2025年擁有20個以上的電動汽車車型。大眾汽車公司在2022年表示，在未來5年投入460億歐元，以主導(dǎo)全球電動汽車市場。

1.3 研發(fā)投入

為了加速電動汽車的高質(zhì)量發(fā)展，引領(lǐng)潮流，中國有關(guān)部門與企業(yè)非常重視研發(fā)和科技投入，有些企業(yè)的投入達到或超過年銷售收入的5%，居世界投入的前列。2022年9月中國汽車技術(shù)研究中心有限公司新能源汽車科技創(chuàng)新基地在天津建成啟用，這是全世界最新建成的新能源汽車研發(fā)基地，也是全世界最大的、檔次最高的之一。

2 新能源汽車市場

根據(jù)瑞典咨詢公司EV-volumes的資料[3]，2020年全球電動車銷量324萬輛，預(yù)計2025年全世界新能源汽車產(chǎn)量將超過1 700萬輛，中國的將超過650萬輛。按乘聯(lián)會的數(shù)據(jù)，2022年5月中國乘用車銷量131.9萬輛，新能源車銷量32.2萬輛，同比增加79.4%，比乘用車銷量的增長大得多，新能源車銷量已占到總體乘用車銷量的24.4%，相比去年同期上升13.7個百分點。隨著新能源汽車銷量占比的上升，充電站也成了焦點，2022年5月18日巨灣技研宣布，已與特來電新能源股份有限公司達成戰(zhàn)略合作，將在2022年～2025年期間在全國各城市建1 000座超級充電站，并于2023年底前在廣東、海南省投資建設(shè)300座超充站。

工業(yè)和信息化部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、商務(wù)部、國家能源局綜合司印發(fā)《關(guān)于開展2022年新能源汽車下鄉(xiāng)活動的通知》，包括一汽集團、東風汽車、長安汽車等26家汽車生產(chǎn)企業(yè)和旗下共70款新能源汽車車型參加本次下鄉(xiāng)產(chǎn)活動，活動時間為2022年5月-12月，地點在山西、吉林、江蘇、浙江、河南、山東、湖北、湖南、海南、四川、甘肅等省份的三四線城市、縣區(qū)。2021年下鄉(xiāng)活動共銷售106.8萬輛新能源汽車，同比增長169.2%，有效地促進了銷售。

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會預(yù)計，2022年中國汽車銷量有望達到2 700萬輛，同比增長約3%，其中乘用車銷量2 300萬輛，新能源車550萬輛，同比上升 56%以上。2025年新能源汽車用鋁量可達1 760 kt。國際能源署(IFA)預(yù)測，2030年電動汽車的數(shù)量將上升到1.45億輛(既定政策情況下)或2.3 億輛(可持續(xù)發(fā)展情況下)，分別占道路車輛的7%和12%。到2030年新能源汽車(純電動車、插電式混合動力車和氫燃料電池車)的銷售額將達到50%。2020年在路上行駛的電動汽車只不過1 000萬輛。

在此應(yīng)指出的，主要由于電池的原因，新能源汽車的質(zhì)量比參照的燃油車更重一些。研究表明，新能源汽車如果質(zhì)量下降100 kg，續(xù)航里程可提升10%～11%。車身在整車質(zhì)量中占比較大，也是輕量化潛力最大的領(lǐng)域，以高強度鋼取代普通鋼材質(zhì)量可下降11%，采用全鋁合金可減輕40%，這是當今和以后一段時間內(nèi)主要的輕量化手段，當然采用復(fù)合材料和鎂材可進一步減輕質(zhì)量，但筆者不推薦，一是因為它們的價格高，二是因為鎂在安全方面還有不盡人意之處，即使采用“阻燃鎂合金”，在溫度高于其熔點時也會燃燒，筆者經(jīng)歷過兩次鎂合金錠著火事件。

2020年國務(wù)院下發(fā)了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021年-2035年)》，堅持電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化發(fā)展方向，深入實施發(fā)展新能源汽車國家戰(zhàn)略，以融合創(chuàng)新為重點，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力，構(gòu)建新型產(chǎn)業(yè)生態(tài)，完善基礎(chǔ)設(shè)施體系，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，加快建設(shè)汽車強國。由中國汽車工程學(xué)會牽頭、500位專家歷時一年于2019年初完成的大型聯(lián)合研究項目—節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖，其目標是到2020年、2025年、2030年，中國新能源汽車年銷量預(yù)計將分別達到10萬輛、500萬輛、1 500萬輛。中國汽車在2030年輕量化目標是車輛整備質(zhì)量較2015年的減重35%，單車用鋁量達到350 kg。筆者認為，單車用鋁量實際上可以達到430 kg，含復(fù)合材料的用鋁量按85%匡算。

