鋁合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用及高強(qiáng)韌鑄造鋁合金技術(shù)發(fā)展
一、鋁合金在汽車上的應(yīng)用
目前，汽車車身、底盤、動(dòng)力及傳動(dòng)等系統(tǒng)中，應(yīng)用的鋁制零部件已超600個(gè)，且各國(guó)/地區(qū)汽車用鋁量均呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其中北美與中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)最為顯著。鋁在汽車中的應(yīng)用場(chǎng)景集中于車身結(jié)構(gòu)件、輪轂、車身覆蓋件、傳動(dòng)系統(tǒng)及缸體缸蓋，且C級(jí)及以上車型的用鋁量遠(yuǎn)高于A、B級(jí)車。
從汽車用鋁種類來看，鑄件用鋁占比最大，超過60%；鋁板材用量占比則逐年提升，在C級(jí)及以上車型中表現(xiàn)尤為明顯。
值得注意的是，國(guó)內(nèi)汽車用鋁中鋁鑄件比例高于歐美地區(qū)：2018年國(guó)內(nèi)汽車用鋁總量為380萬噸，其中鑄件占290萬噸；預(yù)計(jì)到2030年，汽車用鋁量將增至910萬噸。新能源汽車的發(fā)展不僅推動(dòng)汽車用鋁量整體增加，還使鋁板材、擠壓材的應(yīng)用比例顯著上升。
在底盤領(lǐng)域，鋁合金輕量化效果顯著，對(duì)車輛性能提升作用突出。不過，國(guó)內(nèi)外底盤件鋁化率差異較大，國(guó)外鋁化率較高，國(guó)內(nèi)則遠(yuǎn)低于國(guó)外，僅在高檔自主品牌汽車及純電動(dòng)轎車中有所應(yīng)用，滲透率約為10%。具體到底盤零件，轉(zhuǎn)向節(jié)的鋁化滲透率最高；而副車架技術(shù)難度最高，存在成品率較低、尺寸精度待提升、焊接接頭性能及焊接變形控制水平不足等問題。未來，底盤結(jié)構(gòu)件的發(fā)展將圍繞更輕量的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更高性能的材料開發(fā)、更高的生產(chǎn)效率及成品率展開。
二、高強(qiáng)韌鑄造鋁合金材料開發(fā)
當(dāng)前，A356.2鋁合金采用傳統(tǒng)熔鑄工藝時(shí)，存在多項(xiàng)技術(shù)問題，難以滿足汽車關(guān)鍵部件的性能需求，具體如下：
1.?屈服強(qiáng)度未達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，延伸率無法穩(wěn)定保持在9%及以上；
2.?共晶硅變質(zhì)程度低，易形成粗大針片狀結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響合金力學(xué)性能，尤其是延伸率；
3.?α-Al未得到有效細(xì)化，呈現(xiàn)明顯樹枝晶形態(tài)，對(duì)合金強(qiáng)度和延伸率產(chǎn)生不利影響；
4.?熱處理后組織中的共晶硅呈蠕蟲狀，球化效果差，同時(shí)降低合金強(qiáng)度與延伸率。
三、高強(qiáng)韌鑄造鋁合金在轉(zhuǎn)向節(jié)上的應(yīng)用
轉(zhuǎn)向節(jié)的作用及性能要求
轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)件與受力部件，形狀復(fù)雜，主要功能包括支撐車體重量、承受轉(zhuǎn)向力矩及剎車時(shí)的制動(dòng)力矩，工作環(huán)境惡劣，屬于關(guān)鍵安全部件。因此，其對(duì)組織性能、機(jī)械性能及外形尺寸的要求極為嚴(yán)格。
材料及成形工藝現(xiàn)狀
在鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的生產(chǎn)中，鑄造工藝占據(jù)主導(dǎo)地位，應(yīng)用占比約90%。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：需設(shè)置功能區(qū)，滿足與各連接件（如標(biāo)準(zhǔn)螺栓、球頭）的安裝需求；需符合干涉性要求，確保與周邊零件的最小間隙；需通過受力分析明確關(guān)鍵受力部位；同時(shí)要滿足低壓鑄造工藝要求，為后續(xù)質(zhì)量檢查提供依據(jù)。
性能要求：核心需滿足靜強(qiáng)度、耐久性及安全性指標(biāo)。
四、高強(qiáng)韌鑄造鋁合金在副車架上的應(yīng)用
副車架的作用及性能要求
副車架是汽車底盤的重要結(jié)構(gòu)件，用于連接懸架裝置與車身，可支撐車橋、懸掛總成及發(fā)動(dòng)機(jī)、車軸，部分副車架還需承擔(dān)碰撞時(shí)的潰縮變形功能。副車架輕量化開發(fā)能有效降低“簧下質(zhì)量”，進(jìn)而提升能源效率、增加續(xù)航里程、改善乘車舒適性。通常，單件鋼制副車架重量為10-25kg，采用鋁合金材質(zhì)后，可實(shí)現(xiàn)30%-50%的減重，輕量化效果顯著。
材料及成形工藝現(xiàn)狀
副車架的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
通用設(shè)計(jì)要求
性能要求：需滿足板塊靜強(qiáng)度、耐久性、安全性及NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）性能指標(biāo)。
結(jié)構(gòu)要求：與車體采用四點(diǎn)剛性安裝；預(yù)留轉(zhuǎn)向器、穩(wěn)定桿、控制臂、懸置的安裝位置；與周邊零件的間隙需符合總布置要求；根據(jù)碰撞防護(hù)及空間布置需求，設(shè)置潰縮結(jié)構(gòu)。
鋁合金副車架三維模型
長(zhǎng)安副車架的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與車體采用剛性連接；主體為“口”型結(jié)構(gòu)，左前縱梁、右前縱梁、后梁采用低壓鑄造工藝制造，前橫梁采用擠壓鋁材質(zhì)；設(shè)有前、后兩個(gè)懸置安裝支座；結(jié)合碰撞防護(hù)與空間布置，設(shè)計(jì)了潰縮結(jié)構(gòu)。
鑄造后梁件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：后梁鑄件采用低壓鑄造工藝，整體厚度約5mm，屬于大尺寸薄壁復(fù)雜零件；主體加強(qiáng)筋及腹板厚度為4.5-6mm，用于安裝的凸臺(tái)位置尺寸相對(duì)較厚。
結(jié)語
鋁合金憑借輕量化優(yōu)勢(shì)，在汽車尤其是新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，從車身到底盤的多類關(guān)鍵部件，均展現(xiàn)出巨大的替代潛力與性能提升空間。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車用鋁仍面臨鋁化率低、高端材料工藝不成熟（如A356.2傳統(tǒng)熔鑄缺陷）、復(fù)雜零件（如副車架）生產(chǎn)難度大等問題。未來，隨著高強(qiáng)韌鑄造鋁合金材料開發(fā)的不斷突破，以及轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與工藝的持續(xù)優(yōu)化，鋁合金將更廣泛、更高效地應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，為汽車輕量化、高性能化發(fā)展提供核心支撐，助力新能源汽車進(jìn)一步提升續(xù)航與安全性能，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向更節(jié)能、更環(huán)保的方向升級(jí)。
