铝合金车身板材在汽车轻量化中的应用

2018-06-27王鸿波何昌协

世界有色金属 2018年7期

王鸿波，何昌协

（河南同人铝业有限责任公司，河南三门峡 472100）

中国汽车工业的飞速发展，在促进我国制造业发展和给人民生活带来方便的同时，油耗带来的资源消费问题和尾气排放带来的环境污染问题日益严重。随着节能减排的大力推行，加之环保政策力度的进一步加强，2016年底至2017年上半年持续放缓的汽车轻量化推进有了回升的态势。之前受阻于车用铝材成本高昂的汽车轻量化，在政策扶持、大环境发展趋势的双重驱动下重新成为了汽车行业的焦点。

新能源汽车的全面推广为汽车轻量化的发展增加了动力，新能源汽车续航里程对轻量化车身的需求愈加强烈。按照目前的生产制造水平，纯电动汽车每增加1km驶程需增加电池重量1kg，这就意味着如果汽车行驶里程200km,电池重量就需200kg。

1 汽车轻量化的意义

汽车轻量化是在降低汽车的整备质量的同时保证汽车的强度和安全性能，并且提供汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车在达到轻量化之后，能够节油、减排、提升驾驶乐趣。

（1）减重提效、节约油耗和降低尾气排量。数据统计显示，汽车重量每降低10%，燃油效率可提高6%~8%；滚动阻力每减小10%，燃油效率可提高3%；车桥、变速器等装置的轻量化也能够提高传动效率，进而提高燃油效率。

（2）提高汽车的行驶和安全性能。在驾驶方面，汽车轻量化后其加速性能和制动性能将得到提高，有美国铝业协会报告指出：汽车重量每减轻25%，使汽车加速到96.56km/h所用时间从原来的10s减少到6s[1]；汽车质量的减轻使汽车在较低牵引负荷下能够表现出良好的性能。

（3）提高新能源汽车的续航里程。新能源汽车轻量化的途径主要包括车身轻量化、电池轻量化、零部件轻量化和电驱传动轻量化等。新型轻质材料在轻量化进程中显得越来越重要。目前可用来减轻汽车重量的新型材料主要有以下两类：一种是高强度钢，另外一种是轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料、碳纤维等。高强度钢主要是通过减薄钢板厚度来实现轻量化，这就导致其在汽车减重上存在瓶颈，即到达一定程度时，高强度钢无法满足轻量化要求。

在能源紧缺和环境污染严重的形势下，新能源汽车的研发已成为汽车产业发展的必然趋势。纯电动汽车是目前最有价值大规模推广应用的产品。对于纯电动汽车而言，整备质量每减少100kg，增加续航里程可增加10%，电池成本可节约15%到20%。汽车轻量化可以帮助新能源汽车增加续航里程和降低成本。根据欧洲铝业协会调查，如果在新能源汽车上使用轻量化技术，车身减重10%，电耗下降5.5%，续航里程可增加5.5%。在相同续航里程情况下，尽管全铝车身成本较高，但由于节约电池成本，使全铝电动车更具有价格优势。如大众Golf电动车通过采用全铝车身不仅可以减重187kg，因此，通过轻量化来提高能量使用效率对电动汽车来讲尤为重要。

2 铝合金材料的特点及性能优势

铝合金是地壳中含量最多的金属元素，它具有一系列的优良性能，比如低密度、高比强度、良好的成形性能及工艺性能等，更重要的是铝合金的回收再利用性非常好，具有较高的回收率。低密度让铝合金比合金钢更具优势。铝合金在强度和刚度方面明显要低于钢板，但是铝合金可以通过加厚和优化设计来提高强度和刚度，最终达到与钢板一样的水平。由于铝合金的密度要远远低于钢铁，所以即使增加厚度，铝合金构件的减重效果仍然非常明显。数据资料显示，同刚度下，铝合金减重效果可达50%。

目前，随着汽车保有量的不断增加和人们环保意识的逐渐增强，报废汽车的回收和再生越来越受到关注。铝制品的性能优势决定了铝具有较高的回收价值率，可达到80%左右，并且铝材是对环境完全无害的绿色材料。优越的性能决定了铝合金材料在汽车轻量化领域中的重要地位。

