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摘要：金属铝质轻、具有良好的延展性、导电性与导热性，是最重要的汽车制造金属材料，被广泛用于汽车车身骨架、发动机、保险杠、车轮、电池系统、各类零部件等，助推汽车向着轻量化、低能耗、高性能发展。本文以铝材为研究对象，系统论述铝材在汽车制造中的应用，并分析其发展趋势。
Abstract： Metal aluminum is light， has good ductility， electrical conductivity and thermal conductivity， is the most important metal material for automobile manufacturing， is widely used in automobile body skeleton， engine， bumper， wheel， battery system， all kinds of parts， etc.， to boost the development of automotive towards lightweight， low energy consumption and high performance. This paper takes aluminum as the research object， systematically discusses the application of aluminum in automobile manufacturing， and analyzes its development trend.
关键词：铝;汽车制造;应用;发展
Key words： aluminum;automobile manufacturing;application;development
中图分类号：U465.2+1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0167-02
0 引言
我国是人口大国，拥有最庞大的汽车消费市场。在国内经济发展及科学技术发展的助推下，越来越多的国民企业加入到汽车制造行业中，共同推动我国汽车制造行业的发展。在全球节能减排的大背景下，汽车制造朝着轻量化、低能耗、高性能、安全性的方向发展[1]。金属铝密度小，质量轻，易于加工成型，导热及导电性良好，且产量大（铝元素是地壳含量最高的金属元素），是最佳的汽车轻量化材料之一。近年来，关于铝如何应用到汽车制造中的研究越来越多。本文详细介绍铝材在汽车制造中的应用，并分析其未来发展趋势。
1 铝材在汽车制造中的应用现状
1.1 应用于汽车车身及保险杠
汽车车身包括发动机盖、行李箱盖、车顶盖、翼子板和前围板，材料使用量大，占汽车总重比重大，是汽车轻量化的重要研究点。传统的铸钢车身，质量重，导致汽车的耗油量大。有实验研究表明，汽车自身质量质量每降低10%，其燃油消耗量能降低6%～8%，排放可降低5%～6%。金属铝的密度为铁的三分之一，力学性能优良，是汽车车身轻量化的重点研究材料。铝用作汽车车身材料能大大地降低汽车整体重量，实现轻量化目标，达到节能减排的目的。近年来关于铝制车身的研究与实践案例越来越多，其中奥迪公司在1995年就打造了一臺全铝车身桥车，现在大部分的电动车采用全铝车身或采用80%的铝材[2-3]。另外，金属铝是汽车保险杠的主要制造材料，当汽车发生冲撞时，铝制保险杠能有效吸收碰撞热量，以达到减震的效果。
1.2 应用于发动机
发动机是汽车的重要动力部件，也是汽车主要的振动源之一。如今，汽车发动机上多数零件已由铸铁换为铝制品，如活塞支座、油底壳、机体等零件采用铝镁合金材料，能有效地帮助发动机散热，达到减少散热器尺寸，实现汽车轻量化目标[4-5];发动机支座采用泡沫铝材料填充，能有效地减小振动，达到减震的效果。金东风汽车公司生产了一批商务车，采用了铝镁发动机，有效的降低了整车油耗，提高了汽车使用性能[6]。
1.3 应用于车轮生产
汽车车轮是汽车的重要组成部分，它直接与地面接触，承载着汽车的重量，是汽车安全性与舒适性的关键影响因素。传统的铸钢车轮由于刚性强、质量重，存在振动缓冲能力弱及易导致轮胎过热的缺点。铝制车轮加工性能好，尺寸精度高，能有效的降低汽车的纵向及横向振动。另外，由于铝制车轮质量轻，散热性好的，能有效地避免车轮过热问题的发生，进而提高了车轮的抗老化性能，延长了车轮的使用寿命。目前，高端跑车、桥车、大型公交车以及一些军用特种车均采用铝制车轮。据相关部门的统计，未来，将有98%的汽车将采用铝制车轮[7]。
