汽车轻量化是降低能源消耗、减少污染物排 放最有效的措施之一。近年来,随着汽车产量和保 有量的持续增加,我国面临的能耗、安全、环保等 问题日益突出,汽车轻量化技术成为推动汽车工业 可持续发展、提高汽车燃油经济性、减少汽车尾气 排放的重要手段。汽车轻量化,是指在保证汽车功能性与安全性的前提下,尽可能地降低汽车的自身 质量,达到节能减排的目的。轻量化设计、轻量化 材料与轻量化制造是轻量化技术的三个主要组成部 分 [1,2],一种新的轻量化技术能否在汽车上获得应 用主要受其减重收益与成本增加关系的影响:只有 当减重收益大于成本增加时,轻量化技术才能够在汽车上获得真正应用。本文将综述铝合金、镁合金 两类轻金属材料及其成型技术在汽车相关领域的发 展动态。

《一、铝合金 》

一、铝合金

铝合金的密度大约是钢铁密度的 1/3,是汽车中 应用最广泛的轻质材料。研究表明,用铝合金代替 低碳钢、铸铁或者高强钢,可以实现 30%~60% 的 减重效果,每千克铝合金的使用可以减少 13~20 kg 温室气体的排放 [3]。以铝代钢是汽车轻量化技术的 一个发展趋势,在豪华车型上的使用更加明显。 汽车用铝合金主要包括变形铝合金和铸造铝 合金,其中铸造铝合金占主导,约为汽车用铝量的 80 %,主要用于制造发动机缸体、缸盖、离合器壳、 保险杠、车轮等,变形铝合金主要用于车身覆盖件 的制造,如奥迪A8全铝车身。此外,铝基复合材料、 泡沫铝、粉末冶金铝合金也在汽车中有所应用。本 节从铝合金新材料、成型新技术、新应用等方面介 绍国内外相关轻量化技术的研究与应用动态。

《(一)新材料》

(一)新材料

1. 非热处理压铸铝合金 针对铝合金薄壁压铸件,上海交通大学开发了 JDA1(Al-Si-Mn-Mg-RE)[4]和JDA2(Al-Mg-Si-Mn)[5] 铝合金,两类铝合金的特点是不需要经过高温固溶 处理和人工时效,仅通过自然时效即可达到较高的 强度和塑性,室温拉伸性能如表 1 所示。JDA1 具有 优秀的压铸工艺性能和良好的机械加工性能、可焊 性、抛光性能、延展性,常规压铸后自然时效即可 达到德国 Silafont36 铝合金 T6 热处理后的力学性能。 JDA2 密度比纯 Al 小,压铸工艺性能良好,具有优 异的抗腐蚀性能和良好的可焊性、抛光性能、延展 性,常规压铸后自然时效即可超过德国 Magsimal59 铝合金 T6 热处理后的性能。两类非热处理压铸铝合金特别适合生产薄壁类的汽车部件。

《表 1》

表 1  JDA1 和 JDA2 铝合金室温拉伸性能

JDA1 铝合金目前已经在通用汽车 Cadallac-CT6 上获得了批量应用,用于制备发动机支架 (底盘系统),如图 1 所示。

2. 高韧性压铸铝合金

针对压铸铝合金塑性较低的问题,英国伯明翰 大学 Fan Z 团队 [6] 开发了高韧性压铸铝合金,该 合金含有 5.0 wt%~5.5 wt% Mg、1.5 wt %~2.0 wt % Si、0.5 wt %~0.7 wt % Mn、0.15 wt %~0.20 wt % Ti 和 <0.25 wt % Fe,经过压铸成型后,as-cast 试棒室 温力学性能为:屈服强度为 150 MPa、抗拉强度为 300 MPa、伸长率为 15 %,可以满足车身对高塑性 压铸铝合金的需要。