3 電動車與鋁

電動車應(yīng)是全鋁的，所謂全鋁的并不是所有的零部件與結(jié)構(gòu)件都是用鋁合金和鋁基復(fù)合材料制造的，而是指在現(xiàn)有技術(shù)條件下完全符合標準、確保安全與乘坐舒適的前提下，凡是可用這兩種材料制造的零部件與結(jié)構(gòu)件都是用其制備的。當前可用鋁合金制備的電動車部件或系統(tǒng)：用板材制造的車身覆蓋件，用擠壓材制備的車身骨架，電池系統(tǒng)，防撞梁系統(tǒng)，電機及傳動系統(tǒng)。

3.1 覆蓋件

乘用車鋁合金白車身主要由前保橫梁總成、前艙總成、左右側(cè)圍總成、左右車門總成、前后地板總成、前后頂橫梁總成、前后流水槽總成等部分組成。采用的鋁材主要有板材、型材和鍛件、鑄件等，成型方式有折彎、沖壓、CNC加工，連接方式主要有焊接、螺接、鉚接等。

汽車用的鋁合金覆蓋件都是鋁合金薄板加工的(圖1)。板材分為外面板和內(nèi)面板。對外面板的性能要求：高的強度，良好的可成形性，特別重視邊緣的可成形性，優(yōu)秀的抗蝕性。對內(nèi)面板鋁合金材料的要求：良好的深沖性，優(yōu)秀的可焊性能，還要求面板有良好的烘烤性能。

圖1 汽車車身鋁合金件示意圖Fig.1 Schematic diagram of aluminum alloy parts of automobile body

(1)板材合金

汽車用的板材主要是用6016-T4/T4P、6111-T4/T4P、6014-T4/T4P、6451-T4/T4P鋁合金生產(chǎn)的，也有少量板材是用5182-O、5754-O鋁合金生產(chǎn)的。6111、6014、6016鋁合金的成分見表1。6111鋁合金是一種美國合金，1982年在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊；6014鋁合金是瑞士研發(fā)的，1983年在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊；6016鋁合金也是一種瑞士合金，1984年成型并在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊。

表1 6×××系鋁合金汽車板材的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of 6××× aluminum alloy automobile sheet (wt/%)

諾貝麗斯鋁業(yè)公司(Novelis)于2018年與捷豹路虎汽車公司合作開發(fā)出RC 5754鋁合金汽車內(nèi)板，閉環(huán)廢鋁用量高達85%；還開發(fā)出S 5754 RC鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件，廢鋁用量可達75%。用廢鋁能耗低，能耗僅相當于用原鋁的4%～5%；污染低，再生鋁生產(chǎn)過程中排放的污染物僅相當于原鋁提取過程的7%左右。估計2030年中國社會上積累的鋁將達到約9億t，按5%回收，屆時廢鋁供應(yīng)量約45 Mt。

(2) 板材生產(chǎn)工藝

板材生產(chǎn)工藝有多種，軋制出現(xiàn)于18世紀末，1888年出現(xiàn)鋁的電解法幾年后就有了二輥軋板法，至今輥軋法仍是生產(chǎn)板帶材的唯一冷軋工藝。熱軋可有不同的工藝，如鑄錠熱軋法、雙輥式連續(xù)鑄軋法、哈茲雷特連鑄連軋法(Hazelett)、美鋁微型軋機(Alcoa MicromillTM)軋制法、FlexcasterTRTechnology、噴射成型軋制法等[4]。但鑄錠熱軋-冷軋法仍是生產(chǎn)板帶材的基本工藝，在全世界每年生產(chǎn)的鋁合金板帶中，70%以上是用鑄錠熱軋-冷軋工藝生產(chǎn)的，汽車用薄板(ABS，Auto-Body-Sheet)全是用此法生產(chǎn)的。

