汽车工业与铝消费

□文/王祝堂

中国有色金属加工工业协会

汽车工业与铝消费

Automotive and Aluminum Consumption

□文/王祝堂

中国有色金属加工工业协会

汽车工业的发展与铝工业的发展密切相关，铝及铝合金是汽车轻量化的首选材料。铝的商业化生产与汽车的诞生在同一年。1886年美国大学生霍尔（Charles Manin Hall）与法国大学生埃罗（Pual Louis Heroalt）几乎同时在大洋两岸独立发明了铝熔盐电解法制取工艺，至今全球生产的铝都是按他们的原理提取的。1886年，卡尔·奔驰发明第一辆不用马拉的三轮车，拉开未来文明世界的序幕；1889年巴黎世博会展出第一辆德国奔驰公司制造的汽油发动的汽车，揭开了汽车时代的序幕。

一、铝在汽车中的应用

1897年克拉克（clark）三轮车和1898年问世的De Dion Bouton汽车的曲柄箱是用铝制的，开创了铝在汽车中应用的先河。1901年第二届纽约汽车展上出现了一批铝制汽车零配件，有的汽车的木制车身已用铝代替。1903年Gordon Benneth Napier汽车采用了铝汽缸体。1904年问世的兰彻斯特（Lanchester）车的后轴架由铝合金铸造。

1923年英国著名的汽车设计师波美罗（L.H.Pormeroy）设计的一款汽车用了相当多的铝合金零部件，其自身质量仅相当于标准汽车的2/3。20世纪30年代由于钢材价格比铝低得多，能源充裕，铝在汽车中应用放缓。第二次世界大战期间，铝是一种战略物资，在民用方面的应用受到限制，同时由于飞机及其他军工产品的需求增加，铝工业得到迅速发展，特别是美国铝工业的发展尤为显著。战后，铝在汽车领域的应用范围越来越广。20世纪70年代汽车开始使用铝制保险杠、进气管、发动机头、发动机缸体、散热器、传动系统零件、车轮等。

20世纪60年代每辆汽车的平均用铝量为27.2kg，到90年代中期每辆汽车平均用铝量升到113kg，约占车的自身质量的8%。2005年美国轿车每使用0.454kg的铝制零部件，车的自身质量可下降1.021kg，目前美国汽车工业用铝量已占其全部铝消费量的11.5%。新世纪初德国推出了全铝的奥迪A8，是用铝最多的小轿车，每辆重550kg；美国福特汽车公司的AIV车的车身也是全铝的。所谓全铝轿车是指在目前的技术条件下，可用铝合金制造的零件都已铝化。由于真空钎焊技术的发展，1986年美国生产的汽车有一半装上铝散热器，2008年的铝化率已超过80%，因为铝价格比铜的低，而铝散热器的质量又比铜的轻50%。

卡车用铝各国不尽相同，后工业化国家的铝化率较高。如美国与加拿大的2008年厢式货车与特种车的铝化率达88.5%以上。车轮是汽车用铝最多的单一零件，按每辆车配备5个车轮计算，车轮的含铝量约36kg。2008年全世界小轿车的平均铝含量146kg/辆。实践证明，尽量多地采用铝是解决问题的最有效途径。采用镁制零部件的节能减排效果虽然比铝的大，但铝的综合性能较好，性价比较高，所以在汽车制造中，镁在可预见的时期内还不可能较多地替代铝。

2010年初美国能源部制订了汽车（小轿车）新的能效标准，要求其燃油效率达到6.9升/百公里。小轿车在标准公路上行驶时，车的自身质量消耗的能量占85%左右，这说明汽车减重的重要性与迫切性。

1. 典型铝及铝合金零部件

铝及铝合金在汽车中的用量仅次于钢与铸铁，居第三位，而在全铝轿车中的用量上升到第二位。在日本铝压铸件及铸件占汽车全部用铝量的90%以上。铝用量的增加主要是由于汽缸体、散热器、车轮、保险杠、车身外板及构架等铝化率的提高。

