铝合金的需求分析与铝合金精锻技术发展动态（上）

文/夏巨谌，邓磊·华中科技大学

张运军·湖北三环锻造有限公司

铝合金的需求分析与铝合金精锻技术发展动态（上）

文/夏巨谌，邓磊·华中科技大学

张运军·湖北三环锻造有限公司

铝合金作为首选轻量化金属材料，近年来，应用已由航空航天领域“专属范畴”逐渐转向汽车和常规兵器零部件制造领域，且增长速度不断加快。与此同时，其精锻技术装备也在快速发展。

铝合金的应用及需求分析

随着铝产量不断提高和汽车轻量化与能源及环保政策的变化，铝合金锻件的应用范围越来越广，已经由过去基本属于航空航天领域的专业范畴扩展到了许多民用工业部门和领域。汽车、高速列车、摩托车、高速舰艇、各类发动机制造以及自行车等工业部门都在不断地扩大铝合金锻件的使用范围。

汽车及高铁等交通运输车辆领域

表1 美国单台汽车平均用铝量

图1 各国汽车用铝量比较

与在航空航天领域发展呈现趋缓势头相反，铝合金在汽车领域的应用一直不断扩大。无论是从零件种类还是所占比重，都在不断升高。铝合金作为汽车材料有许多优点，在满足相同机械性能的条件下，铝合金比钢减重60%；在汽车碰撞试验中，铝合金比钢多吸收50%的能量；而且铝合金不需做防锈处理。

正是因为铝合金的这些突出优点，其在汽车材料所占比重逐年增加。以美国为例，在上世纪80年代，其轿车平均使用铝合金为55kg，到上世纪90年代就已达到130kg；目前已接近150kg，占轿车总自重的12%以上，并且还在呈现不断增长的势头（表1）。

图1为2010年各国汽车用铝量的比较。由此可见，我国在2010年汽车用铝总消费量为232万吨，成为全球汽车用铝最多的国家。但是我国的单台汽车用铝量仅为127kg，比美国低12%，比日本及德国约低13%，发展潜力还很大。随着汽车行业的进一步发展，铝合金在汽车上的应用前景也会日益广阔。

图2 汽车用铝合金锻件

图3 悬挂总成

美国通用汽车公司采用7021铝板制造Saturn轿车保险杠增强支架，福特汽车公司也采用7021铝板制造Lincoln Town轿车的保险杠增强支架。目前，轿车发动机部件中不仅活塞、散热器、油底壳缸体采用铝合金材料，而且缸盖、曲轴箱也采用这种材料。德国大众LuPo 3L TDI型轿车采用多种轻质材料，其中1.2L发动机气缸盖均采用铝合金，这使得其总质量仅为830kg，与其他LuPo系列汽车相比减轻230kg。英国Roves的高精度铝缸盖铸件，其质量仅是铸铁缸盖的6%，切削量减少20%。德国奥迪A8型高级轿车的整个车身均采用铝材制造，框架采用立体框架式结构，覆盖件为铝板冲压而成。这种铝车身与钢车身相比，质量减轻30%～50%，油耗减低5%～8%。日本本田公司生产的Insight hybrid轿车车身用铝合金达162kg，比钢车身减重约40%。奔驰公司新一代S系列轿车前桥拉杆和横向导臂、前桥整体支承结构采用铝合金材料，这种部件的质量只有10.5kg，仅为钢件的35%。

在铝合金锻件方面，由于其价格昂贵，目前尚未大范围在汽车上推广使用，只在欧美轿车上少量使用，仅占所有汽车铝材总量的1.3%。但由于锻造铝合金具有比强度高、热锻时不氧化、表面光洁等优点，在汽车上的应用正在逐渐扩大。在一些高级轿车，如奔驰S级、本田NSX车等的悬挂系统上已采用铝合金锻件。图2为一些典型的汽车用铝合金锻件。相关资料显示，在一些新开发车型中，铝及铝合金材料在汽车总重所占比例呈现增高趋势。