雙輥式連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)線幾乎都集中于中國，約有850條。美國鋁業(yè)公司的 Alcoa MicromillTM工藝流程短，從常規(guī)鑄錠熱軋工藝的20 d縮短到80 min(從鋁熔體入口到熱軋卷)，能耗降低50%；產(chǎn)品性能優(yōu)，抗拉強度提高30%，成形性能上升40%。圖2下方左為MicromillTM生產(chǎn)的冷軋板沖制的杯，邊緣整齊；右為常規(guī)鑄錠生產(chǎn)的板沖制的杯，邊緣不整。令筆者始終不解的是，這么好的工藝，為什么沒有企業(yè)采用呢？此工藝已面世十來年了，尚未見有采用此法的媒體報道。還傳說此工藝可以制備所有變形鋁合金帶坯。

圖2 Alcoa Micromill TM工藝流程示意圖Fig.2 Alcoa MicromillTM process flow diagram

噴射軋制是一種將噴射成形與雙輥鑄造合二為一的薄帶連鑄技術(shù)，如圖3所示。用高壓氣體將鋁熔體霧化為液滴，定向定速飛向軋輥的間隙，將半固態(tài)材料熱變形為高速凝固的致密帶材。

圖3 噴射軋制工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of spray rolling process

(3)生產(chǎn)企業(yè)

當前，乘用車覆蓋件都是用ABS深沖的。而ABS全是鑄錠熱軋-冷軋-氣墊爐退火生產(chǎn)的。國外可生產(chǎn)ABS的鋁業(yè)公司有7家：諾貝麗斯鋁業(yè)公司(Novelis)，是一家印度公司，生產(chǎn)能力最大，達600 kt/a，但業(yè)務(wù)主要在美國和歐洲；美國奧科寧克鋁業(yè)公司(Arconic)，在全世界有4個生產(chǎn)廠，生產(chǎn)能力為360 kt/a；美國肯聯(lián)鋁業(yè)公司(Constellium)，生產(chǎn)能力為100 kt/a；愛勵鋁業(yè)有限公司(Aleris)，總部在美國，生產(chǎn)能力200 kt/a；德國阿盧諾夫鋁業(yè)公司(Aluhorf)，生產(chǎn)能力為200 kt/a；奧地利阿馬鋁業(yè)公司(Almag)，生產(chǎn)能力為100 kt/a；希臘鋁業(yè)有限公司，2021年投產(chǎn)，生產(chǎn)能力為100 kt/a。美國和歐洲ABS的生產(chǎn)能力約1 800 kt/a。

日本有3個鋁業(yè)公司可生產(chǎn)ABS，它們是日本聯(lián)合鋁業(yè)公司(UACJ)、神戶鋼鐵公司(Kobelco)真岡軋制廠、日本輕金屬公司(NLM)，總生產(chǎn)能力500 kt/a。

中國可生產(chǎn)ABS的企業(yè)有10家(如表2)，總生產(chǎn)能力1 300 kt/a。

表2 中國可生產(chǎn)ABS的企業(yè)Table 2 Enterprises that can produce ABS in China

3.2 DFI在線退火技術(shù)

眾所周知，ABS生產(chǎn)工藝的核心是帶材的氣墊式連續(xù)退火工藝及其裝備，沒有這樣的生產(chǎn)線就生產(chǎn)不出來性能始終如一的長期穩(wěn)定的產(chǎn)品，一條典型生產(chǎn)線的 ABS產(chǎn)量約100 kt/a，生產(chǎn)線的展開直線長度約280 m。截至2022年9月中國有15條ABS氣墊式連續(xù)退火線，其中14條是引進的，另1條(也是首條)2022年7月1日在南南鋁加工有限公司冷軋制造中心正式點火啟動，屬國家重大短板裝備項目，該氣墊式連續(xù)熱處理生產(chǎn)線是中國第一條自主研發(fā)、設(shè)計、制造的高端鋁合金帶材連續(xù)熱處理生產(chǎn)線，立足國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、創(chuàng)新鏈，實現(xiàn)了包括氣墊式加熱系統(tǒng)、淬火系統(tǒng)、風機、燒嘴、干式靜電涂油機、糾偏檢測原件、工藝自動控制系統(tǒng)等核心部件自主配套，突破了在核心裝備制造方面的“卡脖子”難題，有力地提升了在航空航天、新能源汽車、3C泛半導(dǎo)體等重點領(lǐng)域的關(guān)鍵鋁合金材料的供應(yīng)保障能力。由于這條核心生產(chǎn)線的投產(chǎn)，南南鋁加工有限公司的大規(guī)格高性能板帶材生產(chǎn)能力可翻一番，生產(chǎn)效率將提升約30%。

