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轻质合金在汽车轻量化中的应用

Automobile Parts 2021.01

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收稿日期:2020-08-04

基金项目：广西科学研究与技术开发重大专项计划(桂科重14122002-4)

作者简介：杨甄鑫(1997 )，男，硕士(在读)，研究方向为汽车轻量化㊂E-mail:1030791766@qq㊂

通信作者：廖抒华，硕士，教授，研究方向为动力学仿真与控制㊂E-mail:liaohsh60@163㊂

DOI :10.19466/jki.1674-1986.2021.01.024

轻质合金在汽车轻量化中的应用

杨甄鑫，廖抒华

(广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州545006)

摘要：为了降低空气污染，节省能源消耗，汽车轻量化已成为一种发展趋势㊂轻质合金的应用是实现汽

车轻量化的有效途径，分别分析了铝合金㊁镁合金㊁钛合金3种轻质合金的特点与性能优势，阐述了轻质合金的发展与应用现状，总结了轻质合金在汽车轻量化应用中的现存问题，最后提出了我国汽车工业轻质合金的发展建议㊂

关键词：汽车轻量化；铝合金；镁合金；钛合金中图分类号:U461.99

Application of Light Alloy in Automotive Lightweight

YANG Zhenxin,LIAO Shuhua

(School of Mechanical and Traffic Engineering,Guangxi University of

Science and Technology,Liuzhou Guangxi 545006,China)

Abstract :In order to reduce air pollution and save energy consumption,automobile lightweight has become a development trend.The

application of light alloys is an effective way to achieve lightweight vehicles.The characteristics and performance advantages of three light al-loys of aluminum alloy,magnesium alloy,and titanium alloy were separately analyzed,the current development and application status of light

alloys were explained,and the existing problems of lightweight alloys in the lightweight application of automobiles were summarized,finally the development suggestions of lightweight alloys in China s automobile industry were put forward.

Keywords :Automotive lightweight;Aluminum alloy;Magnesium alloy;Titanium alloy

0㊀引言

2019年，我国汽车产销分别完成2572.1万辆和2576.9

huae万辆，产销量继续蝉联全球第一㊂汽车产量和保有量的不断增加，带来了能源㊁环境等一系列问题㊂有关研究表明，燃

油汽车的质量每减少10%，燃油经济性可提高8%~10%，同时尾气的排放也会明显降低；纯电动汽车整车质量降低10

kg ，续航里程可增加2.5km ㊂汽车轻量化可以减少燃油消耗,

降低空气污染，是实现汽车节能减排的有效措施㊂实现汽车

轻量化主要有3种途径：使用轻量化材料㊁结构优化设计和制造工艺轻量化，在中国制造2025 对汽车轻量化的需求中，强调汽车轻量化重点工作领域包含推广应用高强钢㊁铝合金㊁镁合金㊁塑料及非金属复合材料等整车轻量化材料和车身轻量化㊁底盘轻量化㊁动力系统以及核心部件的轻量化设计㊂由此可见，对轻量化材料的研究在汽车轻量化工作领域中具有重要意义㊂钢材是汽车上应用最广泛的材料，为了满足轻量化的要求也在一直改进，向着高强塑积(强度与延伸率的乘积)㊁轻量化方向发展[1]，但与采用轻质合金材料制造的零部件相比，减重效果仍有很大差距㊂一般来说，轻量化材料的应用可以在保持甚至提高车辆的安全性㊁可靠性㊁灵活性㊁刚度以及经济性的同时，有效地实现减重[2]㊂轻质

合金的特性刚好满足了这一要求，是实现汽车轻量化的有效方法㊂本文作者将分别从轻质合金的特性㊁在汽车中的应用㊁现存问题三方面进行探讨，最后提出了我国轻质合金在汽车轻量化中的发展建议㊂

