中國汽車鋁材及鋁合金最新成就
2026年04月27日 11:35 6109次瀏覽 來源: 中國有色金屬報 分類: 鋁 作者: 王祝堂
表1 新型WZL系列鑄造鋁合金的力學(xué)性能
表2 6XXX系WHS系列合金的力學(xué)性能
表3 魏橋新型高強高韌6XXX系合金在汽車上的應(yīng)用
表4 WZL系列合金在汽車上的應(yīng)用

在上海鋁工業(yè)展展出的全鋁汽車車身
汽車與鋁
鋁的商業(yè)化生產(chǎn)始于1888年,隨后不久全鋁車身汽車就面世了,并創(chuàng)造了世界陸地交通工具速度紀錄(106公里/小時),但之后因為那個年代汽油價格低廉,加之當時社會環(huán)保意識不強,消費者對汽車輕量化要求也不高,鋁在汽車中的應(yīng)用就沒有得到太多重視。到了1973年,這種觀點發(fā)生了根本性變化,因為石油危機出現(xiàn)了,同時環(huán)保意識也突然被意識到了。為了節(jié)約能源,保護日益嚴峻的地球環(huán)境,鋁合金便迅速重新進入了汽車工業(yè)。
從節(jié)能、減重、環(huán)保及安全出發(fā),鋁合金因密度小、比強度高、抗蝕性強、易加工成形等優(yōu)點,在汽車上的用量不斷提升。
通常,每使用1千克鋁合金,汽車自身質(zhì)量就下降2.25千克,車重每減輕1千克,每行駛100公里就可節(jié)省0.7千克汽油。美國鋁業(yè)公司就鋼體、鋁體汽車在整個使用周期內(nèi)(從制造下線到報廢)的能耗進行了對比試驗。結(jié)果表明,鋁車的能耗比鋼車的低25%。即使報廢汽車的鋼鐵和鋁合金不回收,當行程超過19萬公里以后,鋁車的經(jīng)濟效益就可以超過鋼車,更不用說鋁車減少CO2排放對環(huán)境保護的貢獻了。汽車每年消耗大量能源,環(huán)境污染十分嚴峻,解決辦法有兩個:一是減輕車的自重;二是采用新能源車。鋁合金新能源汽車具有一系列優(yōu)點:鋁合金材料有良好的可加工成形性能,易于加工制造汽車結(jié)構(gòu)件,鋁合金的抗蝕性高,在二三十年的使用期間,幾乎沒有化學(xué)性腐蝕,熔點也不高,便于回收重熔,重熔能耗僅相當于原鋁提取能耗的3.5%~4.5%。2021年,全世界發(fā)達國家在汽車的鋁合金中,再生鋁合金約占85%;在中國用的汽車鋁合金中,再生鋁合金也占70%以上。新能源汽車是在不減少汽車容積的情況下減輕汽車自重,其車身重心降低,行駛更安全、乘坐更舒適。由于鋁合金性能及車身構(gòu)造特點,能充分吸收撞擊能量。
20世紀80年代末,美國試驗了一種結(jié)構(gòu)件全用鋁合金制備的轎車,車重僅有0.705噸,最大時速為185公里/小時,在城市街道中行駛油耗為23.8公里/升,在高速公路行駛油耗為34.4公里/升,以54公里/小時的速度迎面相撞,其后面的乘坐室也不會損壞。
鋁合金不會燃燒,即使溫度超過熔點,也只熔化為液態(tài),不像鎂合金那樣即刻猛烈燃燒,發(fā)出白光。另外,鋁合金新能源車采用整體空間框架,焊點少,只有25%~35%的結(jié)構(gòu)件需點焊,加工工序大為減少,因而裝配效率大幅提高,且生產(chǎn)成本下降。
汽車鋁合金
就鋁材的應(yīng)用領(lǐng)域來說,鑄造鋁合金在汽車工業(yè)(建筑/結(jié)構(gòu)除外)領(lǐng)域應(yīng)用最多。2021年,全世界汽車工業(yè)鋁消費量約為965萬噸。汽車工業(yè)用的鋁可分為鑄造鋁合金和加工鋁材合金,鑄造鋁合金用得最多,幾乎約占75%,加工材(板帶材、擠壓材、鍛件、泡沫材、復(fù)合材)僅占25%左右。
在鑄造鋁合金中用得最多的是Al-Si系合金,約占85%~90%,用的合金主要是380、A319和A356合金。鑄件為發(fā)動機零件:缸體、缸蓋、搖臂、活塞、水泵、節(jié)溫器座、機油泵殼、發(fā)動機支架、曲軸油封座、分電器支座等;傳動系統(tǒng):離合器殼、變速箱、連接過濾板、撥叉、傳動箱后蓋、傳動箱、換擋端蓋等;行走系統(tǒng):上下臂、橫梁、制動鉗、轉(zhuǎn)向機殼、制動總泵殼、車輪等。
