汽车用铝合金的研究与应用

侯世忠

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳471023）

0 前言

铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能优良、适合多种成形方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料，特别是能源、环境、安全等方面的原因使对汽车轻量化的要求越来越迫切。使用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径，而铝是应用得比较成熟的轻量化材料，近10年来，铝在汽车上的用量和在汽车材料构成比中所占份额都有明显的增加。由铝合金制造的零件已遍及汽车的发动机、底盘、车身等各个部位，甚至有全铝汽车面世。

铝合金材料的强度与钢铁的强度相当，密度是钢铁的1/3，吸收冲击的能力是钢的2倍，导热性能比铁高3倍；与其他材料相比，轻量化效果好，耐腐蚀性和回收利用性也好，所以铝合金是应用较早且技术比较成熟的轻量化材料，它在汽车上的用量呈现持续增长的趋势。北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝量逐年都在增加，其中北美汽车铝的应用水平最高，目前乘用车每车平均用铝量已达145kg，欧洲平均每车用铝118kg，日本情况与欧洲比较接近。

近年来铝合金在车辆上的使用受到广泛的重视，已替代其它的材料（如钢、塑料等）用作汽车零部件，成为地铁、列车、轻轨、高速列车等轻量化、现代化的有效途径。1991年欧美的轿车上铝合金的使用量为160镑，2001年铝合金的使用量达到245磅。美国资深汽车工程师DavidScholes预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，10～15年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。Rolls-Royce于最近推出的一款轿车，其车身框架全部用铝合金制成，是迄今为止在轿车上使用的最大的铝合金整体结构[1-3]。

1 汽车用铝特点

汽车用铝合金主要包括轧制材、挤压材、锻造材、铸造铝合金。目前各类铝合金在汽车上使用比例大致为：铸铝77%，轧制材10%，挤压材10%，锻压材3%。

1.1 汽车用铝的分类

国内外车身覆盖件用铝合金主要有三大系列：2000系（Al-Cu系）、5000系（Al-Mg系）、6000系（Al-Mg-Si系）。用于汽车上的铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金用于重力铸造件、低压铸件和其它特种铸造零件。变形铝合金包括板材、箔材、挤压材、锻件等。

铸造铝合金主要用于制造发动机气缸体、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、正时齿轮壳体等壳体类零件、发动机部件和保险杠、车轮、发动机框架、制动钳、油缸及制动盘等非发动机构件。

变形铝合金主要用于制造车身构架、车门行李箱及车身面板、保险杠、发动机罩、车轮轮辐、轮毂罩、轮外饰罩、制动器总成防护罩、消声罩、防抱制动系统、热交换器、空调系统零件（换热器、冷凝器等）、压缩机件、行驶部分零件、发动机冷却系统散热器件、座位、车厢底板等结构件以及仪表板等装饰件[4]。

1.2 性能特点

铝合金比重较小、比强度高、容易加工、传导性强、表面美观、综合性好。它具有接近钛合金、结构钢的比强度性能，以及工艺性能优良、成形方便、成本低廉等特点，具有其它合金不可比拟的优点，被广泛用于现代汽车制造工业。

1.3 铝合金在汽车上的应用优势

（1）汽车轻量化，节能降耗，有利环保。

（2）汽车铝合金零部件回收再利用率高。

（3）安全舒适。铝合金汽车是在不降低汽车容量的情况下减轻汽车自重，车身重心减低，汽车行驶更稳定、舒适。由于铝合金材料性能及车身构造，能充分吸收撞击时的能量，故而更加安全。

（4）减少工序，提高装配效率。铝合金汽车整体构架，焊点少，减少了加工工序。铝合金整体车身比钢铁焊接车身约轻35%，且无需防锈处理，只有25%～35%的部件需点焊，因而可大幅度提高汽车的装配效率。

（5）提高燃油效率，加大载重能力[5]。

2 研究现状

2.1 国外汽车用铝合金研究现状

美国铝业协会公布的最新调查研究显示，北美地区汽车行业铝用量占汽车自重的8.6%，创历史新高。预计到2020年铝在汽车及轻型卡车中的占比将占汽车重量的11%。

全球范围内铝在轻型车辆的使用比率为7.8%，2009年轻型汽车自重为3.185磅。预计铝在汽车使用上保持每辆车每年增加4～5磅，到2020年每辆车的使用量将达到300磅。全球汽车生产商已逐渐意识到铝在汽车行业的价值，随着汽车生产商的技术革新、开发更节能的汽车及卡车以减少污染，在汽车行业使用铝的时机日趋成熟。

