人们对未来汽车充满无限遐想，纯电动汽车、无人驾驶汽车、可飞行汽车等超前概念不时跃然纸上，汽车设计师和工程师针对未来汽车的攻关实践从未停止过。无论现代汽车还是未来汽车，动力消耗总是与整车重量息息相关，整备重量每降低100kg 一般可以减少油耗0.2L/100km ，因此汽车轻量化设计显得尤为必要。铝合金这种轻质材料[1]已经在奥迪A8、捷豹JaguarXJ 、路虎极光揽胜等高端车型中得到应用。本文以捷豹JaguarXFL 汽车为例，其铝合金应用比率高达75%，铝合金重量为222.75kg ，白车身重量为297kg [2]，而采用钢板制造白车身重量为719.40kg 。在保持原有安全性、灵便性和舒适性前提下，用铝
合金板材替代钢板制造车身及覆盖件可以明显降低整车重量，而且实现难度相对较小。尽管如此，在讲求人类健康、生态健康和节约资源大背景下，这样的设计改动还需参照ISO14040:1999标准，利用GaBi 软件从原材料获取、部件生产、汽车使用
到报废回收整个生命周期检测（LCA ）其物质和能量消耗以及排放对环境的影响，并通过碳足迹（LCAG CO2）和水足迹（LCAG H2O ）指标评价铝合金车身及覆盖件生产应用的
可持续性。
原铝生产阶段碳足迹和水足迹
铝的化学性质比较活泼，在自然
界中总是以白无定形粉状氧化铝（Al 2O 3）形式存在，含有氧化铝的矿
物质称为铝土矿或铝矾土。原铝生产大致可以分为两个阶段，氧化铝提取阶段和电解铝生产阶段。目前，氧化铝主要采用拜耳法从铝土矿中提取，其原理是用苛性钠（NaOH ）溶液加温溶出铝土矿中的氧化铝得到铝酸钠溶液，除去赤泥残渣后降低溶液温度，然后向溶液中加入氢氧化铝晶种并长时间搅拌，铝酸钠逐渐分解析出氢氧化铝，把洗净的氢氧化铝在950～1200℃高温下煅烧便得到氧化铝成品[3]。在拜耳法生产工艺中，能源消耗主要集中在蒸汽、煤气和电力等方面（见表1）；水消耗主要集中在供热站系统和氧化铝系统，新水消耗8t-
H 2O/t-AO [4]；原料消耗除了铝土矿以外还有石灰石、氢氧化铝等。
溶出反应：Al 2O 3·(1-3)H 2O+2NaOH ⇌2NaAl (OH)4
（1）
氧化铝提取阶段碳足迹如下：
CO 2间接排放量＝耗电度数×
通过碳足迹和水足迹评价铝车身对环境影响
▶◀
……………………………………………………………………………陆建虹
付君伟
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0.785kg-CO2/kwh×再生能源修正系数
＝11.72GJ/t-AO×109÷3600000J/ kwh×0.785kg-CO2/kwh×0.857[6]
＝2190.159kg-CO2/t-AO
CO2直接排放量＝煤气单耗×1
＝718.9Nm3/t-AO[7]×1.293kg/Nm3×1
＝729.538kg-CO2/t-AO
现代电解铝工业采用的是冰晶石-氧化铝融盐电解法，在950℃-970℃温度下，电解槽内熔融的冰晶石
（Na3AlF6）作为溶剂，氧化铝作为溶质，氧化铝溶解在冰晶石中形成电解质，用碳素材料制成的电极插入电解质中，两电极间通入强大直流电，电极周围便发生电化学反应，即产生电解。阴极附近生成铝液，定期用真空抬包吸出，净化澄清后浇注成铝锭。阳极直接参与电化学反应而不断消耗，生成CO和CO2，阳极气体净化后排入大气，回收的氟化物返回电解槽。电解铝生产系统中材料能源消耗情况参见表2。
阴极反应：Al3+（配离子）+3e＝Al（2）阳极反应：2O2-（配离子）+C-4e＝CO2（3）
总反应：2Al2O3+3C＝4Al+3CO2
（4）电解铝生产阶段碳足迹如下：
CO2间接排放量＝耗电度数×0.785kg-CO2/kwh×再生能源修正系数