鋁合金在轎車上的應(yīng)用有65%用在發(fā)動機上。鋁合金制造發(fā)動機零件有兩大優(yōu)點:一是減重效果明顯;二是鋁合金的熱導(dǎo)率比鋼鐵的高得多。鋁車輪優(yōu)點:減重、節(jié)能、耐蝕、美觀。鋁合金車輪的減重效果:鋁合金車輪重5千克/只~6千克/只,鋼車輪重7千克/只~9千克/只,每只車輪減重2千克~3千克,每輛車減重8千克~12千克。世界主要汽車生產(chǎn)國汽車鋁合金鑄件占鋁合金鑄件總產(chǎn)量的60%~80%。
加工鋁合金
汽車用的鋁合金板帶材、擠壓材、鍛件、泡沫材和復(fù)合材等都是用變形鋁合金加工的,鋁合金空間框架由鋁合金擠壓件和內(nèi)部焊接鋁合金壓鑄接頭經(jīng)自動焊接形成。與傳統(tǒng)的鋼車身相比,鋁合金車身約輕40%,力學(xué)性能也有所提高,零部件也少得多,減少了加工工序,提高了裝配效率。
鋁合金空間框架可用中等強度的鋁材制造,板材可用5052、5251、5454、5182和6009合金。擠壓型材只要是空心的即可,關(guān)鍵是輕薄化,適當?shù)膹姸扰c其它材料易結(jié)合,結(jié)合部斷面形狀設(shè)計合理等。
熱交換鋁
在普通的燃油車上有大量熱量需要向外散發(fā),制造散熱器、空調(diào)器、冷凝器和蒸發(fā)器等熱交換零部件需用不少鋁材,新能源汽車雖也有一定量的熱量需要對外散發(fā),但比傳統(tǒng)汽車的少得多。
擠壓材
轎車的防沖撞擋、油管、塑料件框架、發(fā)動機和車身托架、各種橫梁、連接件、橡膠軟管接頭等都可以用擠壓鋁材制造。擠壓鋁材在傳統(tǒng)汽車中的應(yīng)用約占鋁材總用量的7%,在新能源汽車中的應(yīng)用約占15%。
鍛件
鍛件在汽車中的應(yīng)用又“少”又“小”,“少”是指數(shù)量不多,即使把鍛造車輪計算在內(nèi),也不超過16件,“小”是指每件的質(zhì)量不大,鍛輪是最大鍛件,但鍛輪很少,還不到車輪總數(shù)的1.2%。鍛件在汽車結(jié)構(gòu)件中起著很重要的作用,因為都是受力工件。
近期汽車鋁材新進展
近年來,汽車鋁材取得了不少新進展,盡管如此,但并沒有出現(xiàn)有突破性進展的新合金,都是對原有合金成分與生產(chǎn)工藝做適當?shù)母倪M與調(diào)整,使合金的性能有所改善與提高,且中國尚未出現(xiàn)性能有30%以上提高的新型鋁合金。
泡沫鋁合金及鋁復(fù)合材料、噴射成形坯料加工材
對汽車工業(yè)來說,泡沫鋁合金及復(fù)合鋁材是一類新材料。泡沫鋁合金材料工藝性能好,可進行切削、鉆孔、彎曲成型與膠接,也可以釬焊和壓焊。泡沫鋁合金剛性大、耐高溫、不可燃、回收再生性強、吸收沖擊能力強、吸聲性能好、抗壓能力高、閉孔型的絕熱能力強,而通孔型的則散熱能力大。
對于鋁復(fù)合材料除了要求高強度和耐磨性外,還要求有相當強度的鋁合金及其它材料的良好替代者。目前,典型的鋁基復(fù)合材料是AlB03,顆粒增強的6061、2014或7005變形鋁合金和SiC顆粒增強的鑄造鋁合金(A356和357)。最具成本競爭力的合金是用常規(guī)鑄錠冶金法生產(chǎn)的。
高硅過共晶型合金
Al-25Si-4Cu-Mg合金是一種過共晶型合金,具有密度小、熱脹系數(shù)低、體積穩(wěn)定性好和耐磨耐蝕性好、彈性模量高等特點,并具有一定的高溫強度。作為高溫、高負荷、高速滑動摩擦結(jié)構(gòu)件耐磨材料,該合金廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機、壓縮機的活塞、轉(zhuǎn)子、氣缸襯套、進氣門及氣門座等。由于該合金的Si含量高達25%,采用常規(guī)熔鑄制備工藝時存在初晶硅顆粒粗大、共晶硅呈針片狀等問題。噴射成形作為一種快速凝固技術(shù),已成為高硅含量鋁合金材料的主要制備工藝之一。如德國PEAK公司采用噴射成形工藝生產(chǎn)的Al-25Si-4Cu-Mg合金氣缸套已大量應(yīng)用在奔馳、奧迪、寶馬等高端汽車發(fā)動機中。該合金正在由南京航空航天大學(xué)馬萬太教授等研發(fā)。
山東魏橋輕量化基地系列汽車新合金
