铝合金-汽车轻量化技术-XXXX
铝合金在汽车轻量化中的应用
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 ，
激 光焊 接 技术 。 该 技术是 ２ ０ 世 纪
６ ０ 年代发展 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 。
资料来 源 ： 《 汽车 轻量化技术 的研究与进展》 ， 海通证券研究所
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 ） 。
燃油效率可提高 ６ ％～８ ％； 若 滚 动 阻 力减少 １ ０ ％， 燃 油效 率 可提 高 ３ ％； 若
开发 和应 用是 当前 最主 要研 究方 向。
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
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 １ ９ ９ ４ 年 的
“ Ｕ ＬＳ ＡＢ” 计划 的开展而得 到快 速发
或使 用 新 材 料 最 大 限度 地 减 轻 各 零
部 件 的质 量 ， 努 力现 汽车轻量化 的途 径主要有 以
汽车轻量化设计-车身常用铝合金材料及性能简介
冷成型工艺
热成型工艺
铸造工艺
工程院车身部
二、铝合金零部件工艺路线
冲压工艺成型工艺路线：
第一阶段：板材制备（熔铸-热轧-冷轧-退火-分切）
自动化 程度高
连续静 压，性
能好
轧制 特点
生产效 率高
板材制备
材料利 用率高
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二、铝合金零部件工艺路线
材料状态选择
不可热处理强化合金（1XXX，3XXX，5XXX合金）： 轧制/挤压：H态，硬态（强度较高） 轧制/挤压—热处理：O态，软态（硬度较小） 轧制/挤压—热处理—轧制/挤压； H12，H14，H16，H18（硬度适中）； 例如5182-O态合金， 工艺路线：热轧-冷轧-360℃X4h退火处理获得5182-O态
工程院车身部
二、铝合金零部件工艺路线
冲压工艺成型工艺路线： 铸棒制备（熔铸-锯切）-挤出（加热铸棒及模具-挤压-锯切-时效）-机加工
工程院车身部
二、铝合金零部件工艺路线
冲压工艺成型工艺路线： 铸棒制备（熔铸-锯切）-挤出（加热铸棒及模具-挤压-锯切-时效）-机加工
整套模具：正模，模垫，模套三部分组成； 正模：工作带，空刀，导流槽，分流孔，分流桥，模芯，焊合室
车身用铝合金及性能简介
目录
1 2 3
铝合金分类及应用 铝合金零件工艺路线
铝合金零件性能
一、铝合金分类及应用
1 铝合金系列
一、铝合金分类及应用
2 铝合金在车身上应用
1XXX：纯铝，例如1050,1060，硬度强度较低，延伸率优良（UTS=70-100MPa； EL=40%）； 汽车中应用： 锂电池正极集流体铝箔（电池）
工程院车身部
二、铝合金工艺路线
汽车铝合金轻量化材料的应用及技术工艺
汽车铝合金轻量化材料的应用及技术工艺摘要：我国铝合金材料在汽车轻量化制造中的应用越来越广泛，但是还面临很多影响因素，因此如何针对这些影响因素采取有效的策略是当务之急。
本文首先说明了汽车轻量化制造的意义，然后分析了铝合金材料优势，最后详细阐述了汽车铝合金轻量化材料的应用及技术工艺。
关键词：汽车；铝合金；轻量化；底盘；发动机一、汽车轻量化制造的意义实现企业的轻量化制造能够推动现代汽车制造业的可持续发展，具体主要表现在两个方面：第一，汽车轻量化有助于降低汽车行驶排放量，减少能耗。
汽车的重量直接关系着其能耗，当行驶速度相同的情况下，汽车自身的体重越大，消耗的能源越多，相反汽车的质量越轻，其能耗越低。
并且当油耗减少时还意味着汽车排放的尾气量减少，发挥节能环保的功效。