《(二)成型新技术》

(二)成型新技术

1. 铝合金大型部件真空压铸技术

针对常规铝合金压铸件内部气孔较多的问题, 上海交通大学通过开发高真空压铸系统,包括模具 抽真空系统、真空截流排气阀、密封设计及排气管 路布置等,实现了真空控制系统与压铸机压射控制 系统的高效联合,在凤阳爱尔思轻合金精密成型有 限公司 3 550 t 大型精密卧式压铸机上完成了铝合金 V6 发动机缸体(发动机系统)的压铸成型,如图 2 所示。大型铝合金部件的高真空压铸技术将成为未 来汽车部件成型技术的主流发展方向。

《图1》

图 1  JDA1 铝合金发动机支架 ( 底盘系统 )

 

《图2》

图 2 铝合金 V6 发动机缸体压铸现场照片

 

2. 铝合金半固态流变压铸技术

半固态金属显微组织均匀,在切应力作用下具 有很好的流动性,不易产生缺陷和偏析,可以通过 热处理进一步提高铸件力学性能,因此与常规液态 压铸成型相比,半固态压铸技术具有显著的优势。 为了降低半固态压铸生产成本,充分利用铝合金流 变压铸的优势,北京有色金属研究总院设计开发了 铝合金半固态浆料在线制备系统,成功地实现了半 固态浆料在线制备与零件压铸成型动态匹配,目前 已经完成铝合金卡钳、气室支架、抗扭连杆、左中 支架等汽车底盘系统部件的试生产,每个部件实现 减重 35 %~48 %。铝合金半固态卡钳及其显微组织 如图 3 所示。由于铝合金半固态流变压铸技术的成 本仅稍高于常规压铸,其在汽车零部件中的应用前 景非常广阔,特别适合 10 kg 以下部件的大批量压 铸制备。

《图3》

图 3 铝合金半固态流变压铸卡钳 ( 底盘系统 ) 及其内部 显微组织(T6 处理后共晶硅呈细小弥散分布)

 

3. 铝合金卡车轮毂旋压成型技术

铝合金轮毂(底盘系统)替代商用车钢轮毂 具有重要的节能减排效果,在乘用车领域已经成 为主流。2016 年,国内铝合金卡车轮毂呈现爆发 式增长。铝合金卡车轮毂目前主要采用锻造 + 旋 压(锻旋)技术制造,图 4 为山东镁卡车轮有限 公司生产的锻旋铝合金卡车轮毂。除了锻旋技术 之外,上海交通大学针对卡车轮毂还研发了厚板 旋压成型技术:选用 35 mm 铝合金中厚板材为初始坯料,采用强力弯曲旋压将铝合金板材中部 材料成形轮辐,将铝合金板材边部材料预成形轮 辋,采用劈开旋压将预成形轮辋劈开为轮辋前片 坯料和后片坯料,采用强力变薄旋压将前片坯料 和后片坯料分别成形轮辋前片和轮辋后片。与锻 旋技术相比,厚板旋压成型技术无需预制锻造毛 坯,设备和工艺简单、材料利用率高、加工成本低、 生产效率高,节约成本可达 60 %,有望成为铝合 金卡车轮毂的另一主流成型技术。

《图4》

图 4 山东镁卡车轮有限公司生产的锻旋铝合金卡车轮毂

 

《(三)新应用》

(三)新应用

1. 铝基复合材料制动盘

随着轻量化技术的发展,铝合金复合材料逐步 开始在汽车制动盘(底盘系统)上应用。2014 年 苏黎世联邦理工学院和卢塞恩应用科学与艺术大学 打造的电动赛车 Grimsel 实现了百公里加速 1.785 s 的方程式赛车记录,该电动汽车制动盘即采用了 SiC 颗粒增强铝基复合材料。相对于常用的灰铸铁, SiC 颗粒与铝基复合材料具有低密度和高导热性优 点,制动盘减重高达 50 %~60 %。