山東魏橋輕量化基地位于山東省鄒平市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū),由山東魏橋創(chuàng)業(yè)集團投資建設(shè),是中國在建的最大的輕量化新能源汽車產(chǎn)業(yè)化基地之一?;乇?ldquo;高起點、高科技、高附加值、綠色環(huán)保”的發(fā)展理念,聯(lián)合中國科技大學(xué)、蘇州大學(xué)、蘇州奧杰公司、航橋科技鍛造公司、廣州和德公司等國內(nèi)外研究機構(gòu)和骨干生產(chǎn)企業(yè),充分發(fā)揮高端技術(shù)和鋁電一體化的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,以新能源汽車用系列高強高韌合金新材料開發(fā)為核心,積極開拓交通運輸用輕量化合金材料市場,并致力于汽車輕量化系統(tǒng)解決方案,與新能源汽車零部件、汽車配件、汽車制備等典型產(chǎn)品的深度融合,共同打造國內(nèi)最先進、全流程的輕量化研發(fā)、試驗、制造基地,未來還將擴展到軌道交通、海上工程等領(lǐng)域輕量化材料及零部件的研發(fā),實現(xiàn)零部件制備和深加工產(chǎn)業(yè)化。
當前,山東魏橋輕量化基地具備從原鋁、鋁熔體到總成集成的全產(chǎn)業(yè)鏈、系統(tǒng)化的輕量化產(chǎn)業(yè)能力,實現(xiàn)了鋁熔體不落地的產(chǎn)業(yè)模式,減少了加工環(huán)節(jié),提高了成型效率并有效地降低了生產(chǎn)成本。
山東魏橋輕量化基地已形成完整的研發(fā)體系和研發(fā)團隊,擁有230多位研發(fā)人員和近30多位國內(nèi)外知名的頂級專家教授,涵蓋了材料研發(fā)、工藝研究、零部件設(shè)計及整車設(shè)計、制備和試驗等,以及成套的試驗、檢測設(shè)備、儀器等。
山東魏橋輕量化基地的研發(fā)人員根據(jù)汽車不同部位在實際使用工況中對于強度、疲勞性能、抗蝕性等性能,開發(fā)出了一系列新型高強韌變形鋁合金(WHS系列)和新一代高強韌鑄造鋁合金(WZL系列),其性能均比傳統(tǒng)同類合金的高20%以上。
WZL系列高強韌鑄造鋁合金是傳統(tǒng)Al-Si系鑄造鋁合金的優(yōu)化,對傳統(tǒng)合金化元素Mg、Cu的含量作了精細的調(diào)整,使合金元素含量配比恰到好處,發(fā)揮了合金元素的最大作用,同時采用了獨特的晶粒細化方法,解決了Al-Si系鑄造鋁合金變質(zhì)與細化不能同步進行的難題,實現(xiàn)了材料韌性的大幅提升。通過使用魏橋集團高品質(zhì)原鋁與先進的成形和熱處理技術(shù),實現(xiàn)了制備出WZL鑄造合金車用結(jié)構(gòu)件的性能比傳統(tǒng)合金高20%以上的重大突破。WZL系列合金應(yīng)用于鑄造汽車底盤非碰撞安保件與車身框架。WZL系列鑄造汽車件的性能見表1。
WHS系列新型高強韌變形鋁合金是通過優(yōu)化合金中主元素Mg、Si、Cu含量,調(diào)控不同析出相的種類與數(shù)量,實現(xiàn)材料性能與成型的精準調(diào)控,同時使用Mn、Cr、Zr等元素的微合金化,實現(xiàn)變形組織的靶向可控對性能的進一步提升與服役性能的大幅提升。通過使用魏橋集團高品質(zhì)原鋁、鋁熔體,以及先進的成形和熱處理技術(shù),制得WHS合金車用結(jié)構(gòu)件的性能比傳統(tǒng)合金性能高20%以上,應(yīng)用于汽車底盤非碰撞安保件和車身框架。
WHS系列車用新合金的力學(xué)性能見表2,它們的應(yīng)用見表3,WZL系列鑄造鋁合金的應(yīng)用見表4。
山東魏橋輕量化基地在研發(fā)高性能泡沫鋁材方面也做了不少工作,成就不凡。他們采用變壓泡工藝制備鋁基泡沫材料,通過對泡沫鋁施孔結(jié)構(gòu)的主動控制,實現(xiàn)泡沫鋁孔徑的精確控制,以及實現(xiàn)泡沫鋁構(gòu)件的直接成型,并通過開發(fā)一次成型技術(shù)和夾芯板半連續(xù)制造技術(shù),在增加產(chǎn)品附加值的同時降低生產(chǎn)成本,從而保持市場的競爭力。泡沫鋁主要用于航空航天器、艦船、汽車、地鐵、建筑等行業(yè),作緩沖、隔聲和吸聲材料,市場前景廣闊,經(jīng)濟和社會效益顯著。