1㊀铝合金

1.1㊀铝合金的特性

铝合金的密度为2.68g /cm 3，常加入的合金元素有铜㊁

镁㊁锌㊁硅，质量仅为钢的30%，同时还具有较高的比强度

(强度/密度)，在同样刚度和强度的设计准则下，铝合金材料的使用可以有效减轻汽车的质量㊂同时，相比于钢，铝合金的热导率更高，并且具有良好的抗腐蚀性㊂铝合金吸收碰撞能的能力要远高于钢材料，极大地提高了汽车的安全性，在使用失效后还可回收循环利用，属于绿的环保材料㊂

1.2㊀铝合金在汽车轻量化中的应用

作为汽车用的第二大材料，随着铝合金材料的技术和工艺

不断发展，在2025年汽车的用铝量将达到196kg /车(乘用

车)[3]㊂

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1.2.1㊀铝合金铸造件的应用

铸造铝合金是以熔融金属充填铸型，获得各种形状零件毛

坯的铝合金㊂铝合金的导热性和抗腐蚀性良好，常被用作汽车发动机的汽缸体㊁汽缸盖㊂美国通用公

司和法国汽车公司的汽缸套都为全铝型，我国生产的ZL119㊁YZ118㊁ZL120等合金均能够用于制造汽车的发动机部件

[4]

㊂

国内外很多学者对铝合金压铸件进行了研究，汪学阳等[5]

针对某电动汽车用车身结构件减震塔的轻量化要求，开发了适合于铝合金减震塔的高真空压铸工艺，实验结果表明，对减震门禁监控

塔采用铝化设计在满足性能要求前提下，实现从5.5kg 减重至

3.6kg ；林佳武等[6]从提高汽车发生后撞时车身的耐撞性和轻量化效果出发，对真空高压铸造铝合金后撞梁进行研究，以耐

撞性为出发点，通过拓扑优化，结合压铸成型和连接工艺等要

求，设计出的铝合金后纵梁质量约9.3kg ，比原件减轻31%;WANG 等[7]对铝合金轮毂低压铸造易产生缩孔和气孔的问题进

行了研究，模拟了模具填充和凝固过程中温度场和应力场的变化，根据实验和响应面分析，最终利用NSGA-Ⅱ算法完成了多目标优化，得出合理的砂壁厚值，实现了模具的轻量化设计，提高了压铸件质量㊂

部分汽车用铝合金铸造构件的应用案例见表1㊂

表1㊀铝合金铸造构件应用案例

材料零部件车型工艺AlMg5Si2Mn 后副车架广汽传祺高真空压铸AlMg5Si2Mn 减震塔蔚来汽车高真空压铸AlMg5Si2Mn

B 柱

奥迪A8高真空压铸

AlMg5Si2Mn 纵梁特斯拉高真空压铸

A356

三角摆臂捷豹XK

压铸

ADC12

仪表板支架

宝马

压铸

1.2.2㊀铝合金冲压件的应用

1899年第一台铝制车身汽车在柏林展出，这是一辆形

状的电动汽车，时速达到了105.882km /h ，如图1所示[8]

㊂

图1㊀1899年铝制车身

现在铝合金广泛应用于新能源乘用车车身中，相对于传统钢制车身，可以实现减重率30%~40%，国

内的蔚来汽车ES8㊁

国外的特斯拉等都采用了全铝车身㊂与铝合金相比，高强钢在新能源汽车车身中的应用具有较高的性价比，成本低㊁制造简单，并且减重效果明显，主要应用于中低端汽车，如长安㊁吉利㊁奇瑞等汽车㊂有研究表明，新能源汽车车身97%可使用

HSS (高强钢)和AHSS (先进高强钢)钢材，车身质量可减

少39%，达到188kg ，与目前铝制车身结构一样轻，并实现五星安全评级[9]㊂

铝合金冲压件的优异性能吸引了很多学者的注意，众泰汽车开发完成了某大型SUV 车型的铝合金发盖，具有成型性好㊁耐腐蚀性强㊁强度高和耐高温等性能[10]，所开发的铝合金发盖