3 铝合金车身板材在现代化汽车生产中的应用

3.1 汽车用铝合金车身板应用现状

铝合金在车身上的应用是从发动机罩和行李箱盖开始，由于铝合金轻量化效果明显，并具有质量轻、抗腐蚀能力强、耐用性好及减少行人撞击伤害等显著优点，促使铝合金在车身上的应用逐步扩大。用于汽车车身板的铝合金主要有2000系、5000系、6000系、7000系合金。其中5000系、6000系最适合代替钢板；5000系（Al-Mg）是热处理不可强化合金，通过Mg元素产生固溶强化效应，使其成形性和抗腐蚀性能提高，但该系合金只能采用加工硬化方式来提高强度。使用状态多为退火态，常用于汽车内板等形状复杂的部位，如汽车发动机内盖板。该系合金能在淬火后较低屈服状态下供货，具有良好的冲压性能，并能在最终的烤漆处理中进一步实现强化，适用于外板等强度、刚度要求高的部位，主要用于汽车外覆盖件。目前使用较多的6000系合金主要有AA6111、AA6022（北美车企使用），AA6016（欧洲车企使用），AA6016、AA6022、AA6111（日本车企使用）[2]。国内应用情况例如，江淮汽车车身用铝板包含5182和6106铝合金，它们分别用于发盖内板和发盖外板，厚度分别为1.0mm和1.2mm。

中国忠旺铝业为长城华冠纯电动跑车前途K50提供车身用铝，前途K50采用全铝骨架车身结构。2016年11月，中国忠旺参与设计制造的奇瑞新能源纯电动车S51已经正式上市，成为国内自主品牌中第一个实现全铝车身化的车型。明泰铝业生产的5052铝合金主要应用于轿车车门，其性能优势主要体现在塑性高、耐腐蚀性强和表面质量优异等特点。蔚来ES8成为国内首个独立研发量产的轻量化全铝车身平台。ES8全铝车身上铝材的使用率高达96.4%，成为全球量产的全铝车身中铝材应用量比例最高的车型。

3.2 铝合金材料在汽车生产中的应用所存在的障碍

经过对铝合金材料不断研究，在汽车制造过程中其使用量明显增加，但与钢的用量相比还存在一定的差距，阻碍铝材质应用推广的主要因素有以下几点[3]：

（1）铝材具有较高的生产成本；

（2）增加使用维修成本。在使用过程中若铝合金车身遇到损坏，需要更高的专业化技能和装备维修水平，甚至需要更换受损的零部件，这些都增加了用户的使用维修成本。

（3）铝材技术工艺研究不深入，需增加研发费用。若使用铝合金板材代替钢板，汽车或汽车零部件生产企业势必要进行新的生产工艺和流程的研发，需大量资金投入。而且新产品的批量生产还需要进行大量实验来验证，必要时可能还要更换企业现有的生产设备、模具等，同时采用一套全新技术标准。这样会使车企风险和成本增加，导致在制作铝车身初期，效率降低，且产品质量和精度也难以保证。

4 铝合金车身板材的生产工艺介绍

铝合金车身板的抗时效稳定性、成形性、表面处理技术和烘烤硬化性等特性是影响板材力学性能和工艺性能的关键因素，因而这些性能在板材生产加工过程中会受到重点关注。铝合金车身板的生产工艺流程主要包括以下工序：熔铸→热轧→冷轧→热处理（淬火/退火），如下图所示。

下述流程中，车身外板的性能是否达标主要取决于连续固溶热处理工序的控制。

图1 汽车车身用铝合金板主要生产工艺流程图

根据合金品种，固溶处理加热速度、固溶温度、保温时间、温控精度和冷却方式均有严格要求，尤其要求固溶保温完成后要迅速立即进行淬火冷却。冷却方式主要有两种水冷和空冷，一般来说，车身外板6xxx系铝合金采用水冷，车身内板5xxx系铝合金采用空冷，也有部分6xxx系铝合金采用空冷。车身内板的性能是否达标主要取决于连续退火热处理工序。钝化处理后，经过辊涂或喷涂的铝卷具有优良的表面层，有利于吸附润滑剂，更好地保证汽车生产厂商板材冲压成型；钝化处理另一作用增强了铝卷粘合强度，提高了漆层的稳定性。