汽车轻量化趋势伴随铝合金

图1.欧洲汽车平均铝用量的变化
如今,“轻量级”一词已从汽车行业的术语演变为媒体新闻中的高频词汇。在“中国制造2025”中,轻量化也被视为汽车工业发展的重要方向。简而言之,轻量化是在确保车辆的强度和安全性的同时,尽可能减轻车辆的重量,从而提高车辆的动力,减少燃料消耗并减少废气污染。近年来,随着环境保护和节能要求变得越来越严格,汽车轻量化已经成为世界汽车发展中不可阻挡的趋势。根据欧洲铝业协会的数据,每100公斤的汽车质量每100公里可节省0.6升燃油,并减少CO2800-900克。铝的密度仅为钢的1/3,并且具有良好的可塑性和回收率。它是汽车的理想轻质材料。在1970年代第一次石油危机期间,面对油价上涨,世界各地的汽车制造商都试图使用铝合金制造钢制散热器,气缸盖和保险杠。燃油效率。从那时起,铝合金在汽车中的比例一直在增加。根据著名咨询公司Ducker Worldwide发布的研究数据,自1990年以来,欧洲汽车的平均铝消耗量增加了两倍,从50公斤增加到目前的151公斤,到2025年将增加到196公斤。

图2.欧洲汽车铝(140kg)的分配比例(2012年数据)
当前,轻型车辆的趋势变得越来越激烈,铝合金被广泛用于轮毂,发动机,散热器和油管。车身质量约占汽车总质量的40%。为了减轻整车的重量,车身的重量起着重要的作用。根据2016年欧洲车身会议(EuroCarBody 2016),铝合金的使用率已达到某些高端白车身模型(即焊接但未喷漆的车身)质量的一半以上)。例如,阿斯顿·马丁(Aston Martin)的DB11铝合金使用率高达86.1%,第二代本田NSX(79歌NSX)为79.0%,第五代Land Rover Discovery为62.9%。但是,铝合金在普通车型的车身上的应用仍然相对较少。根据著名咨询公司Ducker Worldwide的数据,2015年铝合金面板在车身中的渗透率仅为4%。今天,全铝车身仍是金字塔顶端的一项技术,仅用于在某些高端机型上。轻量化车身是轻量化制造商发展中的重要研究课题。

图3.阿斯顿·马丁DB11铝合金应用分布

2.车用铝合金的主要类型

目前,汽车用铝合金基本上可以分为压铸铝合金和变形铝合金,其中以压铸铝合金为主,约66%。变形铝合金可以进一步分为轧制板(18%),挤压板(11%)和少量锻件(5%)。值得注意的是,尽管2016年的铸造铝合金仍是汽车铝合金的主要形式,但其份额与2012年相比下降了8个百分点。相反,由于轻量化车身的发展,轧制的份额板材从2012年的13%显着增加到2016年的18%。同时,挤压型材和锻件的份额变化不大。

图4. 2016年和2012年欧洲汽车铝合金的比较

a。铸铝合金

铸造铝合金是大多数汽车中使用最广泛的铝合金类型,并广泛用于车轮,发动机部件,底架,减震器支架和空间框架等结构零件。在汽车工业中,铸造铝合金车轮是增长最快的零件,具有较高的镀铝率。目前,大多数铝合金轮毂是使用A356合金通过低压铸造制造的,而一些高档轮毂则是通过挤压铸造,模锻或旋压制造的。发动机的气缸体和气缸盖都需要良好的导热性和耐腐蚀性,这是铝合金的优势。目前,国内外许多汽车使用铝制气缸体和气缸盖,但在一些要求高强度和高阻力的地方仍使用铸铁。近年来,新的Al-Si-Cu-Mg-Fe合金的开发和相应的铸造技术的发展使铝合金铸件能够实现更高的性能,从而进一步促进了铝合金在包括柴油发动机在内的发动机部件中的应用。汽缸盖的铸造方法也多种多样,例如重力铸造和低压铸造。另外,铸造铝合金已广泛用于诸如减震器支架,电动车辆电池组和结构柜的结构部件中。由于这些部件大多是形状复杂的薄壁部件,因此通常通过使用Al-Si合金的高压铸造法来制造。