较钢制发盖的质量降低了10.5kg ，减重率高达42.2%；王莉颖和沈左军[11]通过AutoForm 软件对铝合金板和钢板在拉延成

形过程进行有限元模拟，最后与现场生产相对比得出以下结论：铝合金在冲压成形中较钢板更容易产生开裂和起皱，在产

品设计中要尽可能增大产品R 角和降低零件结构断面高低差;ZHENG 等[12]提出了一种新策略来制定合理的压边力加载方案,

并设计了多点压边力加载系统，以提高黏性介质压力成形中铝合金发动机盖成形性能，有利于促进黏性介质压力成形工艺在汽车铝合金覆盖件成形中的应用㊂

部分汽车的铝合金冲压件应用案例见表2㊂

表2㊀铝合金冲压件应用案例

零部件

车型牌号机盖外板长城VV75182车门外板宝马7系AC170PX 车门内板奔驰S 级5182后背门外板捷豹路虎发现者4AC170PX 后背门内板

捷豹路虎发现者45182侧围凯迪拉克CT6AC170PX A 柱/B 柱/C 柱捷豹路虎

6111

地板㊁前围板

捷豹路虎5754

1.2.3㊀铝合金型材构件的应用

铝合金型材构件作为结构件，其刚度较高，并且价格明显

低于铝合金冲压件，因此在汽车行业中被广泛使用㊂铝合金型材构件采用薄壁化㊁中空化可以实现30%~50%的减重效果；吸能性好，用作防撞梁等碰撞件时可吸收大量的冲击；耐腐蚀性强，在用作车身骨架功能件和结构件时，一般无需电泳㊂

2013款路虎揽胜运动版采用全铝轻量化车身及轻量化悬

架，较上一代车型减重420kg (从2535kg 减重到2115kg )㊂白车身应用铝合金达到94%,B 柱也采用了铝合金制造，其中铝合金板材应用达到78%，铸造铝合金构件应用了15%，型材构件为6%㊂使用AC300T61高吸能性铝合金型材制造了吸能

盒，质量为6kg ，相比上一代减重20%[13]㊂

部分汽车的铝合金型材构件的应用案例[13]见表3㊂

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表3㊀铝合金型材构件应用案例

零部件零部件供应商使用车型牌号仪表板加强梁支架

上海友升凯迪拉克CT66063T6A 前纵梁上海友升凯迪拉克CT67003T6地板横梁上海友升凯迪拉克CT66063T6A 前端框架上海友升凯迪拉克CT66063T6A 副车架宝敏科蔚来es87003T6门槛梁上海友升蔚来es86082T6防撞梁宝敏科蔚来es87003T6前防撞梁㊁吸能盒

星乔威泰克长安CX556082T6㊁6系衬套㊁连杆上海友升大众6060㊁6063㊁6061等行李架㊁座椅导轨

上海友升

奔驰

6082-T6㊁6063-T66

1.3㊀铝合金应用的现存问题

虽然铝合金的成本一直在不断降低，但与钢材相比仍有一

定差距㊂有研究表明：在底盘系统中使用高强钢代替普通钢材可以实现减重约30%，并且与铝合金相比可以实现成本降低

30%[14]㊂铝合金材料在车身方面的应用研究如铝合金成型工艺及模具优化㊁焊接工艺㊁特定环境性能和维修方法研究较少[15]，高端产品的加工成形较少，以及成本较钢材贵的原因，导致长期以来铝合金主要在高端车型以及对轻量化要求严格的新能源汽车上应用㊂

2　镁合金

2.1㊀镁合金的特性

在工程应用中镁合金是最轻的结构材料之一，常规镁合金

如AZ91密度为1.81g /cm 3，约为钢材的1/4，用镁合金代替铝

合金可以再减少15%~20%的质量㊂相对于铝合金，镁合金的

比刚度和比强度更高；它的熔点为650ħ，比热容为

1.03kJ /m 3

，具有较低的锻造温度和热容量；表面加工性能和铸造精度较高，不侵蚀铁模；凝固速度快㊁动力学黏度低；电磁屏蔽性能强，散热性良好且回收方便㊂

2.2㊀镁合金在汽车轻量化中的应用

我国的镁资源储量丰富,2018轻量化材料发展路线图中也

明确指出2030年中国单车镁合金达到45kg ㊂2.2.1㊀镁合金在引擎系统中的应用

引擎系统的轻量化对降低零部件的惯性力，提高转动速

度，降低噪声和油耗有显著效果㊂镁合金制造的汽缸盖可以减小发动机的质量㊁提高压缩比，由一汽集团等共同研发的高性能稀土镁合金，解决了稀土镁合金压铸㊁熔炼工艺的系列难题