（1）车轮

车轮是重要的保安件，对其安全性有很高的要求。铝轮在轿车中应用相当普遍，不但有高的强度，而且有高的疲劳强度、抗震性、可焊性等。铸造铝合金还有良好的铸造性能，铝轮不但质轻，而且散热性好，可防止轮胎过热，尽寸精度高，可降低纵向及横向振动。车轮是刚性零件，支撑着轮胎，它与汽车的多种性能关系紧密，整车的安全性和可靠性很大程度上取决于所有车轮及所装轮胎的性能和使用期限。

与钢车轮相比，铝合金车轮能更好地满足以上诸多要求，从长远看来，轿车轮的铝化率可望于2020年接近或达到100%。

（2）底盘零部件

对减轻汽车的重量来说，用铝合金取代钢与铸铁制造零部件具有相当大的潜力。通用汽车公司在卡迪拉克和克尔维特车的悬挂系统中使用了铝合金部件，悬挂系统转向节也基本以铝代替了铸铁。福特汽车公司用铝合金制造轿车的制动盘，重仅2.27kg，仅为铸铁盘的1/3，尽管成本上升，但使用期限却延长了2倍。克莱斯勒汽车公司的尼奥里特车（Neod Lite）的底盘使用了许多铝合金零件，减重效果显著：转向机万向节质量下降3kg、下控制臂的降低2.6 kg、转向机壳的减小1.36kg、转向轴的降低1.9kg、后制动鼓的下降3.6kg，前制动踏板架的减轻0.8kg。

（3）铝制试验车

一些汽车制造公司在保证行车安全与乘坐舒适性的前提下研发了铝试验车，意大利阿里法罗欧公司试制的以节能为主的埃斯瓦尔车（ESVAR）的质量减轻9%，而以安全性为主的斯瓦尔车（SVAR）的质量只不过减轻3%。英国BL特克诺尔基公司试制的ECV3车的质量比钢制车的轻45%，其承重部位用铝合金制造，而非承重部位及外板则用玻璃纤维增强塑料（GFRP）制造。瑞典沃尔沃汽车公司的全铝LCP2000试验车的承重部位的主车架和地板都是铝合金的，开发目的是降低生命周期的总能耗：从原材料选择、半成品制造、零件加工、部件装配、整车组装需要的能量，行驶能耗及报废车材料再生能耗的总量看比原有钢制车节省约40%。

LCP2000车在设计过程中，为了补偿刚性不足将地板中部制成三角形增强，为将前、后座背对着背安装，后座乘员面向后方。燃料箱和蓄电池装于三角框中，具有相当强的防火性能。净构架（车身框架）、制动鼓与圆盘等全是铝的，整车铝质件的总质量占整车质量的25%。

（4）车身铝材的发展

发达国家从20世纪80年代中期起一批汽车制造商与铝厂合作加强了对车身铝材的研发。1995年德国奥迪公司开始批量生产全铝车身，使铝在汽车中的应用逐年上升，北美汽车工业在1990～1998年间的用铝量上升了102%。

日本住友轻金属公司与美国雷诺兹金属公司（Reynolds Metals Com，2005年被美国铝业公司并购）共同开发的SGll2一T4A车身铝合金板材，其硬度与强度比常规铝合金的高，同时具有冲压成形性能好，在涂装后的烘烤过程中可发生时效强化作用。

1995年奥迪公司批量生产的Audi A8型轿车开全铝车身高档轿车之先河。它的空间框架（ASF）是用铝合金挤压型材制成的，由于铝的强度比钢的低，所以铝型材的壁厚比相应钢材壁厚大0.75倍左右。型材框架梁用铝合金压铸接头连接，需要焊接的连接处可用MIG（金属惰气焊）法焊接。铝合金压铸接头可制成种种形状，既可以满足结构需求，又能确保车身节点有足够高的刚度。车身外覆盖件以铝合金薄板冲制，其厚度为钢板的1.2～1.25倍，有些覆盖件的加强板也用的是挤压铝型材。