＝14400kwh/t-Al×0.785kg-CO2/ kwh×0.830[9]
＝9382.32kg-CO2/t-Al
CO2直接排放量＝阳极碳单耗×
1kg-CO2/kg-C×再生能源修正系数
＝600kg-C/t-Al×1kg-CO2/kg-C×1
＝600kg-CO2/t-Al
那么，整个原铝生产阶段碳足迹
如下：
CO2排放量＝电解铝碳足迹+1.95×
氧化铝碳足迹
＝9382.32kg-CO2/t-Al+600kg-
CO2/t-Al
+1.95×(2190.159kg-CO2/t-AO+
729.538kg-CO2/t-AO）
＝15675.73kg-CO2/t-Al
车用原铝获取时碳足迹为排放
3491.769kg-CO2/车（=15675.73kg-
CO2/1000kg-Al×222.75kg），水足迹只
有氧化铝提取阶段的新水消耗
1782kg-H2O/车（=8000kg-H2O/
1000kg-AO×222.75kg）
。
铝合金板材生产阶段碳足
迹和水足迹
铝合金板材多以热轧状态、退火
状态等热处理状态供应，汽车车身及
覆盖件所需铝板为薄板（0.15~
2.0mm）和常规板（2.0~6.0mm），其
生产方法有块式法和带式法两种。带
式法是将铝合金板坯逐步轧制到一定
厚度和长度，边轧制边卷取，直到符
合厚度要求后，再横向剪成单张铝
板，这样生产效率高、质量好，多数
铝合金板材都是采用这种方法生产
的。带式法生产流程可分为热轧前准
备（包括铸锭均热、锯切、铣面、包
铝和加热等）、热轧、冷轧、热处理和
精整（包括成品剪切、矫直、压光和
包装等）五个工艺阶段。铸锭均匀化
热处理是为了消除或减少成分和组织
不均，同时消除铸造应力，均热温度
应低于铝合金低熔点共晶温度10~
15℃，保温时间12~24h。在锯切铸锭
前，如发现表面有偏析浮出物、夹
渣、结疤和裂纹等缺陷，就需要铣面
清除缺陷，铣削量取决于缺陷深度，
一般为4~10mm。包铝是将包铝板置
于锯切铸锭的上下两面，然后热轧结
合成一体，从而提高铝合金板材的抗
腐蚀能力，改善后续生产工艺性能。
铸锭加热可以降低变形抗力，大大提
高塑性，为热轧过程创造有利条件。
热轧后半段需要用水基乳液充分润滑
轧辊表面，以便降低轧制阻力和铝板
温度，获得平整光滑的铝板。这里的
水基乳液由乳剂与水配制而成，浓度
为1.0%~2.0%。冷轧在单架轧机或连
架轧机上进行，能获得比热轧带卷外
形更规整、表面更光洁、厚度更均
匀、组织和性能更优良的产品。根据
供货状态要求对板材实施退火或淬火
时效等热处理工艺，然后对供货状态
的板材进行剪切、矫直、压光、包装
等精整处理。
按照上述生产工艺流程，热轧及
准备阶段综合能源单耗为160kgce/t-
Al，冷轧及后续阶段综合能源单耗为
140kgce/t-Al[10]，碳足迹为间接排放
798kg-CO2/t-Al（=（160kgce/t-Al+
140kgce/t-Al）×2.660kg-CO2/kgce），
是原铝生产阶段碳足迹的5.09%。水
足迹为直接排出废水1300kg-H2O/t-
Al[11]。车用铝合金板材获取时碳足迹
为排放177.755kg-CO2/车（=798kg-
CO2/1000kg-Al×222.75kg），水足迹为
排出废水289.575kg-H2O/车（=
1300kg-H2O/1000kg-Al×222.75kg）
。
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铝合金车身及覆盖件制造
阶段碳足迹和水足迹
铝的合金系列较多，其板材的理
化特性相差很大。5000系（Al-Mg）
铝合金板的机械强度、拉深成形性、
表面处理和抗腐蚀性等方面与汽车钢