[16]

，这种稀土镁合金制造的汽缸盖被应用在重卡汽车460马

力的发动机上，具有轻质㊁绿的特点；奥迪汽车在很早便开始探索镁合金在发动机中的应用，并在2005年推出了由镁㊁铝合金混合制造的涡轮增压发动机，采用的镁合金汽缸体相比

普通铸铁汽缸体可减轻23kg [17]㊂

在汽车运行中，发动机支架主要起到固定㊁减震和缓冲的

作用，吕洪燕等[18]针对某款车型的镁合金发动机支架压铸工艺进行优化设计，采用商用镁合金AZ91压铸成形，实验结果

表明：抗拉强度为254.44MPa ㊁屈服强度为232.71MPa ㊁伸

长率为7.33%；底座最大压缩变形量为0.08mm ，性能达到了汽车发动机支架检验标准㊂

镁合金在汽车引擎系统中的应用案例见表4㊂

表4㊀镁合金在引擎系统中的应用

整车企业镁合金零部件

通用气门室罩盖㊁气缸座㊁发动机支架㊁滤油器㊁

发动机罩格栅㊁发动机阀盖㊁阀壳等长安汽车发动机油底壳㊁发动机气缸罩盖大众正时齿轮罩盖㊁曲轴箱㊁增压器壳㊁油底壳等

沃尔沃节气门连杆等

宝马

气缸罩㊁曲轴箱㊁发动机㊁进气支管等

2.2.2㊀镁合金在传动系统中的应用

传动系统是汽车的重要组成部分，传动系统的轻量化，可

以带来更强的动力输出，减小噪声和降低油耗[19]㊂长安汽车在研发的微型汽车上应用了压铸镁合金，以AZ91D 镁合金代替ADC12铝合金，实现了变速箱由原来的12.62kg 减重为

7.95kg [20]；大众汽车在帕萨特和奥迪A4/A6上使用了镁合金

变速箱(12.7kg /个)，在中国制造的桑塔纳车型也使用了镁

合金变速箱[21]；蔚来汽车开发了镁合金减速器壳，质量8.8kg

减重效果达30%，导热性能与铝相当，可以实现840N ㊃m 的高

扭矩传输;YOON 等[22]在数值模拟的基础上，研究了Mg-8Al-0.5Zn 合金差速器箱的温锻工艺，分析了镁合金差速器箱的微观结构㊁组织演变和机械性能，与传统球墨铸铁相比，温锻差

速器箱可降低约50%的质量㊂

在传动系统中应用的镁合金零部件还有齿轮箱外壳㊁分动器壳㊁电机支架㊁叶片导向器㊁离合器活塞等㊂

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2.2.3㊀镁合金在车体系统中的应用

在汽车座椅的组成中，骨架的质量占到整个座椅的60%~

70%，是实现轻量化的首要选择㊂在国外，奔驰最先将镁合金座椅骨架安装在SEL 型敞篷车上，随后福特汽车㊁日本丰田公司㊁韩国现代汽车等也开始采用镁合金代替传统的钢制座椅骨架㊂在国内，长安的一款纯电动车型，采用正向开发压铸镁合金座椅骨架，结合座椅骨架结构特点及法规性能要求，采用强度中等㊁塑性较高及成形性较好的AM50镁合金材料，结合工艺分析和CAE 分析结果对座椅骨架结构进行优化设计，前排镁合金座椅骨架平均减重9kg ，最终实现了正向镁合金座椅骨