加拿大是世界上汽车工业大国之一，美国和日本著名的汽车公司都在加拿大设有汽车制造厂，从而有力推动了加拿大汽车工业的发展。同时加拿大又是世界上有色金属资源丰富的国家之一，铝矾土、锌、镁、铜、镍等资源储量均在世界前几名，还拥有采选冶和深加工企业。随着全球汽车工业的迅猛发展，加上全球对环境保护的不断完善，对能源消费的严格控制，汽车工业正在不断寻求汽车减轻重量、降低燃料消耗和减少CO2排放的新材料。因此铝就成为了汽车部件最受青睐原材料之一，一直受到加拿大汽车工业的关注[6]。

在车用铝合金板材的研发方面，世界各国都取得了一定的成就，涌现出一批定型的合金，如美国研制成功的5182、2036、6009、6010铝合金。欧美最早在汽车车体上使用的铝合金是2036和5182，美国在车体外覆盖件上采用高强度的2016铝合金，内板部件上采用成形性良好的5182铝合金。但由于2000系合金的成形性和耐蚀性较差，欧美开始重点开发6000系合金。首先是6009及6010烘烤硬化型合金，通过T4处理，塑性好，成形后经喷漆烘烤可实现人工时效强化，获得更高的强度（时效作用可将其屈服强度提高近100%：6009合金板可达241MPa，6010合金板则可达310MPa），目前已被广泛应用于汽车的内外板。后来通过改进性能发展到现在的6111、6016、6022等综合性能良好的汽车用铝合金，并达到实用化。

日本汽车行业在开发应用铝合金性能方面上更重视成形性，进而开发了高成形性5000系合金，并从1985年起在汽车上开始应用Al-Mg-Zn-Cu系合金，后来又开发了无室温时效性的Al-Mg-Cu系合金5022和5023，许多车种均开始采用。后来又进一步开发采用具有烘烤硬化性能的6000系合金。除了上述标准车身板铝合金外，近年来一些铝业公司还研发出一批有特点的非标准新型铝合金，如日本的GC45、GZ45、GC150、GV10、X660铝合金，法国的AlMg5、CP483铝合金，德国的AlMg3等等[7]。

在铝合金板材应用方面，欧洲汽车企业主要使用具有较好成形性能的6016铝合金。北美国家汽车企业主要使用注重强度的6111铝合金、有抗腐蚀性的6022铝合金。日本汽车厂家则主要使用6016和6022铝合金，同时也使用部分6111合金。

2.2 国内汽车用铝合金研究现状

中国汽车覆盖件的铝化率同发达国家相比还有相当大的差距，汽车用铝合金板材正处于研制和开发阶段，尚未形成完整的系列。目前，多是针对国外已有牌号汽车用铝合金板材，进行合金化和组织性能的研究以及成分配置和生产工艺的研发和控制。进行批量生产及应用的企业仅有少数。

在能源与环境的双重严峻形势下，汽车轻量化势在必行。在汽车内外板上使用铝合金代替钢铁可使车身减重约47%。国内首家具有自主知识产权的汽车用铝合金板材产品在山东南山铝业股份有限公司下线。他们整合公司的研发力量，立足自主研发，在仅有技术要求而无参考工艺方案的背景下，于2014年立项，对5182合金汽车内板和6016汽车外板项目进行产品研发与技术攻关。经过反复的工艺摸索和试制，攻克了多项技术难关，于2015年7月份完成成品5182-O汽车内板和6016-T4P汽车外板研发。经检测，屈服强度在115～125MPa之间，抗拉强度达到260～270MPa，断后伸长率（A80mm）可达到27%以上，均匀延伸率24%以上。6016-T4P汽车外板屈服强度在100～110MPa之间，抗拉强度达到210～220MPa，断后伸长率（A80mm）可达到27%以上，均匀延伸率22.5%以上。经过生产验证，产品性能稳定，5182-O汽车内板的性能满足汽车板要求。

目前南山铝业成为国内首家汽车用铝合金板材的企业，已具备批量生产汽车内板和外板的能力，可满足不同车企对铝合金汽车板表面毛化、钝化以及涂油等不同要求，填补了国内车身用铝合金板材的空白，改变了国内主机厂铝合金板材只能依赖进口的局面[8]。