第二，汽车轻量化有助于提升企业的行驶性能，确保出行安全。
轻量化制造通过降低汽车的自重，从而缩短了汽车加速的用时，若想将汽车加速至每小时100km，轻量化制造便可以将初始10s缩短至7s，便于对汽车的牵引负荷状态进行调整，提升汽车的行驶性能，与此同时还能够降低汽车行驶过程中的惯性，确保汽车行驶的安全性。
二、铝合金材料优势（一）减重效果较为良好铝合金在汽车制造中的应用，便能够达到良好的汽车轻量化效果，具体来讲，铝的密度为2.7g/cm3，为钢铁密度的1/3；铝合金导热性能良好，在金属中仅次于铜；铝合金耐腐蚀性能良好，这是因为其表面能够自动形成一层氧化膜，这些特征使得铝合金成为了汽车制造的主要材料。
（二）生产材料能够回收利用铝合金是回收率较高的金属材料，这是因为铝合金在应用过程中出现腐蚀问题的概率较低。
铝合金材料在制作成产品、使用、回收加工成铝锭、再次制作成产品的循环过程中，损耗率也仅仅为5%，其回收利用价值是所有金属材料中最高的，目前大部分国家应用汽车制造铝合金为再生铝材料。
此外，铝的熔点较低，流动性能良好，因此能够制作成各种结构复杂、形状不规则的构件，这位汽车制造提供了便利条件，同时也便于铝合金回收利用。
铝合金在汽车轻量化中的优势
铝合金在汽车轻量化中的优势导读：汽车工业在蓬勃发展的同时，由于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。
实施汽车轻量化过程中铝合金材料将发挥其天然优势，主要用来改造和替代车身材料。
汽车工业在蓬勃发展的同时，由于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。
实施汽车轻量化过程中铝合金材料将发挥其天然优势，主要用来改造和替代车身材料。
汽车轻量化大致可以分为车身轻量化、发动机轻量化、底盘轻量化三类,其目的均是在保证性能的前提下通过使用更轻材料降低车重，从而实现节能环保功能。
很显然，铝合金在汽车轻量化中有其天然的优势：一、减重和节能效果明显。
铝的力学性能好，其密度只有钢铁的1/3，具有良好的导热性，仅次于铜，机械加工性能比铁高4.5 倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性，因此铝成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。
二、乘客的舒适性和安全性获得提高。
铝合金汽车是在不降低汽车容量的情况下减轻汽车自重，车身重心减低，汽车行驶更稳定、舒适。
由于铝材的吸能性好，在碰撞安全性方面有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生皱褶，可吸收大量的冲击力，从而保护了后面的驾驶员和乘客。
三、铝易于回收。
铝制品在使用过程中几乎不发生腐蚀或仅发生轻微的腐蚀，工业上使用的常规材料中，铝的回收价值率是最高的。
在铝材—铝制品—使用—回收再生铝锭—再加工成铝材的循环过程中，铝的损耗也仅5%左右，其再生性能比任何一种常用金属都高。
我们可以通过图表的形式直观的了解一下铝合金材料在汽车轻量化中的典型应用：目前东轻公司在产汽车轻量化方面合金材料1. 轿车车门用5754铝合金板材、6005A型材：东轻公司结合国内的市场，自主开发的《轿车车门用5754铝合金板材》被列入国家“九五”轿车新材料技术开发项目，并得到国家的大力支持。
产品质量达到了国外同类产品实物质量水平和标准要求，完全替代了进口，并实现了产品定型、批量生产的目标，制定出了完整的生产工艺操作规程与质量保证体系。
汽车用铝合金型材开发与轻量化应用
汽车用铝合金型材开发与轻量化应用1. 前言节能降耗、减少排放、提高安全性能成为汽车行业发展方向，汽车轻量化技术是解决节能环保的重要措施。
可通过结构优化设计、轻量化材料应用及多种制造技术集成应用而实现产品轻量化。
