淺析新能源汽車用鋁型材材料性能的影響因素

摘要：隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車輕量化成為提升能效和環(huán)保性能的重要策略之一。鋁型材作為主要的輕量化材料，其在車身結(jié)構(gòu)、電池、電機(jī)及控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增多。本文綜述了鋁型材化學(xué)成分對性能的影響，分析了加工工藝對鋁型材性能的影響，并探討了熱處理對鋁型材性能的影響。通過技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用優(yōu)化，鋁材的性能在車輛安全性、續(xù)航里程、操縱性能等方面均有顯著提升。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鋁型材；性能；影響因素

引言

汽車輕量化是當(dāng)前汽車工業(yè)中一個(gè)重要的研究方向，它能有效降低車輛的能源消耗和碳排放。鋁合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、易回收等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車中最為廣泛使用的輕量化材料?，F(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鋁化應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)讓鋁合金在新能源汽車的各個(gè)部分得到了廣泛應(yīng)用。研究表明，汽車每降低10% 的重量，燃油效率和續(xù)航里程能相應(yīng)提升，這對于滿足現(xiàn)代社會對環(huán)保和能效的高要求具有重要意義。

一、鋁型材化學(xué)成分對性能的影響

（一）鋁含量

關(guān)于鋁型材性能的關(guān)鍵因素，確實(shí)鋁含量對其性能有顯著影響，但需指出的是，不僅僅是鋁含量，鋁合金的具體成分和制備工藝也極為重要。鋁合金因添加了其他金屬元素如鎂、硅、銅等，通過合金化能顯著改善其機(jī)械性能和導(dǎo)電性能等。例如，在航空航天和軌道交通領(lǐng)域，高強(qiáng)度鋁合金型材不僅僅依靠高鋁含量，還通過合金化以及特定的生產(chǎn)工藝如連續(xù)拉擠成型工藝，來達(dá)到所需的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1]。

此外，我國對高性能鋁材的發(fā)展非常重視，通過增強(qiáng)政策扶持，包括財(cái)政、金融和稅收優(yōu)惠，以及積極推進(jìn)高新技術(shù)企業(yè)發(fā)展，這些措施有助于提升國產(chǎn)高性能鋁材的質(zhì)量和應(yīng)用水平。同時(shí)，我國的鋁型材生產(chǎn)也在積極擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，比如高速列車、船舶及醫(yī)療器械等，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︿X合金的質(zhì)量、耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度有很高要求[2]。

（二）合金元素

合金元素在鋁型材中發(fā)揮重要作用，如銅 （Cu），是鋁合金型材中的重要合金元素，可以顯著提高合金的強(qiáng)度。在變形鋁合金中，銅的含量一般控制在2.5%～5%，但是當(dāng)銅含量在4%～6.8% 時(shí)，合金的強(qiáng)化效果最佳。錳 （Mn），作為鋁合金中的常見元素，其極限固溶度為1.82%，并且隨著錳含量的增加，合金的強(qiáng)度會隨之增加。特別是當(dāng)錳含量達(dá)到0.8% 時(shí)，合金的強(qiáng)度會有顯著的提升。硅 （Si）、鎂 （Mg），這兩種元素也經(jīng)常被添加到鋁合金中，用以提高合金的強(qiáng)度（即單位質(zhì)量提供的強(qiáng)度）和耐腐蝕性[3]。

（三）雜質(zhì)

雜質(zhì)元素通常會影響鋁型材的力學(xué)性能和承載能力。例如，鉍（Bi）元素在凝固時(shí)會膨脹，這對鋁型材的成型有一定的補(bǔ)縮作用。在鋁鎂合金中加入鉍還可以防止鈉脆開裂，適合于變形鋁合金。

雜質(zhì)與合金元素的控制問題上，首先需要考慮的是含量控制，確保合金元素如銅、錳、硅和鎂的含量在合適的范圍內(nèi)，以發(fā)揮其強(qiáng)化作用，同時(shí)避免超過其極限固溶度，因?yàn)槌^固溶度可能會引起材料性能的下降。其次，是需要進(jìn)行雜質(zhì)管理，雖然某些雜質(zhì)如鉍在特定條件下可有益于鋁合金的性能，但總體而言，需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)的種類和含量，以免產(chǎn)生負(fù)面影響。