1.4 应用于汽车底盘
汽车底盘包括行驶系、传动系、制动系四部分，包含的零配件较多。目前，许多汽车底盘的零部件均采用铝合金制造而成，具体包括制动钳、方向盘骨架、离合器踏板、刹车踏板、变速器壳体、离合器壳体、制动器壳体、转向节、转向器壳体等[8]。铝合金零部件的使用，有效地减轻了汽车底盘的重量。
1.5 应用于汽车铝棒导线
线束是汽车的神经系统，是传递电信号的重要媒介。铝棒导线为单芯导线，具有密度小、工差小、结构稳定、价格实惠及易于安全等优点，且其导线性能优于铜线，正在逐渐被汽车生产制造商认可及应用。目前铝棒导线正逐渐应用到纯电动和混动汽车中，一些知名品牌的汽车代工生产商也开始使用铝棒导线的设计，例如路虎、通用、保时捷、奔驰及宝马[9]。 1.6 應用于热交换器加工
汽车热交换器是汽车发动机降温的重要配件，与家用空调的降温功能一样。由于铝材在导热性、质量以及加工性三方面的优势，铝制热交换器得到了广泛应用。当前，汽车热交换器主要由高频钎焊扁铝管和挤压性质多孔铝材料制备。
2 铝材在汽车制造中的发展趋势
2.1 世界汽车平均用铝量逐年上升
随着环境污染问题的日益凸显以及汽车节能减排的紧迫要求，汽车轻量化、低能耗是未来汽车制造的一大趋势。金属铝以其质轻、力学性能优良的优点，成为了汽车轻量化首选的金属材料，也大力助推了电动新能源汽车的发展。未来新能源电动汽车的占比将不断提升，铝作为新能源电动汽车的主要制造金属材料，其用量也将不断提高，伦敦商品研究所预测，全球混动汽车及电动汽车的用铝量将于2030年达到10Mt，是2018年的10倍;另外由于汽车轻量化趋势，传统汽油类汽车各部件的用铝量也将不断提高。据有关数据统计表明，世界汽车平均用铝量在每年递增，预计到2025年世界汽车平均用铝量将由当前的15%提升到20%，即用铝量达到240kg。我国汽车制造行业由于制造成本以及工艺技术等方面的原因，至2018年汽车平均用铝量仅为153kg，用铝量低于世界平均用铝量，远低于欧美及韩日发达国家水平[10]。因此，我国汽车铝材的应用前景十分广阔。
2.2 主要以铝合金及铝基复合材料的形式应用到汽车制造中
金属铝强度低，不适于单独制作结构部件，常需加入其他金属元素以改善力学性能，制备成铝合金，再应用到汽车制造中。铝合金主要添加的金属元素有铜、锌、锰、硅、镁等，其中以铝镁合金的应用研究最多。将铝锭和镁锭放入保护气体中，然后经高温熔融，则可制备得到镁铝合金。镁铝合金具有质轻、切削性能好、阻尼强、可焊、易于回收、比刚度及比强度大的优点，被广泛应用于仪表盘、方向盘、变箱、油底殻、气缸罩盖、座椅架及轮毂等多个关键零部件。铝锶合金是新兴的一种合金，具有再现性好、回收率高、变质有效时间长、设备腐蚀小、挥发性小等优点，能应用在汽车活塞、泵体、轮毂的生产[11-12]。未来关于汽车铝合金的研究及应用将越来越多。
铝基复合材料也是未来汽车铝材的一大研究发展方向。铝基复合材料是将金属铝作为基体，然后通过特殊的材料制备工艺，加入一种或者多种其他材料制备而来。由于与其他金属材料相结合，使铝基复合材料在原有金属铝特性的基础上，具备更好的抗疲劳性、可塑性、耐磨性以及韧性。王波[13]利用挤压铸造和重力铸造的方法制备了Al2O3/ZAlSi12Cu1Mg1Ni1复合材料活塞，其力学性能优于常规ZAlSi12Cu1Mg1Ni1合金。美国福特公司研发了一款SiCp/Al铝基复合材料制动盘，不再使用铸铁制动盘，并将其批量生产，应用于Lincoln Town Car;Lotus公司生产的运动轿车（Elise）的前后轮制动盘也是采用铝基复合材料[14]。目前，铝基复合材料被广泛应用于汽车刹车装置、制造齿轮箱、驱动轴以及摇臂等汽车构件。未来，铝基复合材料在汽车零部件的应用将越来越多。
2.3 铝材的成型加工及运输方式有待改进
第一是铝合金的延伸率相较钢制品低，仅为其30%，在加工过程中易出现产品拉裂问题，因此需进一步改善铝材的加工成型工艺;第二是铝制品不能采用铁制品磁力运输的方式，需重新设计新的运输方式。
3 结语
随着科技的发展，汽车行业得到空前发展，推动汽车材料的更新迭代。铝材作为汽车轻量化的首选材料，能有效地减轻汽车整车重量，已被广泛应用于汽车车身、保险杠、发动机零配件、车轮、底盘零部件、汽车导线、热交换器等处。未来，世界新能源汽车的生产量将逐年增加，世界汽车平均用铝量将不断提高，关于如何将铝合金及铝基复合材料应用到汽车制造中的研究也将随之增多。
参考文献：
[1]吕俊成，莫易敏，袁智军，等.泡沫铝材料在微型汽车纵梁中的应用研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，39（03）：515-518.
