从Tesla汽车所联想学习到的事情 II —— 铝合金在汽车上的应用

轻量化对于现代汽车的重要性不用再多解释，就如汽车行业中所说“增加一马力不如减重一公斤”，各大汽车厂家都在使尽全身解数去“让自己的车更轻”。

铝在地壳中含量仅次于氧和硅，含量8.3%，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第2位。在金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。铝合金具有以下几个优点，使其成为汽车轻量化的首选材料之一：

1）密度小，质轻

2）耐蚀性好

3）塑性好，易成型

4）可回收

本文简要介绍下铝合金的分类，及铝合金在汽车上的应用。

铝合金的分类

铝合金分为两大类，是按照其加工方式来划分的，分为

变形铝合金
铸造铝合金

变形铝合金，顾名思义通过形变加工来成型，是先将合金配料熔铸成坯锭，再进行塑性变形加工，通过轧制、挤压、拉伸、锻造等方法制成各种塑性加工制品。大约85%的铝属于变形铝合金，例如轧制板、箔和挤压件。

铸造铝合金是将配料熔炼后用砂模、铁模、熔模和压铸法等直接铸成各种零部件的毛坯。铝合金的熔点低，非常适合用铸造加工，但一般强度不会非常高，铝与硅会形成低熔点共晶相，所以最重要的铸造铝合金体系是Al-Si，其中高水平的硅(4-13%)有助于提供良好的铸造特性。

铸造铝合金主要用于铸造发动机气缸体、离合器壳体、后桥壳、转向器壳体、变速器、配气机构、机油泵、水泵、摇臂盖、车轮、发动机框架、制动钳、油缸及制动盘等非发动机构件。

变形铝合金的分类及命名

变形铝合金，国际上有个通用的4数字命名系统，通过第一个数字，您能辨别出铝以外的最主要合金成分，类别如下：

1XXX 表示为99%以上的纯铝系列，如1050、1100

2XXX 表示是铝-铜合金系列，如2014

3XXX 表示是铝-锰合金系列，如3003

4XXX 表示是铝-硅合金系列，如4032

5XXX 表示是铝-镁合金系列，如5052

6XXX 表示是铝-镁-硅合金系列，如6061、6063

7XXX 表示是铝-锌合金系列，如7001

8XXX 表示是上述以外的合金体系

第二位数字代表，此合金组合改进的次数，如5183是在5083基础上经过一次改进而来。

第三、四位数字，没什么意义，只为区分。

我国以前曾采用过苏联的铝合金命名体系，如LF21，LY12等，但有些老牌号的成分不能与国际牌号完全吻合，为与国际接轨，不能采用国际四位数字体系牌号代替，为保留国内现有的非国际四位数字体系牌号，不得不采用四位字符体系牌号命名方法，以便逐步与国际接轨。例如：老牌号LF21的化学成分与国际四位数字体系牌号3003不完全吻合，于是，四位字符体系表示的牌号为3A21。

1~7系铝合金的数字体系，刚接触肯定乱，您可以试着按成分决定性能这一思路来倒推一下，不同的应用需要不同的性能，性能由成分决定：

1）纯铝就是1系，没什么可说的

2）强度高找2系和7系，分别是Al-Cu和Al-Zn，可以能通过热处理强，简化可理解为，如图1合金成分位于DF之间的合金，其合金元素（Cu，Zn等）的含量随温度而改变，即热处理时有相的变化，因而发生强化，称为可热处理强化合金。如2219火箭贮箱常用材料。7075屈服强度可达450MPa。

3）防锈能力强找3系Al-Mn和5系Al-Mg

4）变形能力强找5系Al-Mg和6系Al-Si-Mg，汽车覆盖件常用，如5083，6061等

5）4系Al-Si，熔点低，流动性好，做焊接材料对减轻热裂有帮助，如4043

图 1 铝合金根据相图分类

铝合金在汽车上的应用

2000年，西欧汽车零部件平均使用了102公斤铝，其中发动机部件59公斤，结构部件11公斤，底盘6公斤，白车身5公斤(其他21公斤)。随着技术进步和市场需求的增加，中小型车型的铝用量逐渐增长，目前范围在每辆车50至200公斤之间，如图2所示。在某些情况下，如奥迪A2和顶级车型A8的铝用量分别高达300公斤和550公斤。