架设计㊂

山东省科学院为首研发的电动客车镁合金轻量化车架原型项目，这种电动客车车身长8.3m ㊁24座，车架采用

飞碟杯

200kg 以上的挤压型材镁合金制造，比铝合金还轻约110kg ,

可以减少约27%的制动距离，降低约13%和7%的车内㊁外噪声，相比钢制车架续航里程提高4%左右

[23]

㊂

镁合金在车体系统中的应用还有安全气囊外壳㊁加油箱盖㊁空调机外壳㊁车门内衬㊁仪表板㊁车灯外壳㊁引擎盖㊁车身骨架㊁前端模块框架㊁仪表板骨架㊁行李架骨架㊁电器支架㊁车顶框架等㊂

2.2.4㊀镁合金在底盘系统中的应用

研究表明采用镁合金轮毂替代铝合金轮毂，可有效降低对

环境的不利影响[24]㊂镁合金轮毂强度高，抗冲击性和抗疲劳性强；质量轻，可以提高操纵性，节省了燃油消耗；高温依赖性低，散热性能好，可延长轮胎的使用寿命[25]㊂河南德威科技股份有限公司镁合金汽车轮毂项目，使用国际先进专利技术，现已达到年产100万只的目标，如图2所示

㊂

图2㊀镁合金轮毂

镁合金的性能非常适合采用压铸工艺生产，可以将某些支架㊁附属结构较多的零部件进行集成设计，以达到减少零部件和模具数量的目的㊂如图3所示，某汽车用仪表板转向支撑，通过采用镁合金压铸，可集成仪表板骨架周边30~40个支架类零部件，降低了人工成本，减少了模具数量且提高了总成的尺寸稳定性，质量为3.6kg ，相对于钢制质量减轻

了50%以上

㊂

图3㊀镁合金转向支撑

镁合金在汽车底盘系统中的应用案例见表5㊂

表5㊀镁合金在汽车底盘系统中的应用

镁合金汽车零部件

AZ91B 刹车及离合器踏板托架㊁操纵杆零部件㊁ABS 框架㊁托架

AZ91D 脚踏板㊁转向柱支架㊁辅助转动支架㊁操纵装置壳㊁油泵[26]AZ31

轮毂

AM60B 电器支架㊁仪表梁骨架㊁方向盘骨架㊁散热器支架

AS41A

电机支架

2.3㊀镁合金应用的现存问题

镁合金的生产加工成本过高与技术水平的差距是镁合金所

面临的一大难题，因此镁合金还没有能够在汽车上大量的使用㊂镁合金的柔韧性较差，塑性变形机制和破坏准则极其复杂，在汽车碰撞中容易断裂，因此镁合金塑性变形的研究对镁合金产品的开发意义重大[27

-28]

；抗蠕变性能较差使得镁合金无

法应用于发动机缸体等动力总成部件[21]；镁合金不耐腐蚀，以及腐蚀产生的对疲劳和寿命的影响，也是现在面临的问题之一㊂

3　钛合金

3.1㊀钛合金的特性

钛的密度是4.51g /cm 3，大约为铁(7.6g /cm 3)的2/3,

熔点为1668ħ，比铁㊁镍都高，可以作为耐热材料㊂钛合金具有很高的强度，一般在800~1200MPa 之间，经过时效强化

的钛合金强度可以达到极高的水平，在1600MPa 左右㊂钛合

金的抗腐蚀性能强，比强度高于铝合金和钢，抗疲劳和蠕变性

能好，高温力学性能优，并且塑性较好[29]㊂

3.2㊀钛合金在汽车轻量化中的应用

钛合金的价格昂贵，故在豪华车㊁赛车和跑车中应用较

多㊂由于设计和材料特性，钛合金零部件主要分布在引擎系统

和底盘系统中[30]㊂

3.2.1㊀钛合金在引擎系统中的应用

钛合金的密度低，强度高㊁耐疲劳性能好，最早被使用在

赛车上，能为赛车提供更快的速度和可靠性㊂发动机中的零部件是高速运动的，钛合金制作的零部件质量轻，可以提高发动机的转速和燃油经济性；减轻振动和噪声，提升乘坐舒适性[31]㊂