[2]孙凤雨.金属材料在汽车轻量化中的应用[J].科技资讯，2018，016（031）：97-98.
[3]王岩，王祝堂.未来的汽车与铝[J].轻合金加工技术，2020，48（03）：4-9.
[4]周军.金属铝材料在汽车发动机生产中的应用[J].中国金属通报，2018（07）：259-261.
[5]孙凤雨.金属材料在汽车轻量化中的应用[J].科技资讯，2018，016（031）：97-98.
[6]康明，袁海波，王泽忠.铝，镁合金在东风商用车发动机中的应用[C].第十三届全国特种铸造及有色合金学术年会、第七届全国铸造复合材料学术年会、2011年全国半固态加工技术及其应用高层论坛.
[7]梁峰伟，郝珮帆，樊宝龙，等.铝制品在汽车材料中的发展及运用研究[J].湖北农机化，2020（005）：72.
[8]王岁红.铝材在汽车制造技术中的应用[J].技术与市场，2019（9）.
[9]陶莹，韩光杰，付宏程.浅析汽车用单芯铝导线技术条件[J].汽车实用技术，2020（7）：261-264.
[10]刘静安，盛春磊，刘志国，等.铝材在汽车上的开发应用及重点新材料产品研发方向[J].铝加工，2012（5）：4-15.
[11]冀娜，王蕊.浅谈镁铝锶合金的应用及发展方向[J].世界有色金属，2020（24）：161-162.
[12]侯凤婷.铝镁合金的点火及燃烧特性研究[D].杭州电子科技大学，2020.
[13]王波，徐颖梅，赵东宏.汽车活塞用铝基复合材料的组织与力学性能[J].铸造，2021，70（01）：79-85.
[14]李亚林，孙垒，曹柳絮，等.汽车制动盘用铝基复合材料摩擦磨损研究进展[J].材料导报，2020，34（S1）：361-365.
Abstract： Metal aluminum is light， has good ductility， electrical conductivity and thermal conductivity， is the most important metal material for automobile manufacturing， is widely used in automobile body skeleton， engine， bumper， wheel， battery system， all kinds of parts， etc.， to boost the development of automotive towards lightweight， low energy consumption and high performance. This paper takes aluminum as the research object， systematically discusses the application of aluminum in automobile manufacturing， and analyzes its development trend.
关键词：铝;汽车制造;应用;发展
Key words： aluminum;automobile manufacturing;application;development
中图分类号：U465.2+1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0167-02
0 引言
我国是人口大国，拥有最庞大的汽车消费市场。在国内经济发展及科学技术发展的助推下，越来越多的国民企业加入到汽车制造行业中，共同推动我国汽车制造行业的发展。在全球节能减排的大背景下，汽车制造朝着轻量化、低能耗、高性能、安全性的方向发展[1]。金属铝密度小，质量轻，易于加工成型，导热及导电性良好，且产量大（铝元素是地壳含量最高的金属元素），是最佳的汽车轻量化材料之一。近年来，关于铝如何应用到汽车制造中的研究越来越多。本文详细介绍铝材在汽车制造中的应用，并分析其未来发展趋势。
1 铝材在汽车制造中的应用现状
1.1 应用于汽车车身及保险杠