近5年來，林德技術(shù)公司(Linde)針對現(xiàn)有ABS氣墊式連續(xù)退火生產(chǎn)線的一些不足之處，開發(fā)出利用純氧的直接火焰加熱工藝DFI(direct flame impingement)(圖4)，這種連續(xù)退火工藝的優(yōu)點[5]：煙氣排放大大減少，環(huán)保有了較大改善；提高了加熱溫度，加熱速度大為提高；熱效率更高，節(jié)約了能源；熱量傳遞快，生產(chǎn)效率提高，比常規(guī)退火線的快好幾倍(圖5)，例如以空氣助燃時的傳熱效率為100 kW/m2，而DFI的卻高達800 kW/m2～1 000 kW/m2。

圖4 林德技術(shù)公司的試驗示意圖Fig.4 Linde Technology Co.,Ltd.

圖5 不同加熱方式的熱傳輸速度圖Fig.5 Heat transfer rate in different heating methods

林德公司在中試線上做了試驗，得到了預(yù)期的效果，中試線的技術(shù)參數(shù)：

鋁合金帶材厚度/mm 1.5

鋁合金帶材寬度/mm 200

燃燒器功率/kW 200

帶材速度/(m·min-1) 15～20

帶材溫度/℃ 300～400

平均升溫速度/(℃·s-1) 100

4 電動汽車的鋁合金零件

純電動汽車去掉了100 kg的內(nèi)燃機，換上了約300 kg的電機和電池系統(tǒng)，電動汽車的凈質(zhì)量比同級別燃油車的凈質(zhì)量大200 kg，因而電動汽車的輕量化顯得尤為重要。北美汽車的用鋁量比中國的高得多(圖6)，這對降低溫室氣體排放大有幫助，生產(chǎn)鋁材產(chǎn)生的溫室氣體按工序占比來說，電解工序占77.60%，如果加上碳素陽極制備產(chǎn)生的，則大于80%，雖然中國噸鋁電解時的電耗比國外的低一些，但國外的電多為水電，所以碳足跡比中國的低不少(圖7)。

圖6 北美汽車的用鋁量Fig.6 Aluminum consumption of North American vehicles

圖7 鋁生產(chǎn)鏈各工序的溫室氣體排放占比Fig.7 Proportion of greenhouse gas emissions in each process of aluminum production chain

2019年9月國際鋁業(yè)協(xié)會發(fā)布了其委托CM咨詢公司完成的《中國汽車工業(yè)用鋁量評估報告(2016-2030)》(以下簡稱《報告》)?！秷蟾妗方榻B了對中國汽車工業(yè)用鋁量的綜合評估結(jié)果，包括乘用車、商用車(客車和貨車)、特種車、兩輪車和三輪車的用鋁量?！秷蟾妗奉A(yù)測，中國汽車工業(yè)的用鋁量將從2018年的 3 800 kt增加到2030年的9 100 kt，年復(fù)合增長率8.9%。單車用鋁量見圖8。筆者的預(yù)估復(fù)合增長率可大于10%。《報告》預(yù)測，2030年貨車和新能源汽車的鋁使用量將達1 400 kt，年復(fù)合增長率11%，筆者認為復(fù)合增長率有可能超過13%。

圖8 CM咨詢公司預(yù)測新能源汽車的用鋁量Fig.8 Aluminum consumption of new energy vehicles predicted by CM_Group

新能源汽車的典型鋁合金零部件如圖9所示。新能源汽車也好，化工燃料車也好，98%以上的鋁合金零件(按質(zhì)量)是用鑄造鋁合金、板帶材、箔材、擠壓材、拉拔材制造的，鍛件的用量很少，僅占約1%，如果車輪是鍛造的，則鍛件的凈質(zhì)量會大一些，但鍛造車輪僅用于賽車和公交車，乘用車和貨車幾乎都不用，用的都是低壓鑄造的車輪。