覆盖件与骨架的连接为铆接，铆接的强度比点焊的约高30%。在Audi A8车的连接中铆接占68%，由于Audi A8型车的车身是用铝型材、铝板与压铸件制成，所以其质量比钢的轻40%，其静态扭转刚度也提高了40%以上。

2. 成本高是影响铝在汽车中应用的主要障碍

铝及铝合金成本高仍是它们在汽车中进一步大规模应用的主要障碍，例如铝合金汽车板材的成本约为钢板的4倍。在汽车铝合金零件成本中其加工制造成本主要决定于原材料价格。但再生铝的复化能耗仅相当于原铝提取能耗的5%左右，而废钢的再生能耗则相当于精钢冶炼能耗的25%～60%。因此，在汽车零部件制造中尽量多地使用再生铝是降低成本的有效措施之一，如果一辆轿车的铝车体结构材料中再生铝占75%，则于由车体的减轻行驶4年（行驶约93 400km）所节省的汽油（在其价格为4.8元/升时）足以弥补以铝代钢成本提高的支出。尽管铝制零部件的制造及装配工艺与钢的相差并不悬殊，但前者的加工制造及装配成本都比后者的高。

在汽车零部件成本中还有服务使用成本与“后使用”成本。乘用车在使用期间的成本决定于行驶里程、燃料消耗及其价格。由于铝车体质量比钢车体轻，当然会节省一大笔燃料费，但节约量在很大程度上决定于燃料价格。燃料价格越高，铝车体结构增加的成本（高的原材料成本与加工制造、安装成本的上升）的回收期就越短。燃料价格总是在上升，因此汽车减重是一个“永恒"的话题，减重就是节能减排。在此还未计算使用铝使汽车自身质量减轻而减少排放温室气体所带来的社会经济效益。

所谓“后使用”成本实质上就是指汽车报废后的废料及废件的价值，当然废铝的价格比废钢高得多，可惜汽车用铝量还不多，在1998年至2007年的l0年内欧洲商务汽车的用铝量翻了一番多，2007年到2017年的10年内欧洲汽车的用铝量还将超过1倍多。

二、铝及铝合金在中国汽车中的应用

汽车制造业是中国四大支柱产业之一，也是用铝最多的产业。2008年世界汽车总产量7 052.66万辆，按每辆消费铝142kg计算，铝的总用量约1 001.4万吨，占全球铝消费总量5 800万吨（原铝3791万吨，再生铝2009万吨）的17.3%，这20年的年平均增长率17.8%；1 999年～2009年的平均增长率22.3%，为世界汽车产量年平均增长率的18.6倍（1999年全球汽车总产量5 625.9万辆，2008年为7 052.7万辆，年平均增长率1.2%）。中国汽车铝化率与发达国家相比尚有一定的差距，但已进入高速发展阶段。小轿车的铝化率高于大、中型客车，更高于货车，引进生产线的铝化率高于国产线。压铸件和铸件在铝的用量中所占的比例大大高于铝加工材。2008年上海桑塔纳轿车的铝含量约占整车自身质量的9.6%，其中82%以上为压铸件与铸件，如车轮、发动机缸盖、转向器壳体、变速箱后盖、踏脚支架、进气歧管、变速箱壳体等。其中车轮的质量约36kg/辆、气缸盖质量10.25 kg/辆、进气歧管质量2.06kg/辆，变速箱壳体质量8.45kg/辆，其他铝件质量约10kg/辆。