2. 全铝车身逐渐普及

自从奥迪 A8 采用全铝车身之后,全铝车身 在乘用车上的应用正逐渐普及。2016 年 1 月,北 京新能源汽车股份有限公司生产的 EX 微型纯电 动汽车(量产版)采用了轻量化的全铝车身设计。 2016 年 2 月,奇瑞新能源汽车技术有限公司年产 6 万辆铝合金骨架车身纯电动乘用车项目在安徽 省芜湖市弋江区高新技术开发区开工建设,主要 生产 S51EV、S61EV、A0-SUV EV 纯电动乘用车 型。2016 年 4 月,奇瑞捷豹路虎汽车有限公司常 熟工厂全铝车身车间竣工投产,其制造的全新捷 豹 XFL 长轴距版全铝车身轿车铝化率高达 75 %, 其车身为铝合金板,车身架构为铝合金挤压型 材,以压铸件、铸件作为节点连接件,车身质量 仅 297 kg。上海通用汽车有限公司凯迪拉克工厂 制造出高铝化率 CT6 车型:采用轻量化车身设计 的凯迪拉克 CT6 车型轿车车身,其铝材占比达到 57.72 %。2016 年 1 月,广西源正新能源汽车有限 公司的 18 辆全铝车身新能源公交客车整车集中下 线并投放到南宁市公交线路,目前该公司的全铝 车身轻量化技术已成功应用于 6~18 m 全系列城市 新能源公交客车。

《二、镁合金 》

二、镁合金

作为最轻的金属结构材料,镁合金在汽车上的 应用备受期待,镁合金结构件可以在铝合金结构件 的基础上实现 30 % 左右的减重效果。尽管 20 世纪 30 年代镁合金即开始应用在汽车上,但到目前为止 其在汽车上的应用仍十分有限,主要原因是镁合金 易氧化燃烧、成型较困难,强度与塑性、耐腐蚀性 能较差,难以满足汽车的应用要求。本节从镁合金 新材料、成型新技术、新应用等方面介绍国内外相 关轻量化技术的研究与应用动态。

《(一)新材料 》

(一)新材料

1. 高性能镁稀土合金开发

针对汽车等领域对轻量化结构件的需要,解决 镁合金强度、塑性、耐热性能、耐腐蚀性能较差 的核心问题,上海交通大学开发了 JDM1—JDM4 系列镁稀土合金 [7~11],其典型拉伸力学性能如 表 2 所示。

JDM1 镁合金 [7,8] 是 Mg-Nd-Zn-Zr 系 合 金, 采用弥散 Zr 化合物和垂直基面的 β′′(Mg3Nd)亚 稳态析出相的协同强化,利用微量锌、锆元素促 进室温非基面位错滑移的韧化机制,合金典型的 室温力学性能为屈服强度为 140 MPa、抗拉强度为 300 MPa、伸长率为 10 %。

JDM2 镁合金 [9] 是 Mg-Gd-Y-Zr 系合金,采用 镁–重稀土系合金共格时效析出相为主要强化方式, 合金典型的室温力学性能为屈服强度为 230 MPa, 抗拉强度为 340 MPa,伸长率为 3 %。JDM2 变形 镁合金在引入织构强化机制以后,获得了室温抗拉 强度超过 500 MPa,屈服强度超过 450 MPa、伸长率大于 10 % 的优异力学性能。

JDM3 镁合金 [10] 是 Mg-Gd-Y-Zn-Zr 系合金, 在 JDM2 基础上,引入适量小原子 Zn,使得部分 稀土元素与 Zn 原子形成高温稳定的长周期堆垛有 序(LPSO)结构,由于 LPSO 具有良好的高温稳 定性和抗扭折能力,与析出相的惯习面垂直,形 成“LPSO+ 析出相”共存强化单元。JDM3 镁合金 300℃实验室试棒抗拉强度 >250 MPa。

JDM4 镁合金 [11] 是 Mg-Gd-Y-Ag-Zr 系合金,在 高强度 JDM2 合金基础上,通过 Ag 元素微合金化调 控镁稀土合金中沉淀析出相形态,形成“棱柱面析 出相 + 基面析出相”复合强化。JDM4 镁合金的室温 屈服强度超过 300 MPa,抗拉强度可以达到 420 MPa。