圖9 汽車中典型合金零部件示意圖Fig.9 Schematic diagram of typical alloy parts in automobile

4.1 Audi A8-BMW7系列、FORD F-150型皮卡車車身

Audi A8乘用車是世界上最早推出的全鋁乘用車(圖10)，用了大量的鋁合金，其覆蓋件全是用ABS沖壓的，發(fā)動機的一些零件是用鋁合金鑄造的，車身骨架是用鋁合金擠壓材制備的。寶馬汽車公司BMW7系列車(其車身結(jié)構(gòu)用材見圖11)和福特汽車公司的FORD F-150車都是全鋁的。

圖10 Audi A8車的全鋁車身結(jié)構(gòu)件展示圖Fig.10 All aluminum body structure of Audi A8

圖11 BMW7系列車車身結(jié)構(gòu)的用材Fig.11 Materials for body structure of BMW 7 series

汽車車身由骨架和車身覆蓋件組成，覆蓋件如發(fā)動機罩(bonnet)和背門(tailgate)是用6×××系鋁合金薄板沖壓的，圖12所示為6016、6022、6111-T4/T4P鋁合金沖壓汽車發(fā)動機罩和背門，它們的力學(xué)性能見表3。鋁合金的彈性模量僅為鋼的1/3，屈服強度約為鋼的1/2，因此抗凹陷性遠不如鋼的，工件板材厚度應(yīng)比鋼板厚度大40%～50%，盡管鋁的密度只有鋼密度的1/3，但鋁合金工件只能比鋼件的輕50%左右。

表3 6×××系A(chǔ)BS鋁合金板的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of 6××× series Al alloy sheets for ABS

圖12 用6016合金ABS沖壓的汽車發(fā)動機蓋(左)和背門(右)Fig.12 Bonnet (left) and tailgate (right) stamped with 6016 alloy ABS

鋁合金汽車覆蓋件當前尚未得到普遍采用，成本高是其主要原因，鋁合金板的價格比鋼板約貴35元/kg～40元/kg；鋁合金件的制造成本約比鋼件的貴15%以上；在汽車維修時，中國汽車修理工尚未完全掌握鋁鈑金件的維護修配，往往換以新的整件。

所以當前急需研發(fā)各項性能更高的、生產(chǎn)成本與維修成本低的ABS合金與工藝，以擴大鋁材在汽車中的應(yīng)用。不管是現(xiàn)在還是在可預(yù)見的時期內(nèi)，如果當前每輛汽車每年多用10 kg鋁，那么每年就多消耗500 kt鋁，可見汽車工業(yè)消費鋁的潛力很大。

4.2 防撞系統(tǒng)

汽車防撞系統(tǒng)可用鋼材制造，也可以用鋁材制，防撞系統(tǒng)(圖13)由防撞梁和吸能盒等組成，用6×××系及7×××系鋁合金擠壓材。鋼制防撞系統(tǒng)的質(zhì)量為9.45 kg，鋁合金的為4.7 kg。吸能盒用的6×××系鋁合金型材的抗拉強度大于350 MPa，屈服強度為300 MPa。

圖13 汽車的防撞系統(tǒng)Fig.13 Vehicle anti-collision system

4.3 前副車架

前副車架主要包括前后橫梁、左右縱梁和附件，附件包括發(fā)動機懸置支架、控制臂支架、轉(zhuǎn)向機安裝支架等。

4.4 儀表板橫梁

儀表板橫梁(CCB，cross car beam)一般為鋼制的，質(zhì)量為13.49 kg。遼寧忠旺集團有限公司汽車事業(yè)部將其改為鋁合金擠壓型材制備后，質(zhì)量下降到7.3 kg，減重46%。鋼制儀表板橫梁的加強梁為兩段拼焊而成，厚2 mm，質(zhì)量4 kg，改為厚3 mm的一根鋁合金擠壓型材制備后，質(zhì)量下降到2.3 kg，同時簡化了工藝，減重42.5%。

4.5 水冷電機殼

水冷電機殼(water-cooling motor housing)是隨著新能源汽車的面世而出現(xiàn)的，利用冷卻水流經(jīng)內(nèi)腔起到顯著的降溫效果，可承受3.5 Pa水壓而不會開裂，是一個整體鋁合金擠壓件，可預(yù)防電機過熱引發(fā)的火災(zāi)，能有效地杜絕因溫度過高帶來的安全隱患。

