變形鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用及挑戰(zhàn)
      隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及人民對于高質(zhì)量生活的追求，汽車逐漸在人們的生活中變得不可或缺。21世紀(jì)以來，國內(nèi)汽車工業(yè)得到迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)量及保有量不斷增加，2019年，汽車產(chǎn)銷量均升至一位。汽車工業(yè)的發(fā)展給經(jīng)濟帶來增長、人民帶來便利的同時，給能源及環(huán)境帶來的問題日益凸顯。
      2021年，《國務(wù)院關(guān)于完整貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》提出要將節(jié)約能源放在一位，實行節(jié)約戰(zhàn)略，持續(xù)降低能源消耗和碳排放，力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和，這使得汽車工業(yè)不得不聚焦如何提升能源利用效率、減少二氧化碳排放，而汽車輕量化設(shè)計是節(jié)能減排的有效措施。
       汽車輕量化可以通過3個方面綜合應(yīng)用來實現(xiàn)，分別是材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化和工藝輕量化。隨著設(shè)計方法和制造工藝的不斷改進與成熟，汽車輕量化正重點向著提高材料輕量化的使用方向發(fā)展。本文通過對鋁合金在汽車輕量化應(yīng)用中的優(yōu)勢及應(yīng)用方向進行研究，提出目前鋁合金在汽車輕量化應(yīng)用中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，為未來汽車鋁合金輕量化的研究提供參考。
2 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用優(yōu)勢
鋁在地殼中儲量非常豐富，因其質(zhì)量輕，比強度高，良好的焊接性、耐蝕性、優(yōu)良的加工成形性能及可回收再利用等優(yōu)點，在汽車輕量化的生產(chǎn)制造中有著良好的應(yīng)用前景。目前，中國單車用鋁量與歐美相比差距較大，但隨著汽車輕量化的發(fā)展，未來國內(nèi)汽車用鋁合金市場前景廣闊。
2.1 有效減重、節(jié)能減排
根據(jù)美國鋁業(yè)學(xué)會的報告，汽車中每使用1kg鋁，可以獲得2.2kg的減重效果[1]，且服役期內(nèi)將減少20kg尾氣排放；鋁合金在汽車中的使用帶來輕量化效果外，又使得制動器等零部件實現(xiàn)減重，即產(chǎn)生二次輕量化，據(jù)美國鋁業(yè)公司的研究，汽車典型零件用鋁的一次輕量化效果可達(dá)30%～40%，二次輕量化效果可提高至50%[2]。
此外，汽車的油耗與整車質(zhì)量有著很大關(guān)系，而二氧化碳排放量與油耗呈正相關(guān)。大量數(shù)據(jù)表明，汽車質(zhì)量每減輕1%，可節(jié)省燃料消耗0.6%～1.0%；自重每降低100kg，每行駛100km可節(jié)約0.7L的汽油消耗，二氧化碳排放可減少約5g/km；若整車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，尾氣排放將減少5%～6%；當(dāng)汽車質(zhì)量減輕50%，二氧化碳排放減少13%的同時，硫化物、氮化物等其他有害物質(zhì)的排放也會相應(yīng)減少[3-4]。
2.2 行駛性能、安全性能提高
在汽車上使用鋁合金能夠減輕汽車質(zhì)量，且其安全性能和行駛性能可以得到提高。據(jù)美國鋁業(yè)協(xié)會研究，鋁合金在汽車中實現(xiàn)25%的輕量化效果，那么汽車加速到96.56km/h的時間就能夠縮短4s[5]。同時，鋁合金的輕量化效果使得汽車動力傳動系統(tǒng)負(fù)荷降低，因此在較低的牽引負(fù)荷狀態(tài)下，汽車就能得到同樣甚至更好的行駛性能。