《表 2》

表 2 JDM1—JDM4 镁稀土合金典型力学性能

2. 高导热压铸镁合金

针对轻量化散热部件的需要,上海交通大学 开发了一种具备较高强度、良好导热性能的压铸 镁合金 [12],其导热系数 >100 W/m·K,屈服强度 >120 MPa,中性盐雾腐蚀性能与商业 AZ91D 相当。 目前,高导热压铸镁合金已经完成小规模压铸生产, 可用于生产有散热要求的汽车零部件。

3. 高韧性压铸镁合金

针对现有压铸镁合金塑性较差的问题,中国 科学院长春应用化学研究所孟建课题组 [13] 采用 稀土元素 Sm 代替 AE44 中的 LaCe 混合稀土,通 过压铸制备了 Mg-4Al-4Sm-0.3Mn(wt %)镁合 金,室温下该合金的伸长率可达 21 %,屈服强度 为 157 MPa,抗拉强度为 245 MPa,相对于传统的 AE44 伸长率提高了近一倍。伸长率显著提升主要 得益于材料中第二相形态的改变,如图 5 所示。

4. 高速挤压变形镁合金 日本国立物质材料研究所(NIMS)与国立长冈技术科学大学共同发明了新型高强度变形镁合金 (Mg-1.1Al-0.3Ca-0.2Mn-0.3Zn, wt%, AXMZ1000)[14]。 AXMZ1000 镁合金对挤压速率敏感性较低,可以采 用高速挤压,其常温下成型性能可与中等强度的铝 合金媲美。高速挤压 AXMZ1000 变形镁合金有望 在汽车座椅(车身系统)等部件上获得应用。

《(二)成型新技术》

(二)成型新技术

1. 镁合金汽车轮毂成型技术

镁合金汽车轮毂(底盘系统)质量较小,具有 能耗低、操控性好、安全性高等优点,一经提出即 受到汽车厂商的关注,但由于成品率和产品稳定性 较低、价格较高等因素,镁合金汽车轮毂一直未能 够进行大批量销售。随着林州市鼎鑫镁业科技有限 公司和河南德威科技股份有限公司两家正反挤压成 型生产线的建设与投产,镁合金汽车轮毂有望进入 商业化生产阶段。镁合金汽车轮毂正反挤压成型技 术流程如图 6 所示(图片源于鼎鑫镁业科技有限公 司),包括连铸坯料的切割、均质化处理后的正反 挤压一次性成型、机加工及表面涂装。目前 AZ80 正反挤压镁合金汽车轮毂已经开始了小批量销售。

与此同时,上海交通大学在前期镁合金汽车 轮毂低压铸造成型技术的基础上,进一步开发出铸 造 + 旋压复合成型(铸旋)技术。铸旋成型技术与 早期低压铸造成型技术相比,能够显著提高镁合金 汽车轮毂铸坯成品率,轮辋部分通过旋压变形后显微组织显著细小,室温力学性能得到明显的提高。 图 7(a) 为采用铸旋成型技术制备的 20 寸镁合金汽 车轮毂;轮辋旋压前后的显微组织如图 7(b)、(c) 所 示,旋压变形显著细化了轮辋处的显微组织。

《图5》

图 5 压铸 Mg-4Al-4Sm-0.3Mn 合金 as-cast 下的显微组织: 第二相呈块状分布 [13]

 

《图6》

图 6 镁合金汽车轮毂的正反挤压成型流程图

 

2. 大型复杂薄壁镁合金部件真空压铸技术

与铝合金相比,镁合金的高速充型能力更佳, 特别适合制备大尺寸薄壁部件。2016 年,由 Meridian 公司生产的 AM60B 镁合金薄壁压铸车门获得美 国铸造协会颁发的年度铸造大奖,成为大型复杂薄 壁镁合金压铸部件的代表作。该车门之前由 7 个钢 制冲压件焊接而成,重新采用镁合金设计之后,质 量减少 50 % 左右,工艺连接点(焊点和铆钉)也 由 62 个减少到 10 个,显示出了镁合金在车身部件 上的应用潜力。