图 2 铝合金在汽车上重量变化

3.1 动力总成中的铝合金

目前供应给汽车市场的大部分铝都用于动力传动系统。平均而言，欧洲生产的汽车动力系统含有约80公斤铝。这相当于欧洲生产的汽车平均总铝含量的55-60%。在北美和东南亚生产的汽车中，铝在动力系统中的应用比例甚至更高，达到65-70%。

大多数铝制动力总成部件为铸件(80-85%)，采用不同的铸造技术生产。应用的铸造合金的合金化元素主要是硅、镁和铜，含量通常高达20%。许多铝铸造合金是由回收铝生产的，即消费后的铝废料，通常来自回收的车辆。由变形铝合金生产的动力系统部件的份额相对较小，大约10%的轧制板材，5%挤压铝和约1%锻造铝。

在动力系统应用中，铝是首选材料，可以说铝合金已经攻克占领了轿车动力系统，并已达到完全的市场渗透。例如，50多年前，铝已经取代铜或黄铜成为首选的热交换器材料，今天是这些应用中唯一使用的材料。铝实际上也是唯一用于活塞的材料。对于气缸盖，传动壳体和许多辅助材料，全面的市场渗透正在非常快地接近。最近，发动机缸体已成为铝产量增长的最大推动力，先是用于汽油发动机，现在也用于柴油发动机。铝在发动机中所占份额的显著增长主要是抢占铸铁的份额。然而，动力系统的进一步增长潜力有限。事实上，在一些应用中，其他轻量化解决方案开始取代铝铸件。如今，铝在动力传动系统应用中的主要竞争对手是高性能塑料，这为不受高温影响的部位提供了成本效益高的零件制造的可能性，以及铸造镁解决方案。未来，世界倡导生产和更小、更省油的车辆，汽车将逐渐转向使用更小的动力传动系统部件，动力传动系统部件(发动机、变速器和传动系统部件)中使用的铝的绝对数量可能会下降。

铝在动力总成组件中的应用主要包括:

活塞
发动机缸体
气缸套
气缸盖
燃油系统
隔热罩
热交换器
其他引擎组件
传
动系统

发动机缸体的供应商正在不断努力制造更好、更轻的缸体，以改善和提高汽车发动机的效率。发动机缸体(或气缸体/曲轴箱)是内燃机中使用的最大、最复杂的单一金属件，仅发动机缸体就占平均车辆总重量的3-4%。因此，它在所有减肥考虑中发挥了关键作用。铝铸造合金也意味着发动机缸体重量可减轻40%至55%。而且发动机的气缸体和缸盖均要求材料的导热性能好、抗腐蚀能力强，而铝合金在这些方面具有非常突出的优势。

铝制发动机缸体的应用始于20世纪70年代末的汽油机。然而，由于更苛刻的技术要求，直到20世纪90年代中期，铸铁在柴油发动机中的替代非常有限。只是随着柴油发动机数量的增加，使用轻量化设计标准的需求对柴油发动机也变得越来越重要。2005年前后，铝质发动机缸体市场占有率达到50%，市场渗透率进一步提高。如今，汽油机缸体通常由铝制成，随着铝合金的不断发展，其在柴油机缸体中的应用也在强劲增长。

图 3 由Honsel生产的福特野马Shelby GT500汽车的发动机缸体采用其专利的低压砂型铸造和创新汽缸孔涂层工艺

发动机常用的合金包括EN AC-46200 (AlSi8Cu3)和EN AC-45000 (AlSi6Cu4)，它们分别类似于美国标准合金A380.2和A319。这些亚共晶铝硅合金一般由回收铝生产，主要应用于重力铸造工艺生产的发动机缸体。相对较高的Cu含量使它们能够在较高的温度下保持强度，并使它们易于加工。通常采用铸态(F)和T4和T5热处理。零件可以采用T6回火，但对于许多设计来说，T5稳定回火通常就足够了。几乎所有的高压压铸发动机缸体都是用非常常见的二次合金EN AC-46000 (AlSi9Cu3(Fe))生产的。

活塞由铸造或锻造的耐高温铝硅合金制成。铝活塞合金有三种基本类型。标准活塞合金是共晶Al-12%Si合金，含有Cu、Ni、Mg，约各占1%。为了提高高温下的强度，已研制出特殊共晶合金，Si含量为18%和24%的过共晶合金，热膨胀和磨损较低，但强度较低。在实践中，铝活塞的供应商使用范围更广泛优化的合金成分，但一般基于这些基本合金类型。大多数活塞是采用重力压铸生产的。优化的合金成分和适当控制的凝固条件允许生产低重量和高结构强度的活塞。由共晶和过共晶合金制成的锻造活塞表现出更高的强度，并用于高性能发动机，其中活塞承受更高的应力。具有相同合金成分的锻造活塞比铸造活塞具有更细小的微观结构。锻造过程在较低的温度范围内产生更大的强度。另一个优点是可以产生较低的壁厚，从而减轻活塞的重量。