板相差无几，但它在成形过程中却存
在延迟屈服和吕德斯线（即桔皮效
应，见图1）现象。6000系（Al-Mg-
Si）铝合金具有优良的综合机械性
能，其屈服强度和抗拉强度与钢板比
较相近，强度和塑性能良好兼顾，硬
化指数n值、塑性应变比r值甚至超过
钢板，冲压成形后的烤漆硬化过程还
可以进一步提升强度。因此，6000系
铝合金用于制造车身外表覆盖件，
5000系铝合金用于制造车身地板、内
衬板和加强筋等。尽管冲压件都是在
冲压机或液压机上利用模具将冲裁或
剪切的平板坯料拉深制成开口空心件
的工艺过程，但是由于铝合金板与汽
车钢板材质不同，它们的成形工艺和
生产条件等方面便存在较大差异[13]。
按照生产工艺区分，铝合金车身及覆
盖件分为对称件、不对称件、成双冲
压件、凸缘平面件和压弯成型件等五
种类型。对称件有行李箱盖、发动机
罩、散热器罩和前地板等。不对称件
有前围板、侧围板、翼子板、后地板
和车门内外板等。成双冲压件指左右
件组成一个便于成形的封闭件，切开
后得到左右两件，例如顶盖内侧纵梁
（见图2）。凸缘平面件指冲压工艺设
计时将凸缘面作为压料面，例如轮
罩。压弯成型件有侧门边梁加强件等。
在铝合金车身及覆盖件生产过程
中，冲压模具、冲压设备和冲压材料
三要素直接关系着动力消耗，动力消
耗又主要取决于最大冲裁力，一般用
冲裁力的2倍来估算冲压机能力，即
P裁=K×L×t×τ（5）
其中P裁——平刃口冲裁力（N)，
L——冲裁周长(mm)，t——材料厚度
(mm)，τ——材料抗剪强度(MPa)，
K——安全系数（一般取K=1.3）。
如果铝合金车身及覆盖件平均周
长L=3500mm，材料平均厚度t=
1mm，抗剪强度τ=100MPa，安全系数
K=1.3，那么平刃口冲裁力为
46.429t，应选用100t冲压机，其主电
动机功率为40kW，每班8h冲压车身
及覆盖件4t，电力单耗为80kwh/t-Al
（=40kw×2h）。另外自动上料机（设备
功率合计15kW）、自动焊接机（设备
功率合计10kW）和喷漆烤漆设备（设
备功率合计5kW）等也要消耗一定电
力。如果把车身及覆盖件制造能耗一
揽子计算，其平均能源单耗为125kwh/
t-Al（=80kwh+15kw×2h+10kw×1h+
5kw×1h），铝合金车身及覆盖件制造
阶段碳足迹为间接排放98.125kg-CO2/
t-Al（=125kwh/t-Al×0.785kg-CO2/
kwh×1），这算到每台汽车其碳足迹为
排放21.857kg-CO2/车（=98.125kg-
CO2/1000kg-Al×222.75kg），这一阶段
无废水排出，新水消耗可以忽略
不计。
铝合金车身及覆盖件使用
阶段碳足迹和水足迹
在汽车正常使用阶段中，按工信
部要求综合油耗为7.5L/100km，强制
报废里程为300000km，碳足迹为排
放53122.5kg-CO2/车（=300000km÷
100km×7.5L×2.361kg-CO2/L）。用铝合
金板材取代钢板制造车身及覆盖件，
使车身重量降低了58.72%(=
(719.40kg－297kg)÷719.40kg×100%)，
随之节省燃料油0.8448L/100km(=
(719.40kg－297kg)÷100kg×0.2L/
100km)，减少排放5983.718kg-CO2/车
(=300000km÷100km×0.8448L×2.361kg-
CO2/L)，这时碳足迹为排放
47138.78kg-CO2/车（=53122.5kg-CO2/
车－5983.718kg-CO2/车）。铝合金车
身及覆盖件不会排放任何有害物质，
但是平时汽车冲洗还是要消耗不少新
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（b）
