刘静安，项胜前，刘煜
摘要：作者在掌握了大量现场资料和文献资料的基础上，全面系统地论述了国内外汽车工业用铝材的发展现状与趋势、汽车用铝合金及主要零部件的铝化程度、汽车用铝合金的新开发和新应用，我国汽车用铝材的研发与应用状况等问题。指出汽车材料铝化是现代汽车轻量化的主要途径。对加速我国汽车铝材的重点研发提出了建议。
关键词：汽车铝材；零部件铝化；开发应用；现状与趋势；重点研发方向
1 现代汽车工业是国民经济中的重要支柱产业[1,5]
随着社会的发展及人们对高质量生活的追求，汽车已成为现代化物流及人们提高生活质量的重要工具。在新的世纪，愈来愈多的国家都以发展经济提高生活质量为重要任务，从而促使汽车工业的飞速发展。1970年全世界汽车年产量不到3500万辆，2012年达7500万辆，其中，轿车产品占75%?80%。未来随着中国、印度、巴西、非洲等发展中国家的高速发展，必然进一步推动汽车工业的发展。据国务院中心预测，2001-2014年的15年间全球汽车市场
总规模将增长39%，年销售量达9000万辆以上。汽车工业早已成为发达国家和地区国民经济的支柱产业，并带动着冶金、石化、机械、电子、城建、能源等许多相关行业的迅速发展。
中国的汽车工业从1953年到现在已有50多年的历史，前30年以生产中型载重汽车为主，载货车占汽车总产量的85%-90%。1980年代末，我国加快轿车的发展，到2000年轿车的产量上升到55万辆，约占汽车年产总产量30%。据中国汽车工业协会提供资料，2004年我国生产汽车507.05万辆，客车123.95万辆，轿车231.63万辆。汽车总产量居世界第四，已接近德国。2006年产量达730万辆/a。其中乘用车达71%，基本接近世界汽车发达国家水平。汽车总产量超过德国，位居世界第三，而销售量达721万辆，超过日本，位居世界第二。轿车约为360万辆，约占汽车总产量的49%。2012年 我国汽车产、销量双双突破1900万辆，稳居世界第一，成为我国重要支柱产业之一。
当代汽车正朝着轻量化、高速、安全、舒适、低成本、低排放与节能的方向发展，节能、安全、环保是汽车现代化发展的三大主题。为了减轻重量、提高速度、节约能源，减少汽车尾气对空气的污染和保护日益恶化的臭氧层，铝材很快进入了汽车工业领域。目前，汽
车零部件的铝化程度与日俱增，可望在不久的将来，安全、舒适、美观耐用、轻量化、易装配和维修、易回收、节能、无污染、综合性能优良的“全铝化”汽车将得到广泛普及。
2 铝合金材料是现代汽车轻量化的理想材料和首选材料[1,2,3]
2.1 汽车工业的现代化及其对材料的要求
汽车工业的发展和应用的普及是与能源、环保和安全这三大问题息息相关的。虽然汽车作为社会发达与现代化的标志，带来了社会进步和繁荣，但是，同时也带来了能源、环保、安全、土地等一系列问题。无疑，这些都需要汽车工业自身和相关行业共同研究探索，以求得解决。为此，汽车行业多年来一直在从汽车产品自身结构设计、制造材料的选用和制造工艺等方面着手，努力开发研制现代型汽车，并特别注重节约能源和保护环境质量，把促进汽车轻量化作为首要解决的问题。
2.1.1 现代汽车的特征
从减少燃油的消耗以节约能源，降低CO2、CO、NO2等有害物质的排放量以改善环境质量，以及从满足人们对汽车产品的安全、可靠、舒适、美观等性能要求出发，人们提出了
现代汽车（也有人称之为“21世纪汽车”、“全铝合金化汽车”、“新概念汽车”等）特征要求，其主要特点可以归纳为以下：
（1）实现整车框架和车体蒙皮全铝合金化。
（2）与同种规格车型的钢结构相比，整车重量减轻了30％?40％。
（3）整体结构可靠，可以确保达到抗冲撞、抗弯曲的标准试验要求，具有可靠的安全系数。
（4）其能耗仅为同种车型钢结构的一半。
（5）具有良好的再回收性能,当整车报废以后,汽车铝合金结构框架和附件均可重新回收再生,且耗费能量很少。
（6）由于这种车耗油省，废气排出量少，所以对城市空气污染程度大幅度降低。
根据以上要求，随着21世纪“新观念汽车”时代的到来，我们不难看到：抓紧研究和开发具有卓越性能的铝合金材料，增加品种，提高质量，降低成本，已成为铝加工行业和汽车行
业迫在眉睫的新使命。
2.1.2 铝合金材料是促进汽车轻量化的最佳选择
铝合金及其加工材由于具有一系列优良特性，诸如密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，因此，在工程领域内，铝一直被认为是“机会金属”或‘希望金属“，铝工业一直被认为“朝阳工业”。
早期，由于铝的价格较昂贵，在汽油既充足又便宜的年代，它被排斥在汽车工业和其它相关制造行业之外。但是，到1973年，由于石油危机的影响，这种观点完全改变了，为了节约能源、减少汽车尾气对空气的污染和保护日益恶化的臭氧层，铝合金材料才得以迅速地进入汽车领域，目前汽车零件的铝合金化程度正在与日俱增。
铝合金材料大量用于汽车工业，无论从汽车制造、汽车运营、废旧汽车回收等方面考虑，它都带来巨大的经济效益，而且随着汽车产量和社会保有量的增加，这种效应将更加明显。汽车用铝合金材料量增加后所带来的效应主要体现在以下几个方面：