鋁基泡沫材料的特性如下:0.25g/cm3~0.8g/cm3超低密度,為鋁密度的0.1倍~0.4倍;其抗彎比剛度為鋼的1.5倍;高吸能性,具有2MPa~10 MPa的吸能平臺,電阻率為純鋁的100倍;吸聲系數(shù)>0.9,降噪系數(shù)0.5;機械震動降低2個數(shù)量級,阻尼性能為鋁的5~10倍;爆炸沖擊波呈指數(shù)衰減。能量吸收能力3J/cm3~61J/cm3;電磁波頻率為2.6GHz~18 GHz時,泡沫鋁的電磁屏蔽量可達60dB~90dB,可使電磁干擾降低60%。
山東魏橋輕量化產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已擁有4大基地:鄒平基地、濱州基地、華東基地、華中基地;擁有各種產(chǎn)品總產(chǎn)能:鍛件300萬件/年,鑄件1700萬件/年,型材20萬噸/年,沖壓50萬套/年,車身及總成件100萬臺件/年,泡沫鋁3萬m3/年。
中鋁新材料有限公司總部落戶無錫
中鋁新材料有限公司由中國鋁業(yè)股份有限公司整合旗下約30家企業(yè),于2022年8月11日成立,總部落戶無錫,總資產(chǎn)規(guī)模190億元,主要聚焦事關(guān)發(fā)展全局和國家安全的基礎(chǔ)核心領(lǐng)域,持續(xù)推進高純Al2O3及鑄造金屬部件(CMP)精密拋光、氧化鋁氣凝膠、5G射頻芯片用鎂鋁等尖晶石等技術(shù)產(chǎn)品科技研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。未來三五年,每年研發(fā)投入將達4%以上,專精特新產(chǎn)品占比每年提高10%,公司將發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)布局完整、研產(chǎn)銷高度融合,涵蓋生產(chǎn)經(jīng)營、基礎(chǔ)研究、應(yīng)用評價、裝備研發(fā)、新產(chǎn)業(yè)孵化、國際合作等功能的現(xiàn)代化企業(yè)。
新疆眾和6N級以上超高純鋁
2022年2月17日,新疆眾和股份有限公司對外公布6N(99.9999%)級以上超高純鋁研發(fā)成功,填補了國內(nèi)空白。6N級以上超高純鋁研發(fā)成功為中國高端半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提供了穩(wěn)定的超高純鋁材料,實現(xiàn)了超高純鋁提純技術(shù)的歷史性突破。
南山鋁業(yè)一種含Sc的Al-Cu合金獲中國專利
據(jù)2022年4月7日媒體報道,南山鋁業(yè)股份有限公司自主研發(fā)設(shè)計的“一種含Sc的Al-Cu系耐熱鋁合金及其制備方法”榮獲國家發(fā)明專利。南山鋁業(yè)專注于鋁及鋁合金新工藝、新技術(shù)、新材料和新裝備的研發(fā),其專利發(fā)明數(shù)量、質(zhì)量占比穩(wěn)步上升,有效推動了企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新,增強了企業(yè)的綜合競爭力。
西南鋁大型鋁合金異形環(huán)件開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目通過驗收
2022年4月20日,重慶市科技局委托重慶生產(chǎn)力中心組織專家組,對西南鋁業(yè)(集團)有限責(zé)任公司承擔(dān)的“技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展(重點研發(fā)產(chǎn)業(yè)類)”項目“大型高性能鋁合金異形環(huán)件開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”進行了驗收,順利通過了驗收。