有吕德斯线
（a）
无吕德斯线
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水，假如每年冲洗12次，每次用水0.1m 3，汽车强制报废年限为15年，则洗车用水总量为18000kg-H 2O/
车。路虎极光论坛
铝合金车身及覆盖件报废
回收阶段碳足迹和水足迹
汽车的金属材料占80%以上，汽
车报废回收主要是对金属材料的回收利用，尤其那些价值较高的金属材料，提高金属材料循环利用率，同时也要尽可能回收塑料和橡胶材料以及无害化处理可能造成环境污染的物质。目前，我国汽车报废拆解破碎回收企业不过千家，拆解作业工艺流程相对简单，大致分为流水式和定位式两种作业形式[15]。定位式拆解流程适用于各种类型的报废汽车，绝大多数企业也正是采用这种形式，即报废汽车预处理、外部拆解、内部拆解、动力及传动部件拆解、车身解体挤压。在预处理阶段主要抽空燃料油、天然气、发动机油、刹车油、润滑油、冷却液和制冷剂等污染液体，并进行必要冲洗，防止拆解过程造成二次污染危害。整车外部拆解主要拆除车身大块面板和车身附件，例如发动机舱盖、行李箱盖、前后保险杠、车门和灯具等，接着内部拆除电瓶、散热器、油箱、储气罐、座椅、方向盘、气囊和轮胎等。汽车动力及传动部件拆解主要针对发动机、变速箱、前后桥和悬挂装置。最后把EPC 系统
和线束切割销毁，车身解体挤压成块。在这套拆解流程中常用设备有升降机、抽油机、冷媒回收机、油水分离器、冲洗机、单臂吊、螺丝机、等离子切割机、机械切割机、大力剪、车身破碎挤压设备和输送机等。
如果使用螺丝机、大力剪、破碎挤压设备和输送机等设备拆解一台捷豹XFL 型汽车车身，耗时1h ，耗电5kWh ，间接排放3.925kg-CO 2/车（=5kWh×0.785kg-CO 2/kWh×1）。车身喷漆3.64kg （约2.8L ），后续处理将直接
排放11.598kg-CO 2/车（=3.64kg ×
3.1863kg-CO 2/kg-金属漆），因此铝合金车身报废拆解回收阶段碳足迹为排放15.523kg-CO 2/车（=3.925kg-CO 2/
车+11.598kg-CO 2/车），无废水排出，新水消耗可以忽略不计。显然，铝合金车身及覆盖件报废回收相对容易些。
通过生命周期各阶段分析研究，铝合金车身汽车从原材料获取、产品生产、汽车使用到报废回收整个生命周期里的碳足迹可以通过公式6求得，水足迹可以通过公式7求得。文献资料表明，对应钢材车身汽车其碳足迹为排放59622.5kg-CO 2/车[16]
，
水足迹为消
耗新水22078.998kg-H 2O/车。
LCAG CO2=∑t =1
N Gt
（6）
=3491.769+177.755+
21.857+47138.78+15.523
=50845.684kg-CO 2/车
LCAG H2O =∑i =1
N Gi
（7）
=1782+289.575+18000=20071.575kg-H 2O/
车
结论
综上所述，虽然铝合金这种轻质
材料替代钢材制造车身及覆盖件使汽车整备重量有所降低，二氧化碳排放量有所减少，汽车轻量化设计向前推进了一步，但是从生命周期碳足迹和水足迹指标来看优势并不明显，尤其在铝土矿开采、原铝生产、能源消耗及污染物排放等方面对环境造成的影响远大于钢材生产。另外，铝合金板材价格是汽车钢板的好几倍，其成形、焊接的技术难度比钢板大许多，成本控制已经成为重要问题。所以，汽车车身及覆盖件没有必要刻意追求全铝或全钢车身，最好根据部件位置、形状和功能优化板材选用，充分发挥不同材料的性能优势。
（责任编辑
一
丁）
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