在国家重点研发计划的支持下,上海交通大学 联合东风汽车股份有限公司等正在针对汽车用减 震台和副车架展开结构设计,以期待镁合金在减 震塔和副车架两类大型复杂薄壁部件的成型技术 与应用上获得突破。

《(三)新应用 》

(三)新应用

1. 镁合金发动机缸盖

发动机缸体 / 缸盖工作在一个热力耦合的苛刻 条件下,对材料要求较高。在与通用汽车公司完成 JDM1 镁合金缸体低压铸造技术之后,上海交通大 学与浙江凯吉汽车零部件制造有限公司合作开展 了 JDM1 镁合金发动机缸盖的铸造成型与装车路 况实验。在凯吉现有的铝合金缸盖模具的基础上, 通过铸造工艺的调整,采用倾转浇注成功制备了 JDM1 镁合金发动机缸盖(图 8(a))。缸盖完成 T6 热处理和机加工后进行了装车实验:汽车行驶了9 000 多千米后将镁合金发动机缸盖拆除测量,燃 烧室和排气道清洗后发现,镁合金缸盖温度最高 部位的燃烧室和排气道尺寸上没有变化,表面整 洁光滑,如图 8(b) 所示。对凸轮轴孔和挺杆孔尺 寸进行了测量,前后数据对比表明凸轮轴和挺杆 在使用过程中无磨损,即 JDM1 镁合金发动机缸 盖能够长期胜任汽车发动机热力耦合的复杂工况 使用要求。

《图7》

图 7 JDM1 镁合金铸旋成型汽车轮毂 (a);(b) 旋压前显 微组织 (as-cast),屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为 85 MPa、138 MPa、4.8%;(c) 旋压后显微组织 (as-flow formed), 屈服强度、抗拉强度、伸长率分别为 278 MPa、 317 MPa、8.4%

 

《图8》

图 8 JDM1 镁合金发动机缸盖 (a) 和 (b) 经过 9 000 多千米 路况实验后燃烧室的表面形貌

 

2. 全镁车身 2016 年 9 月,山东沂星电动汽车有限公司开发 制造出镁合金轻量化电动客车,车身长 8.3 m,车 身骨架全部采用镁合金材料,车身蒙皮为铝合金板, 镁合金用量为 226 kg,与钢制车身骨架相比减重达 70 %,展示了镁合金在车身部件上的减重优势。

《三、铝 / 镁合金汽车部件应用阻力与发展建议》

三、铝 / 镁合金汽车部件应用阻力与发展建议

尽管铝合金、镁合金在汽车上的应用已经成为 一种必然趋势,但目前大批量应用仍然阻力重重。

1. 原材料成本升高

钢制件采用铝合金、镁合金制备后,构件采购 成本显著提高。以车身用的铝合金板材为例,6011 和 6016 铝合金汽车覆盖板材的市场价格为每吨 38 000 元,而汽车钢板的市场价格仅为每吨 8 000 元,去除密度差异,铝材的材料成本仍比钢材要高 出许多。这也是为什么目前全铝车身主要用于高端 汽车的主要原因,中低端汽车的售价很难承受轻量 化所带来的制造成本的上涨。

2. 研发与生产成本提高

铝合金、镁合金代替钢材时,需要根据新材料 的特性进行产品结构再设计,产品试制与检测,设 备、模具与生产线更新等,这些研发摊销,显著提 高了新产品的制造成本,也显著增加了企业的研发 风险。研发成本较高和研发收益的不确定性是汽车企业不愿意主动进行铝 / 镁合金轻量化尝试的主要 原因。