此外，在同樣設(shè)計要求條件下，鋁合金不僅能有效減輕汽車自身質(zhì)量，而且吸收碰撞的性能比鋼材優(yōu)良。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，與鋼材相比，鋁合金材料更容易形成褶皺和變形，會多吸收50%～70%的沖擊力，從而在實現(xiàn)車身輕量化的同時提高了汽車安全性[6]。另外，鋁合金在汽車上使用通常會使得汽車整體重心降低，汽車駕駛的舒適性及穩(wěn)定性相應(yīng)得到提高。
2.3 裝配效率高、易回收
鋁合金整體車身只有部分需要點焊，焊點少，加工工序縮短，且不需要做防銹處理，因此可顯著提高汽車的裝配效率。此外，鋁合金熔點低，在使用期間腐蝕率低且程度輕微，因此便于回收利用。由于生產(chǎn)零件采用再生鋁耗能遠(yuǎn)低于原生鋁所用能量，因此再生鋁材料在未來汽車上的應(yīng)用將得到提高。
3 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用
汽車用鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩部分，鑄造鋁合金在汽車發(fā)動機、輪轂、變速器等部位廣泛使用，變形鋁合金主要應(yīng)用在發(fā)動機罩、翼子板、頂蓋、車門、后備箱蓋、覆蓋件等汽車車身上（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，汽車車身質(zhì)量約占總質(zhì)量的40%，因此降低汽車車身質(zhì)量是整車輕量化的關(guān)鍵。
變形鋁合金可分為軋制材、擠壓材及鍛壓材，主要牌號為：2xxx系、5xxx系和6xxx系，其中2xxx系和6xxx系為可熱處理合金。5xxx系A(chǔ)l-Mg合金在Mg元素的作用下，板材晶粒尺寸越大其成形表面質(zhì)量越差，因此通常用于汽車內(nèi)板；6xxx系A(chǔ)l-Mg-Si合金不僅具有良好的沖壓性能，而且在烤漆處理后能將強度提高，多用于汽車外覆蓋件；2xxx系A(chǔ)l-Cu合金在汽車車身上的應(yīng)用較少，因為其耐蝕性差，且自然時效與烤漆強化效果難以協(xié)同。
近年來，我國汽車企業(yè)關(guān)于鋁合金車身板的研究和應(yīng)用逐漸增多（表1）。東北輕合金有限公司采用5754鋁合金薄板批量沖壓制成了車門內(nèi)襯，且其成形率高、質(zhì)量良好；長安汽車公司利用沖壓成形技術(shù)將6xxx系鋁合金板材制成了發(fā)動機覆蓋件，并實現(xiàn)量產(chǎn)[7]；西南鋁建成了我國第一條汽車鋁合金板材生產(chǎn)線，并成功供應(yīng)其生產(chǎn)的5182-O態(tài)鋁合金板材；奇瑞打造的全鋁車身新SUV純電汽車，續(xù)駛里程超過500km；蔚來ES8開發(fā)并量產(chǎn)了鋁合金使用率高達(dá)96.4%的全鋁車身；東風(fēng)汽車開發(fā)的全鋁車身公交車較同類客車實現(xiàn)了15.2%的輕量化；大眾Golf電動車車身使用了全鋁合金材料，整車質(zhì)量成功減輕187 kg；江淮汽車在發(fā)蓋內(nèi)、外板上分別使用了1.0mm厚的5180鋁合金、1.2mm厚的6016鋁合金。
4 鋁合金在汽車輕量化中應(yīng)用的挑戰(zhàn)
4.1 材料參數(shù)積累不足
當(dāng)前，部分汽車制造類企業(yè)已經(jīng)對鋁合金材料相關(guān)知識和應(yīng)用展開了研究，但研究不夠、應(yīng)用范圍較小，加之汽車用鋁合金材料的生產(chǎn)技術(shù)及加工工藝不成熟、生產(chǎn)經(jīng)驗相對較少，導(dǎo)致汽車用鋁合金數(shù)據(jù)庫不完整、不系統(tǒng)，特別是對鋁合金零部件的設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、加工工藝及使用性能方面的知識、技術(shù)嚴(yán)重欠缺。此外，對于鋁合金的輕量化表征及測試方法也沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