另外，就是技術(shù)支持和政策扶持，利用政策和財(cái)政扶持措施，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)升級，確保鋁合金材料的高性能和質(zhì)量穩(wěn)定。

二、加工工藝對鋁型材性能的影響

（一）鑄造工藝

1. 連續(xù)（或半連續(xù)）鑄造

連續(xù)（或半連續(xù)）鑄造工藝生產(chǎn)的鋁合金鑄錠，鑄錠表面光滑、粗晶晶區(qū)小、枝晶細(xì)小而均勻?？梢杂行p少氣孔和縮孔等缺陷，從而改善鋁型材的密度和機(jī)械強(qiáng)度。通過晶粒細(xì)化技術(shù)可有效促進(jìn)形核、抑制晶粒長大，得到均勻、細(xì)小的等軸晶粒。連續(xù)（或半連續(xù)）鑄造按其作用原理，可分為普通模鑄造、隔熱模鑄造和熱頂鑄造，目前對于鋁合金圓鑄錠常用的是連續(xù)熱頂鑄造。連續(xù)熱頂鑄造熱頂內(nèi)的金屬熔體與流盤內(nèi)液面處于同一水平，實(shí)現(xiàn)了同水平鑄造，其鑄錠質(zhì)量好、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)小、組織致密，氣孔、疏松、氧化膜廢品少，鑄造生產(chǎn)效率和成品率高，但由于鑄錠接觸二次水冷時(shí)間較早，鑄錠中心裂紋傾向大。

對于技術(shù)數(shù)據(jù)的考慮，以下幾點(diǎn)尤為重要：

（1）合金選擇，依據(jù)所需的機(jī)械性能和成本效益進(jìn)行合金類型的選擇。

（2）鑄造參數(shù)，包括鑄造溫度、鑄造速度、鑄造水壓等，這些參數(shù)直接影響到鑄件的成型精度和內(nèi)部質(zhì)量。

（3）制造成本，連鑄工藝的生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)，有助于降低單件的成本。

（4）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，遵循相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

2. 納米強(qiáng)化技術(shù)

在鑄造工藝中，納米強(qiáng)化技術(shù)通過引入納米級陶瓷顆粒（如納米TiC）顯著提升了鋁型材的力學(xué)性能，尤其是在強(qiáng)度和韌性方面的表現(xiàn)。納米TiC 顆粒的添加不僅增強(qiáng)了鋁合金的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)還提高了材料的均勻伸長率和疲勞強(qiáng)度，這對于需要高性能承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場景（如航空航天和軌道交通）至關(guān)重要。這些性能的提升，可以歸結(jié)于納米顆粒對材料微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化影響，使鋁合金在受力時(shí)能更好地抵抗裂紋的擴(kuò)展和延展性的提高。此外，納米強(qiáng)化技術(shù)還能有效抑制高強(qiáng)鋁合金，在中高溫環(huán)境下納米析出相的粗化，這一點(diǎn)對于延長鋁合金的使用壽命和提高其耐高溫性能尤為關(guān)鍵。納米析出相的粗化通常會導(dǎo)致合金強(qiáng)度的下降，通過納米強(qiáng)化可以保持這些析出相的穩(wěn)定性，從而在寬廣的溫度范圍內(nèi)保持材料的力學(xué)性能。

（二）冷熱加工

1. 冷加工

冷加工通常是在室溫下對材料進(jìn)行變形處理，這可以引起材料的加工硬化，即通過塑性變形來提高強(qiáng)度。這種方法尤其適用于已經(jīng)通過鑄造預(yù)處理的鋁型材。

2. 熱加工

熱加工（如熱軋或鍛造）使材料在較高溫度下變形，有助于增加其塑性。這種加工可以通過改變晶粒結(jié)構(gòu)來優(yōu)化材料的機(jī)械性能。

3. 冷卻速度的影響

鋁型材的冷卻速度也是一個(gè)關(guān)鍵因素，高冷卻速度可以提高鑄錠的結(jié)晶速度，使得晶內(nèi)結(jié)構(gòu)更加細(xì)化，從而增強(qiáng)材料的整體性能。通過控制冷卻速度，可以減少鑄錠中的疏松和氣孔，改善金屬的致密性。