汽车车身包括发动机盖、行李箱盖、车顶盖、翼子板和前围板，材料使用量大，占汽车总重比重大，是汽车轻量化的重要研究点。传统的铸钢车身，质量重，导致汽车的耗油量大。有实验研究表明，汽车自身质量质量每降低10%，其燃油消耗量能降低6%～8%，排放可降低5%～6%。金属铝的密度为铁的三分之一，力学性能优良，是汽车车身轻量化的重点研究材料。铝用作汽车车身材料能大大地降低汽车整体重量，实现轻量化目标，达到节能减排的目的。近年来关于铝制车身的研究与实践案例越来越多，其中奥迪公司在1995年就打造了一臺全铝车身桥车，现在大部分的电动车采用全铝车身或采用80%的铝材[2-3]。另外，金属铝是汽车保险杠的主要制造材料，当汽车发生冲撞时，铝制保险杠能有效吸收碰撞热量，以达到减震的效果。
1.2 应用于发动机
发动机是汽车的重要动力部件，也是汽车主要的振动源之一。如今，汽车发动机上多数零件已由铸铁换为铝制品，如活塞支座、油底壳、机体等零件采用铝镁合金材料，能有效地帮助发动机散热，达到减少散热器尺寸，实现汽车轻量化目标[4-5];发动机支座采用泡沫铝材料填充，能有效地减小振动，达到减震的效果。金东风汽车公司生产了一批商务车，采用了铝镁发动机，有效的降低了整车油耗，提高了汽车使用性能[6]。
1.3 应用于车轮生产
汽车车轮是汽车的重要组成部分，它直接与地面接触，承载着汽车的重量，是汽车安全性与舒适性的关键影响因素。传统的铸钢车轮由于刚性强、质量重，存在振动缓冲能力弱及易导致轮胎过热的缺点。铝制车轮加工性能好，尺寸精度高，能有效的降低汽车的纵向及横向振动。另外，由于铝制车轮质量轻，散热性好的，能有效地避免车轮过热问题的发生，进而提高了车轮的抗老化性能，延长了车轮的使用寿命。目前，高端跑车、桥车、大型公交车以及一些军用特种车均采用铝制车轮。据相关部门的统计，未来，将有98%的汽车将采用铝制车轮[7]。
1.4 应用于汽车底盘
汽车底盘包括行驶系、传动系、制动系四部分，包含的零配件较多。目前，许多汽车底盘的零部件均采用铝合金制造而成，具体包括制动钳、方向盘骨架、离合器踏板、刹车踏板、变速器壳体、离合器壳体、制动器壳体、转向节、转向器壳体等[8]。铝合金零部件的使用，有效地减轻了汽车底盘的重量。
1.5 应用于汽车铝棒导线
线束是汽车的神经系统，是传递电信号的重要媒介。铝棒导线为单芯导线，具有密度小、工差小、结构稳定、价格实惠及易于安全等优点，且其导线性能优于铜线，正在逐渐被汽车生产制造商认可及应用。目前铝棒导线正逐渐应用到纯电动和混动汽车中，一些知名品牌的汽车代工生产商也开始使用铝棒导线的设计，例如路虎、通用、保时捷、奔驰及宝马[9]。 1.6 應用于热交换器加工
汽车热交换器是汽车发动机降温的重要配件，与家用空调的降温功能一样。由于铝材在导热性、质量以及加工性三方面的优势，铝制热交换器得到了广泛应用。当前，汽车热交换器主要由高频钎焊扁铝管和挤压性质多孔铝材料制备。
2 铝材在汽车制造中的发展趋势
2.1 世界汽车平均用铝量逐年上升
随着环境污染问题的日益凸显以及汽车节能减排的紧迫要求，汽车轻量化、低能耗是未来汽车制造的一大趋势。金属铝以其质轻、力学性能优良的优点，成为了汽车轻量化首选的金属材料，也大力助推了电动新能源汽车的发展。未来新能源电动汽车的占比将不断提升，铝作为新能源电动汽车的主要制造金属材料，其用量也将不断提高，伦敦商品研究所预测，全球混动汽车及电动汽车的用铝量将于2030年达到10Mt，是2018年的10倍;另外由于汽车轻量化趋势，传统汽油类汽车各部件的用铝量也将不断提高。据有关数据统计表明，世界汽车平均用铝量在每年递增，预计到2025年世界汽车平均用铝量将由当前的15%提升到20%，即用铝量达到240kg。我国汽车制造行业由于制造成本以及工艺技术等方面的原因，至2018年汽车平均用铝量仅为153kg，用铝量低于世界平均用铝量，远低于欧美及韩日发达国家水平[10]。因此，我国汽车铝材的应用前景十分广阔。
2.2 主要以铝合金及铝基复合材料的形式应用到汽车制造中
