汽车轻量化技术：铝/镁合金及其成型技术发展动态

摘要：为了推动我国汽车工业轻量化进程，文章从新材料、成型新技术、新应用三个方面对铝合金、镁合金两类轻金属材料的国内外研究动态进行了回顾，分析了两类轻金属材料在汽车工业应用的阻力，提出了我国汽车工业铝/镁合金可能的发展建议。

关键词：汽车；轻量化；铝合金；镁合金；成型技术；发展动态

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13～20kg温室气体的排放。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

1.非热处理压铸铝合金

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FanZ团队[6]开发了高韧性压铸铝合金，该合金含有5.0wt%～5.5wt%Mg、1.5wt%～2.0wt%Si、0.5wt%～0.7wt%Mn、0.15wt%～0.20wt%Ti和＜0.25wt%Fe，经过压铸成型后，as-cast试棒室温力学性能为：屈服强度为150MPa、抗拉强度为300MPa、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

1、铝合金大型部件真空压铸技术

图1 JDA1铝合金发动机支架(底盘系统)

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10kg以下部件的大批量压铸制备。

3、铝合金卡车轮毂旋压成型技术

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）

图4 山东镁卡车轮有限公司生产的锻旋铝合金卡车轮毂

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35mm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。

（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1.785s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

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

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，其典型拉伸力学性能如表2所示。

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，其导热系数＞100W/m·K，屈服强度＞120MPa，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157MPa，抗拉强度为245MPa，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）。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。

表 2JDM1—JDM4镁稀土合金典型力学性能

注：castT6是指金属型铸造后T6处理。

（二）成型新技术

1、镁合金汽车轮毂成型技术

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

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

（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9000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 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85MPa、138MPa、4.8%；(c)旋压后显微组织(as-flowformed),屈服强度、抗拉强度、伸长率分别为278MPa、317MPa、8.4%

图8 JDM1镁合金发动机缸盖(a)和(b)经过9000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8.3m，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226kg，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

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38000元，而汽车钢板的市场价格仅为每吨8000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。

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5.0L/100km；到2025年，乘用车新车平均油耗达到4.0L/100km；到2030年，乘用车新车平均油耗达到3.2L/100km。为了达到这样一个目标，2030年单车用铝量将超过350kg，单车用镁量将达到45kg，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。

来源：《中国工程科学》

作者：付彭怀、彭立明、丁文江