国内汽车工业用铝也呈现快速增长态势，1993年国内汽车工业用铝量仅为40kt，2003年则上升到280kt，年均增长达60%。“九五”期间进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究，开发出了多种铸造Al2Si合金和高性能Al2Sn2Si系轴瓦材料；在半固态成形、快速凝固等先进成形技术研究与应用方面也取得了突破性进展。目前国内铸造铝合金的品种及牌号相对齐全，生产技术基本上能满足汽车工业的需要。同时，汽车用各类型材（包括6000系列和7000系列高强度牌号）、箔材国内基本上都能生产，板材有2000～5000系列，以及6000系列中的少数牌号，7000系列尚处于研发中。此外，国内在耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究与应用方面也取得了较大进展。从铝的应用水平看，20世纪90年代生产的国产轿车，单车铝合金用量一般在40～80kg，铝合金零件基本国产化。近年推出的新车型，铝合金零件的质量基本都在100kg以上（如东风日产蓝鸟、颐达、一汽奥迪等）[9]。

国内生产业已开始走向国际化，开发研制汽车用铝合金将为中国铝业面对国际化挑战带来新契机。未来我国汽车工业的高速发展为铝业的发展和技术进步提供了良好的发展机遇。同时铝业的发展和技术进步也必将推动汽车产业的发展。

3 应用进展

美国铝业公司研究表明，目前汽车上用铝大致为：铸铝77%，板材11%，挤压材12%。主要应用在发动机（缸体/缸盖/活塞）、热交换器（散热器/加热器/制冷机蒸发器/油冷却器/中间冷却器）、涡轮增压器、变速箱壳体、减震器、转向管柱、车架横梁、副车架、车轮及车身等部件上。

车身大量应用铝合金实现轻量化得到各国的重视，未来大部分车型的车身都可能使用铝合金板材，并且会出现更多的全铝车身的车型。据美国Ducker公司预测，美国在2020年汽车采用铝合金的比例可能性为60%。欧盟及日本等国在汽车车身覆盖件上应用铝合金的比例将在未来5年成倍增长，到2020年，这3个地区汽车车身铝合金板材年需求量将达到700kt～800kt。

目前，国内汽车上用铝主要分布在发动机（如奇瑞自主知识产权的ACTECO系列发动机缸体/缸盖）、热交换器、轮毂、自动变速器壳体、转向管柱等部件上。而在车身上的应用尚处于起步阶段。

我国汽车行业保持每年10%的增长速度，每辆汽车用铝115kg。2005年，我国汽车工业用铝达618kt；2010年，将达到996kt，汽车单车用铝量呈现上升的趋势。国内B级车、C级车、跑轿车相继研发和上市，为铝合金汽车轻量化的应用提供了很好的市场和应用基础，同时汽车铝合金的应用也为国内B级车、C级车以及整个行业提供了一个技术升级的前提。目前应用于汽车的铝合金包括：车身铝合金板材、铸铝件、挤压型材、锻造铝合金、铝线材、铝合金复合材料等。

目前国内铝板带材在汽车上的应用主要是制造乘用车的车门、连接件、防护板、防撞梁及保险杠等。在客车、专用车改装方面也有一定使用。目前国内汽车铝板用量约在30kt左右，其中用于制造乘用车的车门、行李箱盖、车身的铝板的用量有限。

随着快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发与应用，未来铝在汽车中的应用范围将进一步扩大，并将呈现铸件、型材、板材并举的局面[10]。

3.1 铝合金铸件

过去，汽车用铝材分为加工材、铸造件和锻件，锻件占1%～3%，铸造铝件占80%左右，其余为加工材。Al-Si合金铸件占铸造铝件的80%，如：ZL119、YL118、ZL120具有优异的性能，可用于汽车的壳体、发动机部件、汽缸体、汽缸头、变速器壳、铝合金活塞、曲轴箱、制动器、底盘、操纵系统等。表1列出了铝合金铸件在汽车主要部件系统中的应用[11]。

