新能源汽车铝合金材料工艺及应用最新章节_张友国著

1.2 铝合金轻量化是汽车发展的趋势

汽车轻量化是汽车工业发展的核心问题，也是考量各个主机厂汽车研发水平的重要指标，尤其是对于新能源电动汽车，汽车重量关系到续驶里程等关键指标，主机厂对于新能源汽车轻量化的需求更加迫切。

整车轻量化，就是在满足汽车性能要求的情况下，最大限度地降低汽车重量，从而提高整车动力性，减少能耗，降低有害物排放。对于新能源汽车来说，轻量化的直接受益就是增加续驶里程。

轻量化的方法很多。一方面，新的智能化、高新技术的出现，如通过ACC雷达、激光传感器、主动式降噪系统等智能化器件和系统的应用，从主动安全和主动性能优化的角度降低了对结构强度等的要求。例如，电驱动的电机噪声，如果通过改变结构的方法去削弱和避免，不仅技术难度大、费用高，还会增加重量。而通过谐波注入的手段进行削弱，不仅效果明显，而且灵活性更高，性价比更高。另一方面，通过将传统轻质材料和工艺逐步在汽车上扩大应用也可以实现轻量化。比如铝合金、镁合金、铝镁合金、PP+玻纤、片状膜塑料（SMC）以及碳纤维等材料的推广。特别是铝合金的大量应用，给汽车带来明显的轻量化效果和经济性，某车型全铝车身如图1-1所示。

图1-1 某车型全铝车身

目前，国内外关于铝合金材料或者工艺相关的书籍也有一些，通常是从生产技术和制造工艺的角度对铝合金的某些方面进行专业阐述，系统性地介绍新能源汽车铝合金零部件设计开发和验证过程以及采用铝合金材料和工艺的书暂时没有。

本书就是为了弥补这方面的知识空缺。

铝合金是一种绿色环保的金属材料，除了具有可回收性和可循环利用的优点，重量轻、性能优异、价格合理等也让铝合金成为在汽车、航海、航空航天、建筑等多个领域应用的多功能材料。在成型上，铝合金能采用多种比较成熟的工艺实现，包括铝挤压、铝冲压、铝铸造和快速成形技术等，可以满足不同零部件的厚度、形状以及性能要求，为设计工程师提供了无限的想象和创作的空间与自由度，也给各行各业带了无数的优秀产品。

铝合金材料在汽车零部件上的应用，具有众多独特的优势：

1）可回收和循环使用：铝材料是完全可重复回收及循环使用的，且经过熔炼和提炼后的铝材料性能不会产生损失或者退化。对于许多铝合金零件来说，当产品的寿命走到终点，或者车辆进行报废之后，铝合金零部件依然可以进行拆解并进行回收再利用，其原料有较高的价值而不会导致其被随意丢弃或者填埋，最终大部分还是会在回收后制造成新的铝合金产品。在生产工艺过程中产生的废料或者不良品，也可以进行回铝重做，生产出合格的零部件。据一项数据统计，20年来，所有工业上用的铝产品，其中60%～70%的铝材料依然在循环使用当中。

2）优异的轻量化材料：铝材料的密度是2700kg/m ³ ，虽然比塑料（1000kg/m ³ 左右）和碳纤维（1750kg/m ³ 左右）的密度要大，但是只有常用的金属材料如钢、铁、铜（7900kg/m ³ 左右）等的1/3。它的这种轻质特性使得其应用在汽车特别是新能源车上时，可以显著提高燃油效率或者续驶里程；也提高了零部件在生产运输过程中的运输便捷性，降低运输费用。

3）耐蚀性：虽然和异金属的连接会存在电化学腐蚀，但是一般情况下，铝合金零件并不容易生锈。当铝合金长期暴露于空气中时，铝与氧气形成氧化膜可以有效防止腐蚀。铝合金可以有效抵抗盐雾、各种化学品等的腐蚀，因此一般部位的汽车铝合金零件不需要做镀层、油漆、涂防锈油等防腐措施，从而可降低成本。

4）强度性能：工业纯铝的抗拉强度在80～100MPa。通过添加一些合金元素，如Si、Mn、Mg、Fe、Cu、Zn、Cr等进行合金化，可以调整铝合金的强度性能和弹性模量。目前，铝合金强度性能最好的就是7XXX系铝合金，航空铝7075的抗拉强度≥560MPa，美国科研团队研究出的铝合金最高强度为850MPa，日本的铝合金最高强度能达到900MPa左右。据新闻报道，陕西超强金属材料科技有限公司研制的7Y69铝合金材料，最大抗拉强度能达到917～957MPa，达到超高强度钢的抗拉强度等级。这些超强铝合金材料目前主要应用在航空航天、舰艇、装甲坦克等领域。一些抗拉强度较低的7XXX系铝合金材料，比如7005等则逐步被探索应用在汽车防撞梁、门框等耐撞的部位上。而5XXX系和6XXX系的一些抗拉强度在100～300MPa的中低强度铝合金材料，则被大量应用在汽车的各种零部件上。同时，铝合金在环境温度降低时强度反而增加的性能，使其成为低温工况下的首选金属材料。

5）弹性模量和伸长率性能：在汽车上一些特殊位置，除了强度要求，还有弹性模量和材料伸长率的要求。比如汽车前防撞梁和门槛梁，在发生碰撞时，不仅对抗拉强度有一定要求，对弹性模量也要有一定要求，这样可以延长碰撞发生的时间，降低碰撞减速度，从而减少对乘员的伤害。而铝合金材料可以较好地满足这个要求。同时在伸长率上，较高的伸长率可以使铝合金零件在撞击时不会发生脆裂，而铝合金的弹塑性变形可使能量吸收过程稳定且可控。伸长率好同样对机械连接有帮助，比如自冲铆接（SPR）连接时，铆接点不会发生裂纹。