4.2 連接技術(shù)
乘用車車身大部分的工件都是通過焊接連接而成，而鋁材的焊接技術(shù)難度遠(yuǎn)大于鋼材，因此如何改善汽車鋁合金覆蓋件的焊接性能，提高焊接質(zhì)量成為了擴大鋁合金在汽車覆蓋件上應(yīng)用的難點。此外，未來汽車發(fā)展朝著多材料結(jié)構(gòu)方向，這就要求對不同種類的材料進行連接（如鋼-鋁、鎂-鋁、碳纖維材料-鋁等）。雖然Yan[9]和Badu等[10]分別通過冷金屬過渡焊接和激光焊接技術(shù)在一定程度上實現(xiàn)了異種金屬連接，但都沒有得到廣泛地應(yīng)用，因為冷金屬過渡焊接時，熔滴一旦接觸到熔池將會發(fā)生短路，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定；而激光焊接在焊接時焊縫內(nèi)氣體不易溢出，焊縫質(zhì)量不理想。此外，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)不能滿足異種材料連接時存在的變形和應(yīng)力、界面硬脆相、電化學(xué)腐蝕評價檢測問題，因此探究連接新技術(shù)尤為重要。
4.3 涂裝性能
鋁合金材料的涂裝前處理工藝與鋼材基本相同，但傳統(tǒng)的鋼板磷化處理時，磷化液中游離的氟離子含量較低，不能對鋁板進行腐蝕，導(dǎo)致鋁板生成的磷化膜質(zhì)量不高。正常情況下，板材涂裝后的耐蝕性及附著性與磷化膜質(zhì)量息息相關(guān)，磷化膜質(zhì)量過厚，板材涂裝后的耐水二次附著力會顯著下降；而磷化膜質(zhì)量過低，則板材耐蝕性下降[11]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，銅和鎂的添加能夠改善鋁材的磷化膜質(zhì)量,但是添加后鋁材的耐腐蝕性能都會變差。此外，鋁合金種類不同時，其磷化膜的大小、質(zhì)量和附著狀態(tài)、電泳漆膜及面漆的外觀、附著力、硬度、光澤、耐水、耐腐蝕、耐沖擊性能都有所區(qū)別，需要對其進行測試才能滿足汽車涂裝的性能要求[12]。可見，鋁合金材料涂裝前處理工藝的多樣化和復(fù)雜化將成為鋁合金在汽車上應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。
4.4 沖壓成形技術(shù)
汽車車身構(gòu)件的主要成形方式為沖壓成形，相較于已廣泛研究應(yīng)用的鋼，鋁合金板材的沖壓成形技術(shù)還不成熟，存在著大量問題。鋁板塑性及延伸率較鋼板差，彈性模量也只為鋼的三分之一，在沖壓成形時會因為倒角和間隙偏小使得金屬流動困難，因而板材各處受力不均勻，極易產(chǎn)生裂紋和起皺缺陷，且成形后出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，將導(dǎo)致板材成形精度出現(xiàn)偏差[13]。另外，鋁板表面氧化膜較鋼板塑性差、易破碎，在成形過程中不具有潤滑作用，并且鋁合金修邊時料屑難以控制。此外，2系、6系及7系可熱處理合金在室溫放置時不可避免的存在自然時效現(xiàn)象，這將影響板材的成形性能且使得人工時效效果降低[14]。因此，未來應(yīng)當(dāng)綜合考慮影響鋁合金板材沖壓成形性能的主要因素，比如工藝參數(shù)、圓角大小、材料屬性、壓邊力、摩擦系數(shù)、潤滑情況等因素；同時重視對鋁合金加工制造工藝的研究，改善并解決鋁合金的成形缺陷，提高成形鋁的合格率。
5 結(jié)束語
隨著我國對能源及環(huán)境問題的日益重視，輕量化已成為汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要舉措，而鋁合金以其獨特的優(yōu)勢成為汽車輕量化的材料。目前，我國已在汽車鋁合金輕量化上取得一定的成果，但在材料參數(shù)、連接技術(shù)、涂裝性能及沖壓成形技術(shù)方面存在挑戰(zhàn)，因此需要汽車類企業(yè)加大對汽車鋁合金輕量化的研究。
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