表1汽车主要部件系统中的铝铸件

3.2 车身板用铝合金

汽车车身是汽车中用材量及质量最大的部分，约占汽车总质量的30%，所以汽车车身的轻量化对于减轻汽车自重具有重要的意义。用铝合金材料来制造汽车车身板，要求既具有一定的强度性能，又具有良好的冲压成形性能，还要具有良好的焊接性能、抗腐蚀性能，可以在涂漆后的烘烤期间发生完全的沉淀硬化作用。铝合金是目前应用于汽车最为广泛的新型材料，在铝合金系列中，用于车身板件的铝合金主要有2000系列（Al-Cu-Mg）、5000系列（Al-Mg）和6000系列（Al-Mg-Si）。

日本大多采用2000系、5000系、6000系铝合金作为汽车车身板材料。近几年，日本十分注重使用6000系和7000系高强度铝合金开发“口”、“日”、“目”、“田”字形状的薄壁和中空型材，这种铝型材，不仅质量轻、强度高和抗冲击性好，而且挤压成型性能好，容易制作，在汽车上将得到广泛应用。

美国20世纪70年代就研制了6009和6010汽车车身板铝合金（T4处理），塑性好，成形后经喷漆烘烤可实现人工时效强化，获得更高的强度，广泛用于汽车的内外板。最新研究表明6005A合金较为理想，德国VAW、日本KOK、中国西南铝业（集团）有限责任公司均以此合金为基础生产了车体大型材。

目前车身板主要以5000系和6000系为主。由于汽车内板和外板的要求不同，内部面板材料的要求主要是深冲成形性和接合性（焊接和连接），以使用部分6000系合金材料和5000系合金为主，而外板要求强度较高，因而目前汽车外板应用主要以可热处理强化6000系材料为主。

国际上采用较多的铝合金汽车板型号有：AA6016、AA6022、AA6111、AA6005、AA6009和AA6010、 AA5182、 AA5754、 AA5052 等 ， 如 ：PlymouthProwler采用6022车身板，AudiA8采用6016车身板，AcuraNSX使用5052作为内部面板以及6000系作为外部面板，JaguarXJ220和GMEV1都采用5754作为车身材料。国内变形铝合金物理和力学性能与国外有差距，无法满足冲压性能的要求，尤其难以冲压成形深拉延件[12]。表2列出了变形铝合金在汽车主要部件系统中的应用。

表2变形铝材在汽车上应用的主要部件系统

3.3 车身框架和保险杠用铝合金

目前，世界各国都在积极推进车身、车体主要部件的铝材化，奥迪公司更是推出了全铝概念车。该概念车用铝合金作汽车车身框架和保险杠，能有效减轻车体质量30%～40%，并与钢铁制件具有同等的抗冲击强度。目前，7000系T5合金的屈服强度和抗拉强度不仅比6000系T5和T6都高，而且大大超过了冷轧钢板，已逐步应用于制造汽车的安全保险和防冲撞系统。德国已成功研制出泡沫金属铝，用这种材料制造的汽车保险杠能最大程度地将两车的碰撞能量吸收掉，使汽车的安全性得到很大改善。

1999年Audi公司推出的A2型轿车，是世界上第一款批量生产的全铝轿车，其车身采用全铝空间框架，仪表板部分用高强铝结构支撑，空间构架由真空压铸接头的挤压成型段组成，车身质量895kg，比传统钢制车身轻40%以上。Rolls-Royce最近推出一款轿车，车身为整体铝合金框架，是迄今为止轿车上最大的铝合金结构。本田公司的Insight轿车，车身铝合金用量达162.9kg，比钢车身减重40%。

汽车保险杠通常采用6000系及7000系铝合金，但近年来6000系合金有被7000系合金取代的趋势，如美国通用汽车公司用7021铝板制造Sature轿车保险杠增强支架，福特汽车公司也用7021铝板制造LincolnTown轿车的保险杠增强支架。

3.4 其他铝合金结构件

铝合金也被用来生产汽车悬挂系零件，如盘式制动器卡爪、动力传动框架、发动机安装托架等，另外也广泛用于活塞、油箱壳缸体、发动机汽缸盖、保险杠增强支架、车轮等。

热交换器用铝材需求量也较大。在美国，汽车散热器、空调用冷凝器和蒸发器基本上完成了铝化；日本也较多地采用铝合金（如6595）汽车散热器。热交换器也有用挤压多孔铝管或高频钎焊扁铝管与三层铝合金复合硬钎焊带（以Al-Mn系AA3003为芯材，Al-Si系合金为钎焊层）组装钎焊而成。