铝合金由于其密度小、成型性好、吸能效果好及耐腐蚀性能好等原因被广泛应用于轻量化汽车中。
据记载，汽车制造企业于1896年开始使用铝合金制作曲轴箱，发展到现在，铝合金已使用到汽车各部位，如发动及缸体、仪表台及发动机支架、铝合金车轮、悬挂系统零件、保险杠防撞梁及吸能盒、车门及热交换器等，甚至是全铝车身。
现在国际上已有不少全铝合金车身车型在售，包括Honda的超级跑车NSX，Audi的A2、A8、R8以及Jaguar XJ。
其中Jaguar XJ是铝合金技术轻量化技术发挥到极致的车型，不仅车身重量大幅度下降，而且车身零件总数从5189个降至2761个，车身刚性提高了48%。
据资料所示，铝合金在汽车的使用量逐渐增加，从1990年平均50kg/车，发展到现在已达平均150kg/车以上。
2. 铝型材特点及其应用2.1 铝型材特点挤压是铝合金重要的成型方法，铝合金挤压成型是一种热加工成型方法，并且在整个生产过程中，铝合金均处于三向压应力状态下成型。
整个生产过程可这样描述：首先，把铝及其他合金熔炼铸造成所需要的铝合金铸棒；然后，把预热后的铸棒放进挤压设备内进行挤压，铝合金坯料在主缸挤压作用下，通过模具的型腔成为所需的型材；最后，为了提高铝型材的力学性能，在挤压过程或挤压后进行固溶处理，随后在进行时效处理。
时效处理后的力学能能根据不同的成分及时效制度各异，表1为汽车用挤压铝型材与普碳钢的性能对比。
表1 汽车用挤压铝型材与普碳钢的性能对比铝合金挤压产品较其他成型方式，具备以下的特点：（1）在挤压过程中，被挤压金属在变形区内获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，因此挤压可充分发挥被加工金属的塑性，可用于加工轧制锻造无法加工的难变形金属，同时可用于制作各种空心或实心的复杂截面构件；（2）由于铝型材几何截面可变，因而其构件的刚度高，可提高车身的刚性、降低其NVH特性、提高车辆动态控制特性；（3）由于铝型材截面可控制，可提高构件的功能集成程度，降低构件数量，同时通过截面匹配还可实现焊接精确定位；（4）具有挤压效益的产品，在淬火时效后，纵向强度性能（Rm，Rp0.2），远比其他方法加工的同类产品要高；（5）挤压后产品表面色泽好，耐腐蚀性能好，不需要做其他防腐性的表面处理；（6）挤压加工灵活性大，工装模具成本低，设计变更费用低。
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§ 固溶淬火处理
将可热处理强化的铝合金材料加热到较高的温度并 保持一定的时间，使材料中的第二相或其它可溶成分充 分溶解到铝基体中，形成过饱和固溶体，然后以快冷的 方法将这种过饱和固溶体保持到室温，它是一种不稳定 的状态，因处于高能位状态，溶质原子随时有析出的可 能。但此时材料塑性较高，可进行冷加工或矫直工序。
§ 主要有： ▪ 1.高强度钢板 ▪ 2.铝合金 ▪ 3.镁合金 ▪ 4. 钛合金 ▪ 5.高分子材料 ▪ 6.新型复合材料
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二、铝合金基础知识
§2.1 铝合金的特点：
铝的密度小（2.7 g/cm³），约为钢（7.8 g/cm³）的 1/3。用铝合金代钢铁可减重50% 左右,由于铝的 表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜（钝化）， 所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融 化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形状的 零件。铝中加入一种或几种元素后即构成铝合金 ，铝合金相对于纯铝可以提高强度和硬度，除固 溶强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有 些铝合金的抗拉强度可超过600MPa。导热率和导 电率是钢的3倍。
