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車用鋁合金的主要種類
圖1. 歐洲汽車平均用鋁量變化
圖2. 歐洲汽車用鋁(140kg)分布比例(2012年數(shù)據(jù))
目前,汽車輕量化趨勢(shì)越來(lái)越猛烈,鋁合金在輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、 油管等方面的應(yīng)用非常廣泛。車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的40%左右,對(duì)于整車的輕量化而言,車身的輕量化起著舉足輕重的作用。據(jù)2016年歐洲車身會(huì)議(EuroCarBody 2016)資料顯示,鋁合金應(yīng)用率已經(jīng)達(dá)部分高端車型白車身(即完成焊接但未涂裝的車身)質(zhì)量的一半以上。如阿斯頓·馬丁(Aston Martin)DB11鋁合金應(yīng)用率高達(dá)86.1%, 第2代本田NSX(Acura NSX)達(dá)79.0%, 第5代路虎發(fā)現(xiàn)(Land Rover Discovery)達(dá)62.9%。然而,鋁合金在普通車型車身上的應(yīng)用還偏少。著名咨詢公司達(dá)科國(guó)際(Ducker Worldwide)的數(shù)據(jù)顯示,鋁合金板在汽車車身的滲透率 2015 年時(shí)僅為 4%。時(shí)至今日,全鋁車身制造依然是一項(xiàng)處于金字塔尖的技術(shù),只在部分高端車型上得以應(yīng)用。車身輕量化是目前汽車制造商輕量化發(fā)展方面的重要攻關(guān)課題。
圖3. Aston Martin DB11鋁合金應(yīng)用分布
目前汽車用鋁合金基本可分為壓鑄鋁合金和變形鋁合金,其中以壓鑄鋁合金為主,約占66%左右。變形鋁合金又可以分為軋制板材(18%),擠壓型材(11%)及少量鍛壓件(5%)。值得注意的是,2016年鑄造鋁合金雖然仍是車用鋁合金的主要形式,但其份額較2012年下降了8個(gè)百分比。相反,由于車身輕量化的發(fā)展,軋制板材的份額由2012年的13%顯著增長(zhǎng)為2016年的18%。與此同時(shí),擠壓型材與鍛壓件的份額變化不大。
圖4. 2016年與2012年歐洲汽車用鋁種類對(duì)比
(1)鑄造鋁合金
鑄造鋁合金是目前大部分汽車上用量最大的鋁合金種類,廣泛用于車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、底架、減震器支架以及空間框架等結(jié)構(gòu)件。在汽車工業(yè)中,鑄造鋁合金輪轂是普及最快、鋁化率較高的零部件。目前,絕大多數(shù)鋁合金車輪采用A356合金通過(guò)低壓鑄造法制造,部分高檔車輪則采用擠壓鑄造(液態(tài)模鍛)、鍛造或旋壓技術(shù)制造。發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋均要求材料導(dǎo)熱性能好,抗腐蝕能力強(qiáng),這正是鋁合金的優(yōu)勢(shì)所在。目前大量國(guó)內(nèi)外汽車采用了鋁制缸體和缸蓋,但鑄鐵仍在部分要求高強(qiáng)高耐性的場(chǎng)合使用。近年來(lái),新型Al-Si-Cu-Mg-Fe系合金的開(kāi)發(fā)及相應(yīng)鑄造技術(shù)的發(fā)展,使鋁合金鑄件達(dá)到更高性能,進(jìn)一步推動(dòng)了鋁合金在發(fā)動(dòng)機(jī)部件(包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī))上的應(yīng)用。缸體缸蓋的鑄造方法也較為多樣,常見(jiàn)的有重力鑄造、低壓鑄造等。此外,鑄造鋁合金在減震器支架、電動(dòng)車電池包、結(jié)構(gòu)箱體等結(jié)構(gòu)件得到大量應(yīng)用。由于這些部件多為形狀復(fù)雜的薄壁件,故多采用Al-Si合金由高壓鑄造方法制造。
(2)變形鋁合金
相較于鑄造鋁合金,變形鋁合金在汽車上的平均應(yīng)用份額還較少。達(dá)科國(guó)際(Ducker Worldwide)的調(diào)查表明,2016年變形鋁合金僅占車用鋁合金的34%(軋制板材18%,擠壓型材11%,鍛壓件5%)。然而在部分采用全鋁車身的高端車型上,變形鋁合金的份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鑄造鋁合金。目前業(yè)內(nèi)對(duì)包括全鋁車身技術(shù)在內(nèi)的變形鋁合金的研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)投入較大,其所占比例迅速增大。達(dá)科國(guó)際(Ducker Worldwide)預(yù)測(cè),由于鋁合金車身技術(shù)的快速發(fā)展,變形鋁合金(特別是軋制板材)在汽車上的應(yīng)用將迎來(lái)迅速增長(zhǎng)(如圖1所示)。
圖5. 擠壓型材制造的“日”字型吸能盒(左側(cè)為碰撞前,右側(cè)為碰撞吸能后)
鋁合金在汽車輕量化浪潮中發(fā)揮了重要作用,然而也面臨著重要挑戰(zhàn)。實(shí)際上,輕量化并不僅僅是要求減重,而是要做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡。目前,車用鋁合金面臨的核心阻力仍然是高昂的成本,這使得全鋁車身的應(yīng)用只能局限于高端車型而暫時(shí)無(wú)法向數(shù)量龐大的經(jīng)濟(jì)車型拓展。鋁合金的性能限制,也是制約其發(fā)展的重要因素。在某些部件上,它仍然無(wú)法取代鋼鐵。同時(shí),鋁合金的連接技術(shù),尤其是鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鎂-鋁等多材料連接技術(shù)也是鋁合金在汽車上應(yīng)用受阻的一大因素。奧迪全新A8 D5就“拋棄”了堅(jiān)持了二十余年的全鋁車身,而采用了重量可觀的高強(qiáng)鋼。受此影響,D5車型比上一代車型增重51KG,但車身抗扭剛性大幅提升24%,安全性大幅增強(qiáng),同時(shí)也大幅降低了成本。
歐盟曾在第六框架計(jì)劃下于2004-2009年組織9個(gè)國(guó)家和地區(qū)的38家單位合作實(shí)施了超輕車身聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目(SuperLight-Car)。該項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明,車用鋁合金的進(jìn)一步發(fā)展,應(yīng)同時(shí)致力于新型高性能合金和新型生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)。研發(fā)工作還需要整合資源,由汽車制造商牽頭,聯(lián)合原材料、零部件供應(yīng)商及相關(guān)科研機(jī)構(gòu),共同探索先進(jìn)的輕量化技術(shù),推動(dòng)車身輕量化相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的建立。
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7.2016歐洲車身會(huì)議(EuroCarBody)資料。
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