b。变形铝合金

与铸造铝合金相比,变形铝合金在汽车中的平均应用份额仍然很小。根据Ducker Worldwide的一项调查,2016年变形铝合金仅占汽车铝合金的34%(轧制板材为18%,挤压型材为11%,锻件为5%)。但是,在某些使用全铝机身的高端型号中,变形铝的份额远高于铸铝。目前,行业已在变形铝合金的研发和应用技术上投入了大量资金,其中包括全铝体技术,其比重迅速增加。 Ducker Worldwide预测,由于铝合金车身技术的快速发展,变形铝合金(特别是轧制板材)在汽车中的应用将迎来快速增长(如图1所示)。
汽车变形铝合金主要包括5xxx系列(Al-Mg型),6xxx类型(Al-Mg-Si型)和少量的2xxx系列(Al-Cg型)和7xxx型(Al-Zn-镁类型)。其中,5xxx系列合金不能进行热处理和强化,成型性优异。但是,成型后,屈服点延长,表面起皱,影响产品的外观质量,因此主要用于内板等复杂的形状。 6xxx系列合金可以通过Mg和Si的固溶体以及Mg2Si相的时效沉淀进行热处理和强化。涂覆和干燥后的强度得到提高,并且抗凹痕性高,适合外部面板和车身框架的要求。强度,刚度。除轧制板外,挤压型材也是重要的汽车变形铝合金,通常适用于等截面的结构部件,例如保险杠,能量吸收盒,前纵梁的前部,门槛,后纵梁的后部。中等强度的6xxx由于其高挤出速率和表面质量以及在挤出过程中的时效硬化特性,是挤出型材的主要材料。高强度7xxx铝合金还用于生产需要高强度的挤压型材。同时,为了提高冲击强度,轮廓的轮廓主要是“嘴”,“日”和“网眼”。

图5.挤压型材的“ Day”型吸能盒(左侧碰撞之前和右侧碰撞之后)

3.汽车铝合金的挑战与发展方向

铝合金在汽车轻量化浪潮中起着重要作用,但它们也面临着重大挑战。实际上,轻量化不仅要减轻重量,还要平衡车辆的性能,安全性,成本和重量。目前,汽车铝合金的核心电阻仍然是高成本,这使得全铝车身的应用仅限于高端车型,暂时无法扩展到大量的经济车型。铝合金的性能限制也是限制其发展的重要因素。在某些零件上,它仍然不能代替钢。同时,铝合金的连接技术,尤其是铸铁-铝,钢-铝,镁-铝等的多材料连接技术,也是铝合金在汽车上应用的主要因素。奥迪的新款A8 D5“丢弃”了使用了20多年的全铝车身,并使用了重量相当大的高强度钢。受此影响,D5模型比以前的模型增加了51KG,但车身的扭转刚度增加了24%,安全性得到了极大的提高,成本也大大降低了。
根据第六框架计划,欧盟于2004-2009年在9个国家和地区组织了38个单位,以实施超轻车身联合研发项目(SuperLight-Car)。该项目的经验表明,汽车铝合金的进一步开发应侧重于新型高性能合金和新生产技术的开发。研发工作还需要整合资源。整车厂将率先与原材料,零部件供应商和相关科研机构合作,共同探索先进的轻量化技术,促进轻量化产业链的建立。
主要参考资料:
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5.汽车中的铝,释放了轻量化的潜力。欧洲铝业协会,https://www.european-aluminium.eu/
6.Goede,M.,Stehlin,M.,Rafflenbeul,L.,Kopp,G.,&Beeh,E.(2009年)。超轻型汽车–轻巧的结构,得益于多材料设计和功能集成,《欧洲运输研究评论》,第1:5-10。
7.2016欧洲车身会议(EuroCarBody)信息。

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