1.2 鋁合金輕量化是汽車發(fā)展的趨勢

汽車輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的核心問題，也是考量各個主機(jī)廠汽車研發(fā)水平的重要指標(biāo)，尤其是對于新能源電動汽車，汽車重量關(guān)系到續(xù)駛里程等關(guān)鍵指標(biāo)，主機(jī)廠對于新能源汽車輕量化的需求更加迫切。

整車輕量化，就是在滿足汽車性能要求的情況下，最大限度地降低汽車重量，從而提高整車動力性，減少能耗，降低有害物排放。對于新能源汽車來說，輕量化的直接受益就是增加續(xù)駛里程。

輕量化的方法很多。一方面，新的智能化、高新技術(shù)的出現(xiàn)，如通過ACC雷達(dá)、激光傳感器、主動式降噪系統(tǒng)等智能化器件和系統(tǒng)的應(yīng)用，從主動安全和主動性能優(yōu)化的角度降低了對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的要求。例如，電驅(qū)動的電機(jī)噪聲，如果通過改變結(jié)構(gòu)的方法去削弱和避免，不僅技術(shù)難度大、費(fèi)用高，還會增加重量。而通過諧波注入的手段進(jìn)行削弱，不僅效果明顯，而且靈活性更高，性價比更高。另一方面，通過將傳統(tǒng)輕質(zhì)材料和工藝逐步在汽車上擴(kuò)大應(yīng)用也可以實(shí)現(xiàn)輕量化。比如鋁合金、鎂合金、鋁鎂合金、PP+玻纖、片狀膜塑料（SMC）以及碳纖維等材料的推廣。特別是鋁合金的大量應(yīng)用，給汽車帶來明顯的輕量化效果和經(jīng)濟(jì)性，某車型全鋁車身如圖1-1所示。

目前，國內(nèi)外關(guān)于鋁合金材料或者工藝相關(guān)的書籍也有一些，通常是從生產(chǎn)技術(shù)和制造工藝的角度對鋁合金的某些方面進(jìn)行專業(yè)闡述，系統(tǒng)性地介紹新能源汽車鋁合金零部件設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證過程以及采用鋁合金材料和工藝的書暫時沒有。

本書就是為了彌補(bǔ)這方面的知識空缺。

鋁合金是一種綠色環(huán)保的金屬材料，除了具有可回收性和可循環(huán)利用的優(yōu)點(diǎn)，重量輕、性能優(yōu)異、價格合理等也讓鋁合金成為在汽車、航海、航空航天、建筑等多個領(lǐng)域應(yīng)用的多功能材料。在成型上，鋁合金能采用多種比較成熟的工藝實(shí)現(xiàn)，包括鋁擠壓、鋁沖壓、鋁鑄造和快速成形技術(shù)等，可以滿足不同零部件的厚度、形狀以及性能要求，為設(shè)計(jì)工程師提供了無限的想象和創(chuàng)作的空間與自由度，也給各行各業(yè)帶了無數(shù)的優(yōu)秀產(chǎn)品。

鋁合金材料在汽車零部件上的應(yīng)用，具有眾多獨(dú)特的優(yōu)勢：

1）可回收和循環(huán)使用：鋁材料是完全可重復(fù)回收及循環(huán)使用的，且經(jīng)過熔煉和提煉后的鋁材料性能不會產(chǎn)生損失或者退化。對于許多鋁合金零件來說，當(dāng)產(chǎn)品的壽命走到終點(diǎn)，或者車輛進(jìn)行報(bào)廢之后，鋁合金零部件依然可以進(jìn)行拆解并進(jìn)行回收再利用，其原料有較高的價值而不會導(dǎo)致其被隨意丟棄或者填埋，最終大部分還是會在回收后制造成新的鋁合金產(chǎn)品。在生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生的廢料或者不良品，也可以進(jìn)行回鋁重做，生產(chǎn)出合格的零部件。據(jù)一項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，20年來，所有工業(yè)上用的鋁產(chǎn)品，其中60%～70%的鋁材料依然在循環(huán)使用當(dāng)中。

2）優(yōu)異的輕量化材料：鋁材料的密度是2700kg/m3，雖然比塑料（1000kg/m3左右）和碳纖維（1750kg/m3左右）的密度要大，但是只有常用的金屬材料如鋼、鐵、銅（7900kg/m3左右）等的1/3。它的這種輕質(zhì)特性使得其應(yīng)用在汽車特別是新能源車上時，可以顯著提高燃油效率或者續(xù)駛里程；也提高了零部件在生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的運(yùn)輸便捷性，降低運(yùn)輸費(fèi)用。

3）耐蝕性：雖然和異金屬的連接會存在電化學(xué)腐蝕，但是一般情況下，鋁合金零件并不容易生銹。當(dāng)鋁合金長期暴露于空氣中時，鋁與氧氣形成氧化膜可以有效防止腐蝕。鋁合金可以有效抵抗鹽霧、各種化學(xué)品等的腐蝕，因此一般部位的汽車鋁合金零件不需要做鍍層、油漆、涂防銹油等防腐措施，從而可降低成本。

4）強(qiáng)度性能：工業(yè)純鋁的抗拉強(qiáng)度在80～100MPa。通過添加一些合金元素，如Si、Mn、Mg、Fe、Cu、Zn、Cr等進(jìn)行合金化，可以調(diào)整鋁合金的強(qiáng)度性能和彈性模量。目前，鋁合金強(qiáng)度性能最好的就是7XXX系鋁合金，航空鋁7075的抗拉強(qiáng)度≥560MPa，美國科研團(tuán)隊(duì)研究出的鋁合金最高強(qiáng)度為850MPa，日本的鋁合金最高強(qiáng)度能達(dá)到900MPa左右。據(jù)新聞報(bào)道，陜西超強(qiáng)金屬材料科技有限公司研制的7Y69鋁合金材料，最大抗拉強(qiáng)度能達(dá)到917～957MPa，達(dá)到超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度等級。這些超強(qiáng)鋁合金材料目前主要應(yīng)用在航空航天、艦艇、裝甲坦克等領(lǐng)域。一些抗拉強(qiáng)度較低的7XXX系鋁合金材料，比如7005等則逐步被探索應(yīng)用在汽車防撞梁、門框等耐撞的部位上。而5XXX系和6XXX系的一些抗拉強(qiáng)度在100～300MPa的中低強(qiáng)度鋁合金材料，則被大量應(yīng)用在汽車的各種零部件上。同時，鋁合金在環(huán)境溫度降低時強(qiáng)度反而增加的性能，使其成為低溫工況下的首選金屬材料。

5）彈性模量和伸長率性能：在汽車上一些特殊位置，除了強(qiáng)度要求，還有彈性模量和材料伸長率的要求。比如汽車前防撞梁和門檻梁，在發(fā)生碰撞時，不僅對抗拉強(qiáng)度有一定要求，對彈性模量也要有一定要求，這樣可以延長碰撞發(fā)生的時間，降低碰撞減速度，從而減少對乘員的傷害。而鋁合金材料可以較好地滿足這個要求。同時在伸長率上，較高的伸長率可以使鋁合金零件在撞擊時不會發(fā)生脆裂，而鋁合金的彈塑性變形可使能量吸收過程穩(wěn)定且可控。伸長率好同樣對機(jī)械連接有幫助，比如自沖鉚接（SPR）連接時，鉚接點(diǎn)不會發(fā)生裂紋。