3. 维修成本增加

铝 / 镁合金材质较软,在使用过程中容易发生 变形损坏,而这些损坏通常很难采用钣金这类比较 简单的工艺进行修补,往往需要专业化技能和装备 进行维修,甚至更换新配件,显著提高了用户的使 用成本。

4. 镁合金防腐与连接技术不成熟

镁合金由于自身氧化膜层不致密,耐蚀性能较 差,科研机构虽然开发了多种防护涂层,但技术缺 少实际应用检验,多停留在实验室阶段。由于在汽 车上应用较少,镁合金与铝、钢制件的连接问题尚 未充分暴露,这方面的研究也比较少。

从上述铝 / 镁合金部件在汽车上应用的阻力可 以看出,铝 / 镁合金轻量化技术尚处于一个发展阶 段,从原材料、研发生产到售后维修,甚至在某些 关键技术上仍处于一个有待完善的阶段,在这样一 个发展阶段抓住机遇提高我国汽车工业的铝 / 镁合 金轻量化技术能力是每一个材料和汽车科技工作 者共同面临的难题。笔者提出以下几点发展建议 供参考。

(1)提高中国汽车企业新材料的应用能力。中 国汽车工业经过三十多年的高速发展,制造能力和 工业规模得到了显著提升,但新材料的应用能力较 低,原创性的设计多来自于国外。因此,只有提升 汽车工业的原创设计能力才能从根本上释放我国铝 / 镁合金部件的轻量化需求。

(2)完善产业链和产业基地,降低铝 / 镁合金 部件轻量化成本。目前铝 / 镁合金部件产业链尚未 形成,相关厂商缺乏,原材料价格居高不下。如车 身用铝合金板目前只有少数几家跨国公司能够批量 稳定生产,市场竞争不充分,原材料价格较高。因 此,我国汽车工业可以有针对性地布局相关产业链, 形成产业基地,通过市场充分竞争和规模效应降低 铝 / 镁合金部件产品的价格,降低轻量化成本。

(3)深入开展个性化基础研究,攻克瓶颈问题。 针对铝 / 镁合金部件轻量化技术难题,如镁合金的 耐腐蚀问题,可以变换思路,从应用中的防腐处理 入手,解决镁合金耐腐蚀性能较差的难题。

(4)以压铸工艺的应用为突破口。汽车工业对 零部件的价格非常敏感,铝 / 镁合金部件的大批量应用须建立在较低的生产成本上。压铸工艺生产效 率高、大批量生产后单件摊销成本较低。因此,汽 车厂商可以采用铝 / 镁合金标准部件的方式降低零 部件的生产成本。

(5)以镁合金汽车轮毂应用为突破点。新能源 汽车已经成为汽车工业的发展方向,新能源汽车取 代传统汽油车的一个关键点在于新能源车的续航能 力获得突破。除了与电池参数有关外,续航能力还 与汽车的轻量化相关。路况试验表明,出租车铝合 金轮毂更换成同尺寸的镁合金轮毂后,续航能力提 高 >8%。因此,可以以镁合金轮毂在电动汽车上的 应用为突破点,推动镁合金在汽车上的更多应用。

《四、结语 》

四、结语

2016 年,我国发布的《节能与新能源汽车技 术路线图》指出,到 2020 年,乘用车新车平均油 耗要求达到 5.0 L/100 km;到 2025 年,乘用车新车 平均油耗达到 4.0 L/100 km;到 2030 年,乘用车新 车平均油耗达到 3.2 L/100 km。为了达到这样一个 目标,2030 年单车用铝量将超过 350 kg,单车用镁 量将达到 45 kg,因此在未来的 10~15 年,铝合金、 镁合金在汽车上的应用将呈现爆发式的增长。作为 中国铝合金、镁合金新材料与成型技术主要研发 机构之一,上海交通大学轻合金精密成型国家工 程研究中心愿与国内外同行、上下游企业共同应 对这一历史性挑战,抓住机遇,推动我国汽车轻 量化的进程。