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§2.6 铝合金基础代号
§ 变形铝及铝合金状态代号命名的基本原则基础状态代号用一个英文大 写字母表示；细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯 数字表示
铝合金材料在汽车轻量化中的应用分析
铝合⾦材料在汽车轻量化中的应⽤分析铝合⾦材料在汽车轻量化中的应⽤分析2008-04-10 中国汽车⼯业信息⽹1铝合⾦的特点(1)铝作为轻量化⾦属的优势铝的⼒学性能好，其密度只有钢铁的1/3；具有良好的导热性，仅次于铜；机械加⼯性能⽐铁⾼4.5倍，且其表⾯⾃然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝的铸造⼯艺性能也⽐较好，可以获得薄壁复杂铸件。
随着铝合⾦技术的发展，铝中添加镁、铬、硅等合⾦元素可获得⾼强度铝合⾦材料。
车⽤普通钢材的强度约为240MPa左右.⾼强度钢为500-700MPa，⽽车⽤铝合⾦的强度现在可以达到500MPa以上，因此铝合⾦的⽐强度(强度/密度)更⾼，在等强度设计条件下，铝合⾦轻得多，可使发动机⽓缸体和⽓缸盖减重30%-40%，全铝车⾝⽐钢车⾝轻40%以上，铝合⾦车轮减重达50%左右。
⽽且，铝合⾦带来的轻量化⼜允许制动器、悬架等零部件减重，即⼆次轻量化，后者轻量化效果⼤概是前者的50%。
美国的⼀项研究报告表明，整备质量为1483.6kg的轿车采⽤铝材料，在保持全部性能的前提下，车⾝质量减重125kg，其次是发动机零部件质量减重54kg，其他总成和零部件减重效果也很明显，如悬架系统减重29kg，传动系减重14.5kg.车轮减重11.8kg.制动系减重10.9kg，燃料系统减重9kg，转向机构减重5kg.排⽓机构减重4kg等，总计减重超过260kg，达到17.5%。
(2)铝吸收冲击的能⼒是钢的2倍。
有⼈称使⽤强度⽐钢铁差的轻质材料⼀定会损害车辆安全性.这是不真实的。
铝材受碰撞后变形模式为前部⼤收缩⽽后部⼏乎不变形，见图1。
由于铝材的吸能性好，在碰撞安全性⽅⾯有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产⽣皱褶，可吸收⼤量的冲击⼒，从⽽保护了后⾯的驾驶员和乘客。
⽽且，由于车⾝质量减轻，可以更快捷地转向或制动，能更好地避免发⽣事故。
即使发⽣碰撞，碰撞时的动能也会减⼩，可相应地降低冲击⼒。
(3)铝易于回收再⽣。
2024年汽车轻量化之铝合金行业分析报告
2024年，汽车轻量化成为行业的热点之一、汽车制造商纷纷采用轻量化材料来替代传统材料，以降低汽车的整体重量，提高燃油效率和减少尾气排放。
其中，铝合金作为一种重要的轻量化材料，受到了广泛的关注。
首先，铝合金的优势在于其轻质、高强度和可塑性。
相比于传统的钢材，铝合金的密度仅为钢材的1/3，但其强度却接近于钢材的水平。
同时，铝合金具有良好的可塑性，可以通过压铸、轧制和拉伸等方式制成各种形状和尺寸的零部件。
这使得铝合金在汽车制造中可以实现更为精细化的设计和更高效的生产。
其次，铝合金的应用范围广泛。
在汽车制造中，铝合金可以应用于车身结构、发动机、悬挂系统、传动系统等多个方面。
首先，铝合金可以用于车身结构的制造，可以减轻整车重量，并提高整车的刚性和强度。
其次，铝合金可以用于发动机的制造，可以减少发动机的重量，提高发动机的热传导性能和燃烧效率。
此外，铝合金还可以用于悬挂系统和传动系统等关键部件的制造，以提高整车的操控性和动力性能。
再次，2024年铝合金行业呈现出一系列的发展趋势。
