原标题:【轻质材料】热成形来势汹汹，铝合金还是汽车轻量化的未来材料吗

从印度人首次以铝合金为材料制作了汽车曲轴箱，到1999年奥迪首次量产全铝轿车，铝合金以其密度小、比强度和比刚度较高、弹性好、抗冲击性能好和相当高的再回收率、再生率等一系列优点，使其在汽车上的应用得到了蓬勃的发展，到2015年铝合金在汽车上的应用比例已经达到了35%以上。

然而随着热成形高强钢技术的发展，一直以全铝车身为宣传的奥迪A8宣布放弃全铝车身的研发，未来将应用更多的高强钢在车身上；无独有偶，对整车重量更为敏感的纯电动汽车厂商-特斯拉也表示其后续车型会加大超高强钢的使用量，进一步降低成本，这是否意味着铝合金从成本和重量两方面都丧失了对高强钢的优势，那么铝合金还是下一代车身轻量化材料的首选吗？

图1 新一代奥迪A8在门槛和B柱上采用超高强钢

应用历史

近50年，铝合金在汽车上的单车用量如图2所示。

图2 近50年车用铝合金用量

目前，铝合金已成为汽车制造中用量仅次于钢材和铸铁的材料。在整车中，质量较大的组件为动力系统、底盘系统以及车身，这3大系统的总质量达到整车质量的80%以上，其中车身质量占比超过25%。铝合金在汽车上的应用也主要集中在车身、动力总成、悬架与底盘等系统。

图3 铝合金在汽车上的应用

国内外车身上使用铝合金的主要汽车品牌都已经尝试在车身上应用铝合金，目前以覆盖件为主；在车身结构件上大量使用铝板的车型目前只有少数豪华车和超跑。

图4 使用铝合金的主要汽车品牌

奥迪全铝车身技术将逐步下探到中高端车型；通用未来将重点推广铝合金在车身上的应用，并且逐渐从凯迪拉克高端车型平台下探到英朗等经济适用车型。

图5 铝合金在车身上的应用

在新能源汽车领域，铝合金的用途也非常广泛，纯电动车替代燃油车后，电池取代发动机成为动力来源。对于之前的燃油车，发动机的缸体有14kg，而一个电池包壳体的重量为15-20kg，并且，新能源汽车的后副车架、减震塔等零件对铝合金的需求也会逐渐上来。所以，新能源汽车上用的铝合金件并不会比传统燃油车要少。

图6 蔚来ES8车身上的铝制冲压件

分类介绍

车用铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。其简要工艺介绍和应用情况见表1所示。

表1 铝合金分类及应用

铸造铝合金约占汽车用铝量的80%，可用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件；变形铝合金(锻造铝合金和铝合金板材)在车身零件及结构件的应用方面也发展较快，主要应用于发动机盖、翼子板、保险杠、车厢底板结构件、热交换器、车轮以及车身骨架等。

图7 铝合金减震塔轻量化效果

图8 铝合金铸造减震塔实物

变形铝合金是经熔炼铸成铝锭后，再经过热挤压加工成各种型材、棒材、管材和板材。目前铝合金的分类是根据日本的JISH4000标准，将铝合金从1000-7000进行分类，用于汽车车身钣金的铝合金主要有2000系列、5000系列和6000系列，其中5038和5183的应用最为广泛。

表2 常用变形铝合金牌号及用途

2000系合金属于Al-Cu-Mg系，是一种热处理可强化的铝合金，其具有优良的锻造性、较高的强度和良好的焊接性能，强化相为CuMgAl2和CuAl2。2000系铝合金由于表面质量较好，所以在车身覆盖上应用比较广泛，但是由于2000系铝合金的抗腐蚀性相对于其他铝合金都要差，容易发生应力腐蚀开裂、点蚀和剥落腐蚀等，这也限制了2000系在车身板材上的进一步发展。

5000系合金中Mg是主要的合金元素，固溶于铝基体中，形成固溶强化效应，是一种热处理不可强化的铝合金。5000系铝合金板材通常应用于强度要求不高，形状复杂，对外观品质要求较低的覆盖件内板、空气清洁罩、挡泥板、承载地板等。

图9 5系与6系铝合金机盖

6000系合金中主要的合金元素是Mg和Si，并形成Mg2Si相，属于热处理可强化铝合金。Al-Mg-Si合金具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性。与钢板相比，6000系-T4态板材的屈服强度和抗拉强度相近，硬化系数n值甚至超过钢板。6000系一般应用于顶盖、行李箱盖、车门等车身结构件，由于6000系铝合金的成型性能相对不高，所以在形状复杂的部位应用较少。

图10 5000系铝合金与6000系铝合金对比

汽车上用的铝合金，除了常用的2系、5系和6系，最近，还有车企将7系铝合金用于汽车制造。7系铝合金以锌为主，有时要添加少量镁、铜。其中超硬铝合金就是含有锌、铅、镁和铜合金，媲美钢材的硬度。挤压速度较6系合金慢，焊接性能好。7005和7075是7系中的最高档次，可热处理强化。应用范围：航空方面（飞机承力构件、起落架）、火箭，螺旋桨，航空飞船。

图11 温成形7系铝合金B柱加强板

应用瓶颈

虽然近几十年来，铝合金在车身上的用量明显增加，但是与汽车钢板用量相比还是有非常明显的差距，制约铝合金在汽车上发展的主要因素有：

（1）原料成本。以西方国家大批量生产的6011和6016铝合金汽车覆盖件板材的市场价格约为每吨38000元左右，而汽车钢材的市场价格仅为每吨8000元左右，去除密度的差异，铝合金的材料成本任然要比钢材高出很多。

（2）铝合金的力学性能低于钢材。由下图可知，铝合金的强度和延展性甚至比大部分的第一代高强度还低，加上最近第三代高强钢的兴起，进一步压榨了铝合金在车身结构件上的发展。

图12 近50年车用铝合金用量

（3）研发、生产投入大。如果大量采用铝合金来代替普通钢板的话，汽车生产企业不仅需要大量的费用来重新设计和验证现有的标准和体系，同时企业现有的冲压、焊装等工艺都得进行大幅度的调整，甚至需要更换现有的产线等，这都极大的增加了企业的风险和成本，这也是制约铝合金材料在车身上进一步发展的关键因素。

总结

新材料的应用是汽车实现轻量化的关键，为实现汽车轻量化目标，世界各大汽车主机厂和材料厂家一直致力于轻量化材料的研发。轻量化材料的使用，可以大大减轻汽车自重，提高汽车的燃油经济性。

本文对铝合金在汽车上应用的各方面情况作了简单介绍，目前铝合金在应用中主要存在3个问题：铝合金的普及率不高、成本较现有方案高和部分应用问题尚未解决。

小编看来，随着铝制件的工艺完善并投入实车应用，车用铝合金技术的逐渐成熟，各种结构、工艺的研究，量变必将引起质变，铝合金的大量使用指日可待！对铝车身及铝合金零件的研究是我们钢铝混合车身的必经之路。