图 4 铝合金活塞

3.2 铝合金轮毂

轮毂用铝合金铝轮毂因为质轻、散热性好，并具有良好的外观，而逐渐取代了钢轮毂。在过去的10年，铝合金汽车轮毂以7.6%的年增长率增长，根据分析，到2010年时，汽车轮毂铝化率可达72%~78%。A365是一种铸造铝合金，它具有良好的铸造性能又具有高的综合力学性能，世界各国的铸造铝合金轮毂都是此类合金生产的。

图 5 铝合金轮毂

3.3 车身采用铝合金设计

3.3.1 铝合金车身解决方案

在汽车和铝生产的早期，汽车白车身的铝板应用就一直在使用。然而，在大规模生产和低成本优先的时代，钢铁已经占据了主导地位。钢制车身传统上是由冲压薄板零件通过电阻点焊连接而成。随着新的高强度和超高强度钢种在市场上的引入，在不需要或只需要很少的额外成本的前提下，提高钢质车身的刚度和抗撞性和/或减轻车身重量成为可能。

与钢车身结构相似的设计和制造原理可以应用于实现全铝车身。然而，钢铝较大的性能差异简单的材料替代并不总是能带来成本优化的解决方案。必须采取整体方法，同时考虑由建造材料、适当的设计概念和适用的制造方法组成的整个系统。在技术上和经济上有前景的铝车身概念是铝导向的设计理念和相应的制造技术共同作用的结果。如欧洲的铝空间框架ASF概念及Tesla一体化铸造理念。

与钢相比，铝的一个最重要的优势是可额外获得具有复杂截面的挤压，单孔或多孔型材和具有优异力学性能的薄壁，复杂形状铸件。这些构件不能仅用于承载和/或加强功能，但也可以作为连接元件。挤压(成型)或压铸产品的正确使用使开发新的、创新的结构设计解决方案成为可能，因此，通过部件集成和附加功能的结合，可以显著地节省重量和成本。

当铝板的厚度增加40%时，铝板显示出与钢板相似的凹痕和弯曲刚度，即由材料替代引起的重量减轻达到50%。在型材方面，当型材几何形状(截面)可以改变时，如从开放式型材改为封闭式型材或引入多孔型材，铝替代钢尤其具有减轻重量的潜力。此外，当型材直径可以增加时，挤压铝型材的有益应用具有明显的潜力。

铝合金熔点要较钢或铁低很多，这也使其铸造更加容易。

铝合金承载式车身结构(“一体体”)的主要要素有:

承重型材
加强板
连接元素(节点)

图 6 板+型材+结点铝合金车身

3.3.2 铝合金车身实例

板材密集车身设计理念在钢铁车身上得到的建立和验证。它们也可以用铝板实现。但并不像钢铁车那么容易。直到目前为止，仍可以说铝合金仍是中高档的专用。Panhard Z1可以作为第一个例子。系列生产开始于1953年，使用EN AW-5754 (AlMg3)合金板材。在上世纪80年代早期，开发出了几辆铝制概念车，通常只是用铝合金板取代现有的汽车模型中的钢板。例如，1981年在法兰克福车展上展出了一辆全铝车身的保时捷928跑车。铝体是与Alusuisse联合开发的，使用Anticorodal®- 120 (EN AW-6016)合金板(封闭厚度1.2 mm，结构厚度2.5 mm)建造。铝车身的重量为161公斤，与钢车身相比减轻了106公斤。不久之后，奥迪再次开始深入研究铝，基于奥迪100的铝制车身被开发出来。

图 7 奥迪100的铝板概念车(1985)

第一辆全铝车身的量产车是本田1989年推出的讴歌NSX。本田讴歌NSX是一款高性能双座跑车，手工组装的数量非常少。它采用了重达163公斤的全铝单体车身，并在框架和悬挂中加入了一些挤压铝型材。仅车身采用铝材料就比钢制车身减轻了近200公斤的重量，而铝合金悬架则额外减轻了20公斤。外部有专门的油漆工艺，包括用于化学保护铝机身的飞机型铬酸盐涂层。车身结构采用高强度铝合金和特殊的建造技术，使其比同类钢车身更坚固，但重量轻40%。采用点焊和MIG点焊相结合的方法将结构连接在一起。