首先，铝合金的研发和生产技术不断提升。
随着科技的进步和市场需求的增加，铝合金行业不断引进先进的生产设备和工艺技术，以提高材料的质量和性能。
其次，铝合金在汽车领域的应用不断扩展。
随着汽车制造商对轻量化的追求，铝合金在汽车领域的应用呈现出快速增长的趋势。
再次，铝合金行业的市场规模不断扩大。
由于铝合金在汽车领域的广泛应用，铝合金的需求量不断增加，市场规模也在不断扩大。
最后，2024年铝合金行业面临着一些挑战。
首先，铝合金的成本相对较高。
由于铝合金的生产过程较为复杂，需要消耗大量的能源和资源，因此其成本较高，限制了其在汽车领域的应用。
其次，铝合金在一些方面的性能和耐久性还需要进一步提升。
虽然铝合金具有轻质和高强度等优点，但在一些特殊环境下，如高温、高压和高频振动等条件下，其性能和耐久性仍然存在一定的局限性。
综上所述，2024年汽车轻量化中的铝合金行业面临着一系列的机遇和挑战。
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将可热处理强化的铝合金材料加热到较高的温度并 保持一定的时间，使材料中的第二相或其它可溶成分充分 溶解到铝基体中，形成过饱和固溶体，然后以快冷的方法 将这种过饱和固溶体保持到室温，它是一种不稳定的状态 ，因处于高能位状态，溶质原子随时有析出的可能。但此 时材料塑性较高，可进行冷加工或矫直工序。
▪ 除标准铝合金外，一些铝合金公司与汽车制造者还研 发了一批具有某些特殊性能的非标准铝合金。常用标 准汽车铝合金如下表所示。1 × × ×系~8× × ×系 在汽车制造中都或多或少的获得了应用。
▪ C:\Users\Administrator\Desktop\汽车制造中常用铝 合金.docx
美国生产的全铝自卸车 在美国，95%以上的油罐车用铝材料制造
▪ 2.2 铝合金分类
▪ 根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为 变形铝合金和铸造铝合金两大类。
▪ 2.3 纯铝与铝合金牌号
表 2 纯铝与铝合金牌号
2.4 铝及铝合金的分类
▪ 2.5 铝及铝合金材料分类
▪ 2.6 铝合金基础代号
▪ 变形铝及铝合金状态代号命名的基本原则基础状态代号用一个英文大 写字母表示；细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯 数字表示
国外品牌汽车铝合金防撞梁、吸能盒
▪ 3.2 应用现状
▪ 国外的应用现状
美国：1994年用铝量为87kg/辆，2000年达到116kg/辆， 2006年达到了145kg/辆。2000年到2006年6年中的年平
均增长率为3.7％。
➢ 同期（2006年），欧洲、日本轻型汽车中的用铝 量分别为259.28磅/辆（117.6kg/辆）和251.33磅 /辆（114.0kg/辆），6年中的CAGR分别为5％和 3％，可见，在过去的几年当中，欧洲是汽车用 铝发展最为迅速的地区。
车身
传动系
19~24
20~28
5~10
内装外装 20~25
其他 8~13
铝合金车身板的应用及减重效果
▪ 1.3 轻量化的手段
▪ (1)优化汽车车身框架结构； ▪ (2)用高强度轻质材料代替传统的钢铁材料。
▪ 主要有： ➢ 1.高强度钢板 ➢ 2.铝合金 ➢ 3.镁合金 ➢ 4. 钛合金 ➢ 5.高分子材料 ➢ 6.新型复合材料
，但时效速度减慢，其余变化不大。
三、汽车用铝合金现状
▪ 3.1 在汽车上的应用范围
▪ 铸造铝合金与变形铝合金都在汽车中获得了应用，但是以前 者为主。当前铝合金的铸件主要用于制造发动机零部件、壳 体类零件和底盘上的其他零件。如轿车发动机缸体、缸盖、 离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。