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发动机中的连杆不仅要承受往复拉压的低周疲劳，还要承受高速运动时的冲击载荷㊂采用钛合金制作的连杆刚好满足这一要求，并且由于连杆质量的降低，发动机的性能也会有很大的改善㊂本田公司的NSX 赛车和法拉利2003En20型V12发动机中都使用了钛合金连杆，机动性明显提高[32]，图4为某款钛合金连杆

㊂

图4㊀钛合金连杆

气阀需要在高温㊁高压㊁强负荷的恶劣工况下工作，用钛合金铸造的气阀，既达到了汽车轻量化的效果，还提高了零件的可靠性㊂宋纬[33]对钛合金气阀的铸造工艺进行了优化，采用了不同的工艺铸造了钛合金气阀，结果显示：采用超声辅助离心铸造的钛合金气阀的耐腐蚀性能和耐磨损性能得到了显著提高;XU 等[34]对粉末冶金工艺进行研究，制备了Ti-5Al-3Mo-

2Fe 合金，并且成功地将Ti-5Al-3Mo-2Fe 合金加工成汽车发动机进气阀，相比钢制气阀可减轻2/3的质量㊂

除此以外，钛合金零部件在引擎系统中的应用案例见表6㊂表6㊀钛合金零部件在引擎系统中的应用

部件名称材料

使用案例钛合金连杆Ti-3Al-2V(La,Ce)S 本田汽车NX-V6进气阀Ti-6Al-2Cr-4V Toyota Alteza

排气阀Ti-834+B Infinity Q45

发动机气门Ti-6Al-4V 日本日立公司

气门弹簧座Ti-22V-4Al 三菱钛合金弹簧Ti-13V11C-3Al

Timet 涡轮增压器 Mitsubishi 回气管

钛制

Timet三基光源

3.2.2㊀钛合金在底盘系统中的应用

排气是底盘系统的重要组成部分之一，大众公司为Golf

4Motion 和Audi A21.2TDI 开发了钛制排气系统，质量节省达50%[35];2019年日本新日铁住金公司宣布，准备将公司之前开发的新型钛基合金用于高级跑车日产GTR 的排气系统,

该合金具有较高的可加工性和耐热性，因此被选为制造商指定材料[36]㊂钛合金还被制成了轮毂安装在迈凯伦P1混合动力跑车上，此款轮毂采用激光立体成形的3D 打印技术，在节省成本㊁工时的同时还提高了材料强度㊂这是世界上首个3D 打印钛合金轮毂，由5个辐条㊁一个碳纤维轮辋和一个中心部件组成，车轮的各个部件通过钛合金紧固件组装成整体，如图5所示

㊂

图5㊀3D 打印钛合金轮毂

轮毂螺栓要承受高剪切力㊁大承重㊁长周期微动磨损，在保证其可靠性的同时采用钛合金材料可以大大减轻其质量㊂TIFAN (钛弗钠-科技创新企业)其推出的钛合金轮毂螺栓比原厂螺栓质量减少45%以上，强度提高超过125%[37]㊂图6为

Tifan 生产的钛合金轮毂螺栓

腐蚀监测㊂

图6㊀钛合金轮毂螺栓

泥浆固液分离钛合金零部件在汽车上的应用还有汽车门突入梁㊁汽车挡支架㊁制动器卡钳活塞㊁销轴栓㊁框架螺钉㊁离合器片㊁压力板㊁变速按钮㊁轮机转子㊁悬挂弹簧㊁刹车延时器等[38]㊂

3.3㊀钛合金应用的现存问题

钛合金零部件的性能优异，但仍然没有达到大规模的使

用，其根本原因是钛合金的成本太高㊂这主要是因为纯钛的制备困难，且合金元素多以价格较高的V 等作为合金元素提高强度㊂近年来随着粉末冶金注射成形㊁喷射成型等新技术的发展，钛合金近净成形技术及电子束焊㊁激光焊等现代焊接技术的不断进步，成本过高已成为阻碍钛合金大量应用于汽车工业的最主要原因[31]㊂

4　结论

(1)铝合金的应用可以实现较好的轻量化效果，但会增加