西安西沃客车公司是国内首家生产豪华全铝旅游客车及高级长途客车的合资企业，主导产品为Volvo BIOM豪华旅游大客车，其底盘及2000系统模块技术制造的底盘与2000系统模块技术制造的车身是全铝合金的，由2Al2铝合金的板、型材作车身，用量约1吨/辆，大梁为2A12铝合金挤压型材，用量约240kg/辆，顶棚是用厚1.5mm、2.0mm、3.0mm～6.0mm的5A02一H24铝合金板材制造的，用量约5m2/辆。2010年3月28日中国吉利有限公司斥资18亿美元就收购沃尔沃公司一事与福特公司在瑞典哥德堡正式签约。吉利公司获得沃尔沃轿车公司100%股权以及包括知识产权在内的相关资产，并首次确认将在中国建设新厂生产沃尔沃轿车，既买到沃尔沃的核心技术、专利等知识产权和制造设施，还获得了沃尔沃在全球的经销渠道，为中国汽车产业“走出去”提供了现成的通道，迅速提升、中国及零部件在欧、美、日市场的比例，解决中国汽车产业自主创新所面临的知识产权问题，实现在工业化后国家汽车市场——“你中有我”零的突破，从根本上改变了中国汽车产业的国际形象。2009年西沃客车有限公司铝用量约3.5万吨。

重庆专用车厂生产的吉普车使用了拉网板和涂层板，要求拉网板不收缩，涂层板厚度0.8mm；西安车辆厂生产的油罐车的罐是用3003铝合金板材焊接的，用量约1吨/辆；中国生产的客车平均用铝量（不含车轮）约300kg/辆。

铝散热器采用复合铝材，该系统由散热管（ф5mm～ф25 mm）、散热片和水箱等组成。

美国铝业公司与中国郑州宇通客车有限公司共同研制的新一代节能环保全铝大客车不仅美观时尚，而且全车采用的铝合金框架结构清晰可见，体现了材料、设计、工艺的完美结合，更重要的是，铝制环保客车的使用将进一步推动交通运输业节能减排与低碳社会的进程，并提高燃油经济性。有关研究表明，在车辆运行周期中，其自身质量每下降1 000kg，就可以减少燃料消耗4 800L，降低温室气体排放11.2吨。该车的铝合金车门的质量仅10.2kg，而传统的钢制车门的却高达22.7kg，即下降了55.1%。

铸造铝合金在制造汽车零部件中用得最多，特别是再生铝合金。上海大众汽车公司桑塔纳轿车发动机活塞是用KS275合金铸造的，这是日本神户钢铁公司的一种铝一硅系合金，其成分与ZLl09铝合金的相近，它具有强度高、耐磨性强、耐热性好、定型后变形率小等特点，每辆车的用量1.2kg。汽车内燃机壳体多用日本牌号的ADC12和AC4B铝合金铸造，其成分与中国的ZLl02铝合金的相当，具有良好的攻丝加工等机械加工性能。当前93%以上的汽车铝车轮是用A356型铝合金低压铸造的，也有用A514铝合金的，中国大部分选用ZL101铝合金。用锻造法、半固态模锻法、机械加工法、挤压铸造法制造的轮车仅占6%左右。大型公共汽车及重型卡车的车轮因受力大，都是锻造的，美国铝业公司是最大的供应商。

铝合金缸盖及进气歧管，一般采用金属型重力铸造和低压铸造法生产，选用的合金有美国的A319、A356、A360铝合金，中国的ZL104、ZL106、ZL107铝合金。发动机活塞为金属型重力铸造产品，采用共晶型或过共晶型铝一硅系合金，如美国的A13320、A63320、A02220、A03280、A03280合金，中国的ZLl08铝合金等。目前，轿车发动机缸体多用压铸法生产，镶铸的缸套可用共晶或亚共晶型铝一硅型合金，为铸得整体缸体和提高耐磨性，可选用过共晶型铝一硅合金，如A390铝合金，它有高的耐磨性及耐热性，但铸造性能较差，机械加工性能也不如亚共晶铝一硅合金和铸铁的，因此，有转用和研发低硅及中硅铝合金的必要。