▪ 变形铝合金适合压力加工，通过冷变形和热处理可使其强度 进一步提高。可制成板材、管材、棒材以及各种形状的型材 。变形铝合金主要用于汽车车身。包括：发动机罩、车顶棚 、车门、翼子板、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件。过 去用于轿车车身的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、AlMg(5000系)an Al-Mg-Si(6000系)三大系列
2
美铝公司和宇通公司合作研发的全铝公共汽车用铝部位图
沃尔沃S70的车门外板
宝马M3的发动机盖板
使用Novelis Fusion AF350 生产的汽车车门内板
全铝轿车车身空间框架示意图
奥迪车纵梁
宝马汽车后车架
奥迪公司的侧面车架
奥迪公司的油底壳
▪ 时效
经固溶淬火后的材料，在室温或较高温度下保持 一段时间，不稳定的过饱和固溶体会进行分解，第二相 粒子会从过饱和固溶体中析出（或沉淀），分布在α（ Al）铝晶粒周边，从而产生强化作用称之为析出（沉淀 ）强化。
▪ 回归
时效型合金在时效强化后，于平衡相或过渡相的 固溶度曲线以下某一温度加热，时效硬化现象会立即消 除，硬度基本上恢复到固溶处理状态，这种现象称为回 归。合金回归后，再次进行时效时，仍可重新产生硬化
2.7 铝及铝合金热处理分类
退火
均匀化退火 中间退火 成品退火
在线淬火
立式淬火
离线淬火
铝 及
固溶淬火
一次淬火
卧式淬火
铝
合
阶段淬火
金
热 处
自然时效
过时效
理
时效
人工时效
多级时效
欠时效
回归
▪ 退火
产品加热到一定温度并保温到一定时间后以一 定的冷却速度冷却到室温。通过原子扩散、迁移， 使之组织更加均匀、稳定、，内应力消除，可大大 提高材料的塑性，但强度会降低。
使得轻量化成了必然。
▪ 1.2 汽车轻量化的主要对象
▪ 由表2可以知：发动机、底盘、车身及内外装占轿 车总质量的比例较大,减重潜力也较大。轿车车身 是轿车中重量较大的部件，约占汽车总重量的30 ％，所以车身的铝化举足轻重。
名称
质量比例 （%）
发动机 10~15
表 2 轿车各部分的质量比例
底盘（除传 动系）
二、铝合金基础知识
▪ 2.1 铝合金的特点：
铝的密度小（2.7 g/cm³），约为钢（7.8 g/cm³）的 1/3。用铝合金代钢铁可减重50% 左右,由于铝的表 面易氧化形成致密而稳定的氧化膜（钝化），所以 耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度 低，流动性好，易于制造各种复杂形状的零件。铝 中加入一种或几种元素后即构成铝合金，铝合金相 对于纯铝可以提高强度和硬度，除固溶强化外，有 些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉 强度可超过600MPa。导热率和导电率是钢的3倍。
压巴代作美 框的节研铝 架铝能发与 结合环的宇 构金保新通 。挤大一合
550kg 400kg
46%
吨 件框重全
。 分架效铝
减 别、果公 重、减轮标用
近 重毂示全
800kg 170kg
。图铝
。
， 合 计 减 重 量 近
、 、
车 身 钣 金 件 、 内 饰
。 与 钢 结 构 相 比 ，
公 共 汽 车 铝 件 的 减
汽车轻量化技术 铝合金
主要内容
1
汽车轻量化背景
2
铝合金基础知识
3
汽车用铝合金现状
4
铝合金汽车板工艺
5
轻量化发展方向
一、汽车轻量化背景
▪ 1.1 轻量化的必然性
• 汽车质量每减轻１%，可节省燃料消耗0.6％~1.0%； • 车辆每减重100 kg，CO2排放量可减少约5 g/km，在轿
车中每使用1 kg铝，可在其使用寿命期内减少20 kg尾 气排放； • 汽车尾气排放与油耗成正相关； • 现有汽车越来越高级化，附加装置也越来越多。同样