铝合金在汽车轻量化中的应用

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　　根据美国环保局(EPA)2005年数据，交通运输的温室气体排放仅次于电气行业。2006-2013年，全球汽车保有量平均以4%的速度增长，而中国私人汽车拥有量增长速度更高达20%以上，汽车保有量的快速增长加大了环境压力。
　　随着世界各国对环境保护愈加重视，各项减排法规的出台，汽车行业减排势在必行;此外，世界能源储量有限的约束、能源价格上涨也刺激汽车行业节能工作的开展。研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，为降低油耗及排放，汽车轻量化势在必行。
　　汽车轻量化的概念最早起源于赛车运动。20世纪初赛车运动协会提出参赛赛车质量的限制，成为史上第一个轻量化事件。此后，主要发达国家分别从结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺3个方面来实现汽车的轻量化。
　　汽车轻量化不仅仅是指汽车质量的下降，而是在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下，采用现代设计方法对汽车产品进行优化设计，或使用新材料最大限度地减轻各零部件的质量，努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等，从而达到降低燃油消耗、减少污染排放的目的。
　　欧洲铝协研究数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%;若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%;若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。
　　具体从绝对量来说，汽车质量每降低100kg，每百公里可节约0.6L燃油;大量使用铝合金的汽车，平均每辆汽车可降低质量300kg(从1400kg到1100kg)，寿命期内排放可降低20%。此外，轻量化还将在一定程度上提高车辆操控稳定性和碰撞安全性。
　　一、汽车轻量化技术
　　实现汽车轻量化的途径主要有以下几个方面：结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺(图1)。

　　1.结构优化设计实现轻量化
　　结构优化的主要任务是在满足工艺要求的前提下进行结构形状和尺寸设计，主要包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化(表1)。

资料来源：《汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径》，海通证券研究所

　　2.先进制造工艺
　　实现汽车轻量化的先进工艺主要包括液压成型技术和激光焊接技术。
　　液压成型技术。20世纪70年代末期，德国率先开始对管材液压成型技术进行基础性研究，并于20世纪90年代初率先采用管材液压成型技术制造汽车构件，该技术因1994年的“ULSAB”计划的开展而得到快速发展。与传统的冲压-焊接工艺相比，液压成型技术可降低11%的零件成本、14%的设备成本、减轻零件7.3%的质量，目前，已有超过50%的汽车底盘装配有液压成型产品。
　　激光焊接技术。该技术是20世纪60年度发展起来的以高能量密度的激光为热源的精密焊接技术。其应用包括汽车零件的激光焊接、板材的激光焊机、车身激光焊接，激光焊接已成为汽车制造生产中最主要的焊接方法之一。
　　液压成型技术和激光焊接技术和对比见表2。

　　3.轻量化材料的应用
　　在轻量化技术中，轻量化材料的开发和应用是当前最主要研究方向。在轻量化材料的使用方面，用高强度钢和铝、镁合金替代普通钢来制造汽车主要承载构件已成为一个发展趋势。
　　此外，塑料、复合材料、精细陶瓷也被应用到汽车结构中。其中，使用高强度钢、玻璃纤维复合材料、铝、镁、碳纤维复合材料代替原本的低碳钢可分别减轻质量15%～25%、25%～35%、40%～50%、55%～60%、55%～60%。图2为轻量化材料在汽车中的应用部位图，表3为轻量化材料性能及应用对比。

资料来源：《汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径》，海通证券研究所

　　二、汽车轻量化材料——铝合金
　　铝是最早成为钢材替代品的汽车制造材料，目前铝已成为汽车制造中用量仅次于钢材和铸铁的材料，在全铝汽车中，其用量甚至排在第2位。目前，铝代钢的成本仍然略高，但是铝代钢仍可以通过减轻车重所减少的油耗来帮助消费者节约用车成本。
　　乘用车的主要组件在整车质量中所占比例不同，在整车中，质量最大的组件为动力系统、底盘系统以及车身，这3大系统的总质量达到整车质量的83%，其中车身质量比重为28%。铝合金代替铸铁和钢材零件的质量对比见表4。

　　近年来奥迪、捷豹路虎、福特等都使用了全铝式的车身结构，铝合金已经成为了一种比较理想的轻量化材料，铝合金还可以按照添加合金的不同和比例的不同以及制造工艺的区别，应用在车身、车架、制动盘、发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类等地方。
　　目前国内汽车制造业的汽车用铝与发达国家存在着一定差距，但随着汽车制造业的竞争日趋国际化和节能减排的需求，汽车用铝量的增加已是必然趋势，据中铝预测，10年后我国的汽车用铝可由当前的平均每辆车92kg提高到220kg(图4)。

　　目前，铝代钢的成本仍然略高，但是铝代钢仍可以通过减轻车重所减少的油耗来帮助消费者节约用车成本。乘用车的主要组件在整车质量中所占比例不同，在整车中，质量最大的组件为动力系统、底盘系统以及车身，这3大系统的总质量达到整车质量的83%，其中车身质量比重为28%。
　　三、结语
　　受全球轻量化需求的影响，美国、日本、挪威等国都开展了轻量化材料的研发，主要代表公司为：美铝公司、世纪铝业、挪威海德鲁公司、日本神户制钢公司，其中美国铝业公司因汽车轻量化而股价大涨，铝业龙头Novelis也大幅扩张汽车用铝板的产能。
　　受需求和国家政策影响，我国已有多家上市公司从事轻量化材料的生产，主要以江苏亚太轻合金科技股份有限公司、南京云海金属股份有限公司、广东鸿图科技股份有限公司、山东兴民钢圈股份有限公司、吉林利源精制股份有限公司、南山铝业股份有限公司、中国忠旺控股有限公司、宁波华翔电子股份有限公司为代表。
　　按照目前我国汽车工业的发展态势预计，到2015年我国汽车工业用铝板带需求有望达到55万～60万t。急速增长的汽车铝板市场为我国铝加工企业创造了绝好的机会。随着我国汽车行业整车制造技术的进步及汽车轻量化的发展，汽车用铝型材量将会继续增加。据汽车行业预测，到2020年我国汽车(小轿车、卡车、商务车等)产量将达到2 500万辆，铝型材需求量在75万t左右。
　　由于铝合金的成本较高，因而短期内会提高轻量化汽车的构成成本，铝合金在汽车轻量化中的使用收到需求方面较强的制约。近期，国际货币基金组织(IMF)将全球经济增长速度调低至3.5%，全球经济增长减速很可能会导致轻量化需求不足，可能会导致铝合金在轻量化中的使用不及预期。
　　此外，铝合金在汽车中的使用也受制于轻量化技术的提高速度、铝合金本身成本的下降速度。目前，铝已接近成本价，铝价反弹可能到导致铝合金成本提高，限制铝合金在轻量化中的使用。
　　来源：铝加工