4.6 電池包、電池包框架、水冷板

電池系統(tǒng)是電動汽車的能源供應(yīng)系統(tǒng)，起著非常重要的作用，由鋰離子電池(LIB)，電池包(battery)、電池包框架(橫梁、縱梁、支架)、套管、定位銷組成。鋼、鋁電池包框架的性能見表4。

表4 鋼、鋁電池包框架的性能Table 4 Performance of steel and aluminum battery pack frame

4.7 空氣調(diào)節(jié)器

在空氣調(diào)節(jié)器中，空氣壓縮機是最關(guān)鍵的部件，根據(jù)生產(chǎn)公司的不同，其旋轉(zhuǎn)斜盤(swash plate)、葉片(vane)、蝸殼(scroll)可有不同型式，都是用高強度鋁合金壓鑄的，但斜盤也有鍛造的，熱交換器的冷凝器和蒸發(fā)器都是用鋁合金制造的。

4.8 制動鉗

制動鉗是一種有關(guān)安全的關(guān)鍵零件，賽車和運動車的制動鉗是用鋁合金鍛造的，在高速和重載荷條件下仍有高的制動性能。制動元件是在高溫條件下工作，因為制動襯塊(pad)和制動盤(rotor)會因摩擦產(chǎn)生大量熱，使溫度上升，制動零件須用耐熱鋁合金鍛造。

4.9 電力控制裝置

電力控制裝置(power control unit)的作用是調(diào)節(jié)電力源和電壓到匹配值，把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。混合動力汽車和電動汽車配有電機，因而有一套電力控制系統(tǒng)，由變換器(inverter)、助力變換器、直流/交流(DC/AC)變換器和其他控制系統(tǒng)組成，它們的運行由一套鋁合金制的雙面冷卻的模塊控制。

4.10 熱交換器

鋁合金熱交換器在汽車中是一個很重要的裝置，輕巧、高效耐用、亮麗，許多散熱器是用薄的鋁片與上面覆有釬焊層的小鋁管制的，可把熱量散發(fā)出去。發(fā)動機產(chǎn)生的熱傳給散熱器，使發(fā)動機在一個高效的溫度范圍內(nèi)工作。散熱器中的冷凝器是空氣調(diào)節(jié)器的元件，把制冷空氣中的熱吸走。另外，蒸發(fā)器也是一種熱交熱器，使液化的制冷劑蒸發(fā)。系統(tǒng)中還有中間冷卻器，以降低高溫空氣溫度。

4.11 減震器

汽車減震器是用高強度鋁合金制備的，供賽車和運動車用。減震器可以大大消震，因為它在油流通道中能引發(fā)很高的阻尼力。單筒式減震器在活塞內(nèi)為單壁結(jié)構(gòu)，通過浮動活塞可分成一系列的油腔和氣腔。雙筒式減震器為有內(nèi)外管的雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外管的下部充滿油，而上部充滿空氣。

4.12 副車架

副車架(subframe)是汽車的一個構(gòu)架件，完成傳動電力和驅(qū)動等任務(wù)，同時起車身構(gòu)架作用，還承受來自地面的水平和垂直方向的作用力。副車架是用高強度鋁合金薄板制造的，一方面起減重作用，另方面能提高車架的剛度。

4.13 懸架臂/連桿

懸架臂/連桿(suspension arm/link)是汽車的關(guān)鍵構(gòu)件之一，決定車輪位置，將動力從車輪傳至車身，并決定懸架的運動形式與穩(wěn)定車身，用鋁合金制的零件包括輪轂承重構(gòu)件(hub carrier)、轉(zhuǎn)向節(jié)(steering knuckle)等。

4.14 渦輪增壓器

渦輪增壓器(turbocharger)也可稱渦輪增壓發(fā)動機，由一臺渦輪機和一個葉輪組成，渦輪機由發(fā)動機排出的氣體驅(qū)動。使葉輪(impeller)轉(zhuǎn)動，壓縮空氣，使其流入發(fā)動機，葉輪是用鋁合金鍛造的，并經(jīng)過機械加壓。

4.15 新能源汽車熱管理系統(tǒng)[6]