金属铝强度低，不适于单独制作结构部件，常需加入其他金属元素以改善力学性能，制备成铝合金，再应用到汽车制造中。铝合金主要添加的金属元素有铜、锌、锰、硅、镁等，其中以铝镁合金的应用研究最多。将铝锭和镁锭放入保护气体中，然后经高温熔融，则可制备得到镁铝合金。镁铝合金具有质轻、切削性能好、阻尼强、可焊、易于回收、比刚度及比强度大的优点，被广泛应用于仪表盘、方向盘、变箱、油底殻、气缸罩盖、座椅架及轮毂等多个关键零部件。铝锶合金是新兴的一种合金，具有再现性好、回收率高、变质有效时间长、设备腐蚀小、挥发性小等优点，能应用在汽车活塞、泵体、轮毂的生产[11-12]。未来关于汽车铝合金的研究及应用将越来越多。
铝基复合材料也是未来汽车铝材的一大研究发展方向。铝基复合材料是将金属铝作为基体，然后通过特殊的材料制备工艺，加入一种或者多种其他材料制备而来。由于与其他金属材料相结合，使铝基复合材料在原有金属铝特性的基础上，具备更好的抗疲劳性、可塑性、耐磨性以及韧性。王波[13]利用挤压铸造和重力铸造的方法制备了Al2O3/ZAlSi12Cu1Mg1Ni1复合材料活塞，其力学性能优于常规ZAlSi12Cu1Mg1Ni1合金。美国福特公司研发了一款SiCp/Al铝基复合材料制动盘，不再使用铸铁制动盘，并将其批量生产，应用于Lincoln Town Car;Lotus公司生产的运动轿车（Elise）的前后轮制动盘也是采用铝基复合材料[14]。目前，铝基复合材料被广泛应用于汽车刹车装置、制造齿轮箱、驱动轴以及摇臂等汽车构件。未来，铝基复合材料在汽车零部件的应用将越来越多。
2.3 铝材的成型加工及运输方式有待改进
第一是铝合金的延伸率相较钢制品低，仅为其30%，在加工过程中易出现产品拉裂问题，因此需进一步改善铝材的加工成型工艺;第二是铝制品不能采用铁制品磁力运输的方式，需重新设计新的运输方式。
3 结语
随着科技的发展，汽车行业得到空前发展，推动汽车材料的更新迭代。铝材作为汽车轻量化的首选材料，能有效地减轻汽车整车重量，已被广泛应用于汽车车身、保险杠、发动机零配件、车轮、底盘零部件、汽车导线、热交换器等处。未来，世界新能源汽车的生产量将逐年增加，世界汽车平均用铝量将不断提高，关于如何将铝合金及铝基复合材料应用到汽车制造中的研究也将随之增多。
参考文献：
[1]吕俊成，莫易敏，袁智军，等.泡沫铝材料在微型汽车纵梁中的应用研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，39（03）：515-518.
[2]孙凤雨.金属材料在汽车轻量化中的应用[J].科技资讯，2018，016（031）：97-98.
[3]王岩，王祝堂.未来的汽车与铝[J].轻合金加工技术，2020，48（03）：4-9.
[4]周军.金属铝材料在汽车发动机生产中的应用[J].中国金属通报，2018（07）：259-261.
[5]孙凤雨.金属材料在汽车轻量化中的应用[J].科技资讯，2018，016（031）：97-98.
[6]康明，袁海波，王泽忠.铝，镁合金在东风商用车发动机中的应用[C].第十三届全国特种铸造及有色合金学术年会、第七届全国铸造复合材料学术年会、2011年全国半固态加工技术及其应用高层论坛.
[7]梁峰伟，郝珮帆，樊宝龙，等.铝制品在汽车材料中的发展及运用研究[J].湖北农机化，2020（005）：72.
[8]王岁红.铝材在汽车制造技术中的应用[J].技术与市场，2019（9）.
[9]陶莹，韩光杰，付宏程.浅析汽车用单芯铝导线技术条件[J].汽车实用技术，2020（7）：261-264.
[10]刘静安，盛春磊，刘志国，等.铝材在汽车上的开发应用及重点新材料产品研发方向[J].铝加工，2012（5）：4-15.
[11]冀娜，王蕊.浅谈镁铝锶合金的应用及发展方向[J].世界有色金属，2020（24）：161-162.
[12]侯凤婷.铝镁合金的点火及燃烧特性研究[D].杭州电子科技大学，2020.
[13]王波，徐颖梅，赵东宏.汽车活塞用铝基复合材料的组织与力学性能[J].铸造，2021，70（01）：79-85.
[14]李亚林，孙垒，曹柳絮，等.汽车制动盘用铝基复合材料摩擦磨损研究进展[J].材料导报，2020，34（S1）：361-365.