有研金屬復(fù)材技術(shù)有限公司高導(dǎo)熱石墨鋁復(fù)合材料建設(shè)完成
有研金屬復(fù)材技術(shù)有限公司主要從事有色金屬復(fù)合材料、大直徑鋁合金細晶均質(zhì)鑄錠、鋁合金固態(tài)成型、特種塑性加工、金屬增材制造技術(shù)和鋁合金半固態(tài)成型技術(shù)研究,且處于行業(yè)領(lǐng)先地位,研發(fā)人員占比超過50%,是一家以市場需求為導(dǎo)向的科技創(chuàng)新型公司。
有研金屬復(fù)材技術(shù)有限公司高導(dǎo)熱石墨鋁復(fù)合金同時具備新材料、新工藝、新裝備“三新”特色的原創(chuàng)性材料,該項目于2022年8月29日完成建設(shè)。
儲氫用鋁合金新材料
山東能源輕合金公司于2022年3月成功研發(fā)出儲氫大規(guī)格高精度鋁合金型材,具有重容比小、單位質(zhì)量氫密度高等優(yōu)點,有效地破解了氫能存儲應(yīng)用的技術(shù)瓶頸,達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。該產(chǎn)品應(yīng)用于氫燃料電池車載高壓儲氫系統(tǒng),滿足了高表面質(zhì)量、高尺寸精度的技術(shù)要求。
耐損傷的鋁-鋰合金
中國專利CN201010520987.1合金是一種耐損傷的Al-Li合金,其質(zhì)量分數(shù)(%):Cu2.8~4.0, Li0.8~1.9,Mn0.20~0.60,Zn0.20~0.80,Zr0.04~0.20,Mg0.20~0.80,Ag0.1~0.7,Si≤0.10,F(xiàn)e≤0.10,Ti0.12,其它雜質(zhì)單個≤0.05、總量≤0.15,其余為Al。該合金適于制造薄板,可用于航空航天、核工業(yè)、交通運輸、體育器材、兵器等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)元件。
西北工業(yè)大學(xué)的高強韌增材制造鋁合金
2022年3月,西北工業(yè)大學(xué)金屬高性能增材制造研究團隊與比利時荷語魯汶大學(xué)制備出一種適用于L-PBF技術(shù)的新型Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金,具有中等的加工硬化能力、良好的強度和韌性匹配性,有良好的L-PBF加工性能,又不存在凝固裂紋或明顯氣孔,同時,兼具高強度和延展性,以及中等的加工硬化能力。
高強高塑的6005C合金
據(jù)2022年9月媒體報道,興發(fā)鋁業(yè)集團研究院的工業(yè)鋁開發(fā)團隊通過優(yōu)化設(shè)計成分和精細調(diào)控生產(chǎn)工藝,成功開發(fā)出高強度、高塑性的6005C新合金,攻克了強度相與塑性相互制約難題,實現(xiàn)了強度與塑性的同步大幅度提高。6005C的抗拉強度≥340MPa,屈服強度≥315 MPa,伸長率≥15%,韋氏硬度≥15.5HW。與目前常用的6005、6005A合金相比,強度提高了20%,塑性提高了40%。值得一提的是,6005C合金的綜合性能不僅顯著高于目前常用的6005、6005A合金,也高于目前常用的6061、6082鋁合金,且生產(chǎn)成本可控,具有很強的市場競爭力,可在新能源汽車、軌道車輛、電子電器、機械裝備等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
無獨有偶,美國奧科寧克(Arconic)鋁業(yè)公司于2020年研發(fā)成功一種牌號為A210 ExtruStrongTM的6XXX系合金,用于制造汽車碰撞結(jié)構(gòu)件,它的強度性能比同類型現(xiàn)有合金高40%,同時,還有高的抗蝕性能與良好的樣機氧化性能,其他抗疲勞性能比其他合金約高30%,該合金還可應(yīng)用于其他工業(yè)部門。
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