图 8 本田NSX

之后奥迪真正首次实现“全铝车身”大规模量产，1993年，法兰克福车展上，奥迪展出了奥迪A8 ASF（Audi Space Frame）概念车，这辆车车身完全由铝制材料构成。一年之后，日内瓦车展上量产版的铝制车身奥迪A8正式投入市场。“ASF空间框架”车身技术，该技术在白车身与车身覆盖件上大量使用铝合金，并且这项技术继续沿用在了A2、TT、R8等车型上，实现了技术共享。

图 9 奥迪空间框架车身

但不断上涨的燃料价格、二氧化碳法规以及额外的舒适性和设备负荷极限导致了轻量化的强烈趋势。此外，舒适和运动驾驶也有助于促进轻量化设计和工程的创新，从而促进了铝合金板在汽车中的应用。

现如今，除了奥迪的部分车型以外，还有许多豪华品牌在其产品中使用了“全铝车身”，捷豹路虎便是对全铝车身最有执念的厂家之一。

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图 10 路虎铝合金车身

福特将铝合金引入其经典皮卡F150中。

图 11 福特铝合金皮卡F150

3.3.3 挤压型材（Extrusions）

利用成熟的铝挤压技术，开辟了铝解决方案和应用的另一个广阔领域。在这里可以实现相当复杂的轮廓形状，允许创新的轻量化设计与集成功能。在欧洲，全新而灵活的汽车概念（如铝空间框架ASF）和复杂的子结构（如底盘部件、保险杠、碰撞元件、气囊构件等）已经使用铝型材开发出来。它们在复杂设计和功能集成方面具有很高的潜力，最适合具有成本效益的大规模生产。

中等强度AA6xxx和高强度AA7xxx时效硬化合金多用于挤压工艺。成形性和最终强度由后续时效处理的控制。挤压已应用于保险杠梁和碰撞元件和箱体(图1)，这是铝型材的主要市场。

图12 保险杠梁和碰撞箱中的铝型材

3.3.4 铝合金板（Sheet）

用于汽车板材应用的主要铝合金类别是不可热处理的Al-Mg（5xxx系列）和可热处理的Al-Mg- Si（ 6xxx系列）合金体系，其中一些是根据化学成分和工艺的变化而特别定制的，例如用于底盘的强度和耐腐蚀性优化的Al-Mg合金或用于汽车车身板材的Al-Mg- Si合金在成形性、表面外观和时效硬化响应方面得到了改进。具体的性质和主要区别说明在图12中。不同合金添加物和工艺参数的影响是提高性能和高效制造的良好发展。

图13 不同型号5系及6系铝合金对比

6xxx系列合金含有镁和硅，含铜和不含铜。目前用于车身板的6xxx合金有AA6009、AA6010、AA6016、AA6111，最近还增加了AA6181A用于回收。在美国，AA6111通常用于0.9-1.0 mm的外面板，它结合了高强度和良好的成形性。在欧洲，EN-6016是首选，适用于约1-1.2 mm的压力表。它表现出优越的可成形性，比高级铜合金更好的丝状耐腐蚀性，甚至在局部预变形的零件上也可以使边缘平坦。6016的烘烤硬化强度明显低于AA-6111。

AA5xxx和AA6xxx汽车板材合金的供应平衡正越来越向AA6xxx合金倾斜。这种转变是由要求更高强度的OEM推动的，使用AA6xxx合金更容易实现这一目标。AA6xxx合金至少占目前汽车制造商供应量的80%。5xxx系列合金具有优异的强度重量比，可成形性和完全回收相容性，相比较而言6xxx系列更具有优势，因为它们是通用的，可热处理的，高度可成形的，可焊接的。

不可热处理的AA5xxx，Al-Mg-Mn合金由于其良好的成形性，在复杂的成形过程中通过中间退火总能恢复成形性，被大量应用于制造复杂形状汽车零部件。并且时效硬化不需要淬火，有利于要求的高一致性公差。非热处理中等强度和高耐腐蚀Al-Mg合金成功应用的一个很好的例子是底盘零件。例如，宝马5系的后桥副框架由3.5至4.0 mm的薄板制成，采用液压成形和焊接管(图13a)，具有高度的功能集成。新的宝马7系现在是管件和铸件的组合(图13b)，总重量只有14.1公斤。