铝合金锻件的生产及应用在国际上是发展趋势，大多数锻件主要用于轿车和轻型车的底盘构件，例如轮毂、传动轴、悬挂件、控制臂、左右拉杆、三角架、转向节等（图3），并开始用于发动机零件，如连杆、活塞等，还有轿车铝合金车门铰链。

美国轿车制造每使用0.454kg的铝合金等部件，汽车自身的质量可下降1.021kg。美国汽车工业的用铝量已占铝全部消耗量的11%左右。1984年，小汽车用铝量平均为62.14kg；1990年，增加到90.72kg；2003年，则增加到了115kg。现在，已有全铝轿车车身构架。

2015年，我国汽车产销量为2460万辆，较2014年的增长率约为4.8%，是近年来增幅最小的一年。2016年，我国汽车产销量达2802.8万辆，较2015年其增长率接近14%，未来几年内仍会以较高速度发展。其中，发展最快的将是新能源汽车，2009～2012年为1.7万辆，2013年为1.7万辆，2014年为8.4万辆，2015年为33.7万辆，2016年超过53万辆，产销两旺，居世界第一位。在“十三五”期间，我国新能源汽车产销量计划为500万辆，因此，到“十三五”末，即2020年时，我国汽车产销量预计为3500万辆以上。目前，国产轿车铝合金锻件使用量较少，每辆轿车上使用的铝合金锻件仅5kg左右，若能将每辆汽车上铝合金零件数量提高到10%，其需求与应用前景将非常广阔。

我国汽车尾气排放已成为一种主要的空气污染源，在几大污染源中约占10%。汽车能耗约有60%消耗于自重，车重减轻100kg，每行驶100km其油耗可减少0.4L，可减少尾气排放1kg。为节能减排和提高行驶速度，轻质材料及其制造技术已成为实现这一目标的重要途径。图4所示为2012年至2015年我国汽车产销量的增长速度及实现轻量化对节能减排的效果。

为实现高铁和动车的轻量化，不仅采用铝合金制作一些车的内部零件，甚至连车体，即骨架、底板、控制构件及车身覆盖件，几乎全部采用铝合金制作。到“十三五”末，即2020年时，我国高铁线路总长将到3万公里，所需动车将超过8000列以上，所需铝合金零部件数量巨大。

此外，防冲挡铝构件、全铝散热器都在普及与推广。如将铝材应用在船舶上，其发展前景十分看好。船舶自身的轻量化不仅减轻了船体的质量，增加了航行速度、续航能力和运载能力，还可使船的结构更加合理化，改善船体稳定性与排水量及船宽的关系。由于铝的耐蚀性好，与钢相比，铝制的船体不用涂漆，因而使保养和维修费用大为减少。

图4 2012～2015年我国汽车产销量及节能减排效果示意图

图5 某型机匣体精密锻件

军工兵器领域

国内外军工兵器领域内应用铝合金零件最多的是装甲车、坦克、鱼雷快艇及榴弹炮等，如国外某型105mm口径的榴弹炮。在该炮上采用变形铝合金制造的零件有大架、摇架、前座板、左右耳轴托架、瞄准镜支架、牵引杆、平衡机外筒等，炮的重量由3.7吨降至1.4吨。此外，还有采用铸造铝合金制造火炮底盘，托架及其他零件。国外某型坦克采用变形铝合金制造装甲车体、连杆底座、刹车盘、转向节、履带松紧装置、诱导轮、负重轮、炮塔座圈、烟发射器、弹药架、贮藏舱、油箱、座椅、管道等。此外，采用铸造铝合金制造坦克柴油机缸盖、缸体、曲轴箱、活塞、压气机叶轮、压气机壳体，增压箱体及传动轴等；在枪械中采用超硬铝合金制造机匣体（图5）、枪框缓冲座、击发机座、枪尾闭式机匣尾端、三脚架、锻造榴弹壳体、榴弹发射器（枪管）、火箭发射器（整流罩）等。特别是防弹性能好的铝合金，其应用前景更好。