與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車不同處主要用電池作為動力驅(qū)動汽車，由于受動力電池續(xù)航行程限制和減排的要求，電池系統(tǒng)的質(zhì)量大，因而電動汽車的質(zhì)量比傳統(tǒng)燃油白車的凈質(zhì)量還高約200 kg。因此，輕量化成為頭等大事，鋁材也成為首選的材料，在汽車動力系統(tǒng)(發(fā)動機、減速箱、懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng))，熱管理系統(tǒng)(空調(diào)管路、蒸發(fā)器冷凝器、水箱、油路加熱器等)和車身系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會(FAA)與德國杜克咨詢公司 (Duker)的調(diào)查，歐洲2019年乘用車熱管理系統(tǒng)+電池包冷卻系統(tǒng)用鋁量為19 kg/輛。如果2022年中國乘用車產(chǎn)量按2 450萬輛計算，則它們的熱管理系統(tǒng)用鋁量約470 kt，其中軋制材約235 kt，鋁合金管材約235 kt。

新能源汽車電池包熱管理系統(tǒng)上用的鋁材有液冷系統(tǒng)管路用的冷拔管、電芯下部冷卻板用的擠壓型材或鋁合金釬焊板、電芯側(cè)面的多孔MPE擠壓冷卻管。熱管理系統(tǒng)用的冷拔管有成卷的盤管和一根一根的直管。江蘇亞太輕合金科技有限公司生產(chǎn)的鋁合金冷拔擠壓換熱管有6063- IHX同軸換熱管、5049冷拔無縫管、3003冷拔空調(diào)管、3003冷拔水箱管等。中國鋁工業(yè)可以生產(chǎn)各種各樣的不同規(guī)格的鋁合金冷拔管，可以滿足所有工業(yè)部門的需求，生產(chǎn)能力超過800 kt/a。

歐洲鋁業(yè)協(xié)會冷拔鋁合金熱交換管的化學(xué)成分見表5。3×××系、5×××系及6×××系鋁合金的力學(xué)、化學(xué)、物理及工藝性能均能滿足冷拔熱交換管的要求，其化學(xué)成分的設(shè)計可充分保障合金管材的力學(xué)性能、耐壓防爆、耐冷卻介質(zhì)和外部環(huán)境的腐蝕、冷彎加工塑性變形及釬焊特性的需要。合金的主要強化元素Mg、Mn、Si，Zn有造成應(yīng)力腐蝕開裂傾向，應(yīng)加以限制，F(xiàn)e可以引起局部點腐蝕，也是嚴控的。

表5 歐洲鋁業(yè)協(xié)會冷拔鋁合金熱交換管的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 5 Chemical composition of European Aluminum Association cold-drawn aluminum-alloy heat exchange tubes (wt/%)

對熱交換冷拔鋁合金管，不管是在開發(fā)過程中還是在量產(chǎn)階段都應(yīng)進行SWAAT(ASTM G85 A3，腐蝕溶液pH2.8～3.0，循環(huán)噴霧)或CASS (ASTM B368，腐蝕溶液pH3.1～3.3，連續(xù)噴霧)試驗，要求一定數(shù)量樣品在試驗后不出現(xiàn)腐蝕泄漏。

4.16 鋁合金托盤

托盤是放置和保護電池系統(tǒng)的，是電動車重要組件之一，由底板、邊梁、吊耳等結(jié)構(gòu)件組成，用鋁合金制造，其質(zhì)量決定于車型及電池續(xù)航能力，單個質(zhì)量為 40 kg～80 kg，用的是鋁合金擠壓型材，合金為6063、6061、6005、6082等鋁合金，可分為40 kg、60 kg及80 kg級的。使用的主要公司：欣旺達、比亞迪等車型用40 kg級的；領(lǐng)跑、小牛等車型用60 kg級的；蔚來、吉利等車型主要用80 kg級的。制備托盤的主要公司：敏實集團、和勝股份、新鋁時代、江蘇恒義、無錫天鈞等，它們的交付能力為1.2萬套/月～4萬套/月，平均價格目前約3 000元/套。