美国森特来因·图尔公司用分离旋压法试制出整体板材（6061）车轮，比钢板冲压车轮质量减轻50%，旋压加工所需时间每个不到90s，不需组装作业，适宜大批量生产，经济性较好。我国西南铝业（集团）有限责任公司也与日本轻金属株式会社合作开发A6061合金汽车铝轮毂。

3.5 铝基复合材料

铝合金增强材料在轿车上使用较多，潜力巨大。以陶瓷纤维、晶须、微粒等为增强材料生产铝基复合材料，其比强度、比弹性模量、耐热性、耐磨性等大幅度提高，可用做发动机零件。

铝基复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，具有低密度、良好的尺寸稳定性、较高的强度、模量与塑性、良好耐磨性和抗疲劳、抗断裂韧性等一系列优点。20世纪80年代，日本丰田公司用铝基复合材料制备发动机活塞，和原来的铸铁活塞相比重量减轻了5%～10%，导热性提高了4倍。而美国的Duralcan公司用铝基复合材料来制造的汽车制动盘，与传统的用铸铁制造的重量相比减轻了40%～60%，并且具有更好的散热性和耐磨性。铝基复合材料在汽车刹车系统元件和驱动轴、摇臂等零件上都有一定的应用[13]。

泡沫铝合金具有质轻、隔音、阻燃等优异性能，其研究应用受到了较多重视，约20%的汽车车身结构件采用或计划采用泡沫铝合金，如：盖板、滑动顶板、保险杠、侧面与前部防撞零部件、前板、车档、挡泥板等。

总之，发达国家轿车平均每车用铝量已达到130.9kg以上。随着汽车铝化程度的提高，特别是箱板的铝化率增大，加工材的比例也将大幅度提高，挤压材在一些轿车上仍属少数部件，但这种材料有巨大的潜力[14]。

4 发展趋势

近年来，轿车用铝合金材料已具有多种规格，有些新型的铝合金材料具有良好的冲压性、可焊性和抗蚀性，具有一定的强度和刚度，适用于制造刚度大的承载构件，例如车身部分。近年日本汽车制造业开发的一种新型铝合金板材，内含1%的镁和硅，可以越烘越硬，其性能参数已与钢板相似。日本本田公司生产的顶级跑车NSX车身和部分底盘零件全部用铝合金制作，车体重量比用钢材制造时减轻了140kg，整辆轿车轻了200kg，燃料消耗率降低了13%。目前全铝车身还仅限于高档轿车和跑车，随着时间的推移，制造成本的不断下降，将会有更多型号的轿车车身和零部件应用铝合金材料。

近20年来，铝在汽车上的用量和在车用发动机材料构成比中所占份额都有明显的增加。由铝合金制造的零件已经遍及汽车发动机的各个部分。汽车所用的材料，由于节省能源、节省资源、轻量化的需要而有所变化，新材料相继被推出、应用。随着汽车技术的进步与发展，炼制及加工工艺更加先进，铝合金零部件的普及应用不会太远。据预测，未来汽车的主要材料将由钢材转为铝材，轿车的平均重量将会减轻35%。在比较成熟的金属材料中，铝合金轻金属材料也出现了新的发展趋势，在汽车上有着十分广阔的开发应用前景。

新能源汽车用铝材今后的发展将集中在两方面：一是新工艺，改善现有加工技术，不断改进熔铸工艺及热处理工艺，进一步完善铝型材、铝板材的加工、成形、连接工艺，提高车用铝材的安全可靠性和实用性。二是新品种，目前已开发出了快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、纤维增强型铝合金、泡沫铝材等，另外高强度高韧性铸造铝合金、铝基复合材料等也在研究之中。因此改进现有铝合金的成分和生产工艺，提高其各项性能与研发新的铝合金是今后的主要研发方向[15]。

5 结束语

从高速、舒适、美观、耐用、轻量化、节能、保护环境、降低综合成本等综合性能方面来看，铝合金无疑是汽车工业现代化和轻量化的首选材料，世界许多国家都在致力于汽车用铝合金的研究。汽车工业作为我国的支柱产业之一，未来几十年都将得到持续高速发展，研制高性能汽车用铝合金对提高我国汽车工业的国际竞争力具有不容忽视、举足轻重的作用，同时也将产生重大的经济效益和社会效益。