（1）明显的减重效益
为了减轻汽车自重，一是改进汽车的结构设计，二是选用轻质材料（如铝合金、镁合金、塑料等）制造。到目前为止，前者已无太大的迥旋余地，因而汽车行业普遍注重于开发利用新的高强度钢材或铝、镁等合金材料。在轻质材料中，由于聚合物类的塑料制品在回收中又存在环境污染问题、镁合金材料的价格和安全性也限制了它的广泛应用。而铝合金材料由于有丰富的资源，随着电力工业的发展和铝冶炼工艺的改进，将使铝的产量迅速增加，成本相应下降，铝合金材料更兼有质轻（钢铁、铝、镁、塑料的密度分别为：7.8、2.7、1.74、1.1-1.2g/cm3）和良好的成型性、可焊性、抗蚀性、表面易着性，而且铝合金材料的回收率约为80%，有60%的汽车用铝合金材料来自回收的废料，预计到2015年回收率可进一步提高到90%以上。理论上铝制汽车可以比钢制汽车减轻重量达30%?40%，其中铝质发动机可减重30%，铝散热器比铜的轻20%?40%，轿车车身的比钢材制品减重40%以上，汽车铝车轮可减重30%。因此，铝合金材料是汽车轻量化最理想的材料之一，见表1。
（2）可观的节能效果
减少燃油消耗的途径一般为：提高发动机效率（从设计着手），减少行驶阻力，改善传动机构效率及减轻汽车自重等，其中最有效的措施是减轻汽车自重，铝合金材料在汽车上的大量使用，正好满足这一点。
据资料介绍，一般车重每减轻1公斤则1升汽油可使汽车多行驶0.011公里，或者每运行1万公里就可节省汽油0.7公升，如果轿车用铝合金材料量达100公斤，那么每台轿车每年可节约汽油175升。预计到2012年，我国轿车的社会保有量将达10000?12000万辆，届时每年节省汽油1000亿升以上，节能效果十分可观的。
（3）减少大气污染，改善环境质量
汽车减重的同时，也减少了二氧化碳排放量（车重减少50%，CO2排放减少13%）。有人算了一笔帐，如果美国的轿车重量减轻25%，每天将节油75万桶，全年可减少二氧化碳排放量1.01亿吨，同时，氮气物、硫化物等的排放量也会相应减少，因而可大大减少环境污染，提高环境质量。
（4）有助于提高汽车的行驶性能，乘客的舒适性和安全性。
减轻车重可提高汽车的行驶性能，美国铝业协会提出，如果车重减轻25%，就可使汽车加速到60mph的时间从原来的10秒减少到6秒钟；使用铝合金车轮，使震动变小，可以使用更轻的反弹缓冲器；由于使用铝合金材料是在不减少汽车容积的情况下减轻汽车自重，减重效果为125％。 因而使汽车更稳定，乘客空间变大，在受冲击时铝合金结构能吸收分散更多的能量；因而更具舒适性和安全性。
2.2 铝合金材料在汽车工业上的应用概况
2.2.1 汽车用铝合金材料的快速增长
材料对汽车国际市场竞争有举足轻重的作用。一般来说，材料消耗费用占汽车生产成本的53％，因此，在相同条件下，汽车制造厂大力节约材料费用，降低汽车成本，就具有国际市场竞争实力。当代汽车发展方向的实现也是以新材料的应用为基础的。表2示出了世界汽车工业1980、1990、2000年汽车用材的组成比例。
由图表可见，钢铁、塑料、和附件的比例不断下降，而铝材比例由1980年的4％提高到2010年的汽车缓冲器29％，而且还有上升的趋势，预计到2015年可达35％以上，将部分替代钢铁成为汽车工业的基础材料。目前，全世界耗铝量的13％?16％以上用于汽车工业，有些工业发达国家已超过18％。单台汽车的铝材用量也在不断增加，1977年美、日、德单台汽车铝化率（铝材用量）分别为2.5％、（45kg）、2.6%(29kg)、3.0%(35kg)，到1989年则分别增至5％、（71kg）、4.9%(58kg)、5%(50kg)。1992年美国单台汽车用量达79.8kg，1993年美国平均达80.3kg，个别车种铝材用量已达295kg。日本1995年和2000年单台汽车铝材用量分别达130kg（11.8％）和270kg(31.8%)，汽车的重量也随之大幅度减轻。预计到2015年，美、欧、日等国单台汽车铝材量可达280kg以上，最高的可超过350kg。
2.2.2 汽车用铝合金材料的品种构成
世界各国工业用铝合金材料的品种结构虽然有一定差异，但大体是相同的。所用的铝合金材料基本上属两大类，即铸造铝合金和变形铝合金，前者用于生产各类铸件，后者用于生产各类加工材（如板、带、箔、型、棒、线）及锻件，各类加工材一般都需经过进一步加工才能成为汽车零部件。其品种构成；铸件占80%左右，锻件只占1%?3%，其余为加工材。美、日、德三个国家汽车用铝合金材料的品种构成见表3。
2004年,日本汽车用铝合金材料共110万吨/a,其品种的构成为:铸件77%(压铸件占53%、其它铸件占24％)，加工材21.5％（其中板材占11.5％、挤压材占10％），锻件1.5％。日本全部铝合金铸件中有82％是用于汽车，也就是说铝合金铸件工业的发展是同汽车工业的发展紧紧相关的。随着汽车铝化程度的提高，特别车厢板的铝化率增大，加工材的比例亦有大幅提高的趋势。
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