圖14為奧迪汽車公司(Audi)的Audi e-tron電池托盤的分解圖。

圖14 Audi e-tron電池托盤分解圖Fig.14 Exploded view of Audi e-tron battery tray

4.17 鋁合金鍛件

不管是傳統(tǒng)的汽油車還是新能源汽車用的鋁合金鍛件是既“少”又 “小”，“少”是指單輛車上用的鍛件數(shù)量很少，一般為十二三件，最多的也不會超過二十件；“小”是指單件質(zhì)量輕，總質(zhì)量也不超過車總重的1.2%。同時僅懸掛系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)有一些小件是用鋁合金鍛造的(圖15、圖16)，如賽車、大巴士車輪是鍛造的，但98%以上乘用車和商用車的車輪是用鋁合金低壓鑄造的。

圖15 日本神戶鋼鐵公司生產(chǎn)的乘用車懸掛系統(tǒng)鋁合金鍛件Fig.15 Aluminum alloy forgings for passenger car suspension system produced by Kobe Steel

在此，應(yīng)指出的是魏橋創(chuàng)業(yè)集團開發(fā)的汽車傳動軸和傳動桿全部改為鋁合金鍛件，共12件(圖16)，性能優(yōu)秀，各項指標均滿足設(shè)計要求，并使傳動軸減重4.5 kg，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先，目前多種傳動軸鋁合金鍛件已于2020年開始為東風汽車傳動軸公司批量供貨，該產(chǎn)品也可以用于商用汽車的輕量化方面。魏橋鍛造公司可生產(chǎn)投影面積小于0.6 m2、單件質(zhì)量小于150 kg的模鍛件和單件小于1 t的自由鍛件，鍛件總生產(chǎn)能力300萬件/a。傳動軸的扭轉(zhuǎn)疲勞次數(shù)不小于220萬次。

圖16 魏橋創(chuàng)業(yè)集團生產(chǎn)的電動汽車鋁合金鍛件Fig.16 Aluminum alloy forgings for electric vehicles produced by Weiqiao Venture Group

魏橋創(chuàng)業(yè)集團在研發(fā)高性能變形鍛造鋁合金和鑄造鋁合金領(lǐng)域也居國內(nèi)領(lǐng)先水平。HSW-4鋁合金的應(yīng)用鍛件為控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、萬向節(jié)、推力桿等；HSW-3鋁合金用于鍛造控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、萬向節(jié)等，擠壓型材用于制造車架、保險杠、車身框架、電池包等；HSW-2和HSW-1鋁合金用于擠壓截面復(fù)雜的車身框架、電池包型材，這些鋁合金的力學(xué)性能見表6。

表6 魏橋創(chuàng)業(yè)集團的新型6×××系鍛造和擠壓鋁合金的保證力學(xué)性能Table 6 Guaranteed mechanical properties of the new 6××× series forged and extruded aluminum alloy of Weiqiao Venture Group

魏橋創(chuàng)業(yè)集團開發(fā)的高強高韌汽車鑄造鋁合金有3種：WZL-1和WZL-2鋁合金用于壓鑄車身節(jié)點、橫梁、縱梁、B柱、底盤副車架、減震塔、動力系統(tǒng)電池包、逆變器等；WRL-3鋁合金用于擠壓鑄造底盤-控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等。鑄造合金的力學(xué)性能見表7。

表7 魏橋高強高韌汽車用鑄造鋁合金的力學(xué)性能Table 7 Mechanical properties of Weiqiao high-strength and high-toughness cast aluminum alloy for automobile

5 結(jié)束語

中國電動汽車發(fā)展已進入新階段，其目標：到2025年，新能源汽車銷量在汽車總銷量中的比例達到20%，最可喜的是中國很可能會提前3 a實現(xiàn)這一目標。雖然中國已是世界最大的新能源汽車市場，但仍然是增長最快的之一，2022年的銷量預(yù)計將翻一番，達到約600萬輛，超過世界其他地區(qū)的總和。在中國，蓬勃發(fā)展的不僅僅是電動汽車，在電池制造領(lǐng)域同樣是領(lǐng)跑者，寧德時代和比亞迪是兩個最大的電池制造公司。

對電動汽車的強勁需求是中國經(jīng)濟的亮點之一，中國有關(guān)部門表示，將把新能源汽車免征車輛購置稅政策延長到2023年。在公共停車場，電動汽車仍可以享受頭2 h免費停車。在將娛樂功能和語音控制等新技術(shù)融入汽車領(lǐng)域方面，中國做得比外國更加積極。中國鋁工業(yè)為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出了巨大貢獻，所需的一切鋁材都能及時供應(yīng)。