（三）表面處理

鋁型材的表面處理技術(shù)主要包括陽極氧化、噴涂等方法，這些工藝能顯著提升鋁型材的耐腐蝕性和美觀度[4]。

1. 陽極氧化

陽極氧化是一種通過電解處理，在鋁或鋁合金表面形成厚的氧化膜的工藝。這種氧化膜不僅提高了材料的裝飾性和穩(wěn)定性，還能增強(qiáng)其耐候性和耐磨性。陽極氧化的常見類型包括硫酸陽極氧化、鉻酸陽極氧化、草酸陽極氧化及磷酸陽極氧化，其中硫酸陽極氧化是最為常用的方法。此外，陽極氧化后的封孔處理是保證氧化膜質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，常見的封孔方法包括熱封孔、冷封孔、中溫封孔和有機(jī)物封孔。

2. 噴涂

噴涂處理包括粉末噴涂和噴砂氧化兩種形式。粉末噴涂是一種靜電噴涂技術(shù)，使用干燥的粉末狀物質(zhì)，通過高溫?zé)Y(jié)形成堅(jiān)固且光亮的涂層。這種涂層具有極強(qiáng)的耐酸性、耐堿性和耐磨性，能有效抵抗紫外線和酸雨的侵蝕。噴砂氧化則是一種表面二次處理技術(shù)，通過噴砂來細(xì)化型材表面的微孔，增強(qiáng)材料的抗氧化能力。

三、熱處理對鋁型材性能的影響

（一）退火處理

首先，鋁型材的熱處理主要包括幾種方式，如固溶處理、時(shí)效處理以及其他表面改善處理。固溶處理是一種常見的熱處理方式，通過高溫使鋁合金中的合金元素在鋁基體中溶解，并通過快速冷卻來重新分布合金元素，這樣不僅可以增加材料的硬度和強(qiáng)度，也有助于材料的塑性和韌性的提高。此外，淬火是另一種重要的熱處理方式，它通常在固溶處理之后進(jìn)行，其目的是在不再加熱的情況下保持鋁型材較長時(shí)間自然冷卻，這有助于消除材料內(nèi)部的應(yīng)力并穩(wěn)定鋁型材的力學(xué)性能。時(shí)效處理則是在淬火后進(jìn)行的，該過程在一定的溫度下保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使固溶體發(fā)生分解，這也是一種有效的去應(yīng)力方法，有助于進(jìn)一步發(fā)揮材料的強(qiáng)度和耐腐蝕性能。

（二）時(shí)效處理

時(shí)效處理，尤其是人工時(shí)效和自然時(shí)效，是通過控制鋁合金中的過飽和固溶體析出第二相（如共格的亞穩(wěn)相質(zhì)點(diǎn)）來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。這種過程在鋁合金固溶處理后進(jìn)行，通過加熱到低于溶解度曲線的某一溫度并保溫一段時(shí)間來促進(jìn)第二相的脫溶，從而增強(qiáng)合金的強(qiáng)度和硬度。細(xì)化晶粒通常通過添加細(xì)化劑進(jìn)行，這些細(xì)化劑可以在鋁及鋁合金的熔體中形成非均質(zhì)形核作用，或者通過溶質(zhì)的偏析及吸附作用來抑制晶粒長大，進(jìn)而改善合金的組織形態(tài)和力學(xué)性能。這與時(shí)效處理的機(jī)理不同，后者主要依靠沉淀硬化。

結(jié)論

鋁型材作為新能源汽車輕量化的關(guān)鍵材料，不僅提高了汽車的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)效益，還通過減輕整車重量，增強(qiáng)了車輛的駕駛性能和乘坐舒適性。當(dāng)前，鋁材的應(yīng)用已涵蓋車身、電池包、電機(jī)等多個(gè)方面，未來的發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步優(yōu)化其應(yīng)用工藝，提高材料性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。此外，持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計(jì)將是推動鋁材在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王爽， 王睿， 李鵬偉， 等. 新能源汽車用6082 鋁合金型材的組織及性能研究[J]. 輕合金加工技術(shù)，2020，48（2）：5.

[2] 陳勇慧. 新能源汽車擠壓鋁型材擠壓模具案例解析[J]. 鋁加工，2022（6）：64-67.

[3] 鄒照. 新能源汽車電池組外框鋁型材模具設(shè)計(jì)[J]. 輕合金加工技術(shù)，2020， 48（08）：36-39.

[4] 張穎. 新能源汽車用6061 鋁合金擠壓型材的疲勞和耐腐蝕性能研究[D]. 華南理工大學(xué)，2019.