【知荐】汽车行业发展对轻质结构部件的需求与展望

来源：期刊-《精密成形工程》

作者：胡斌

摘 要：随着汽车工业2.0 时代的来临，汽车零部件的设计和制造正发生着巨大改变，同时对汽车轻量化的要求也进一步提升。介绍了汽车体系各子系统中主要轻质结构部件的现状和发展情况，从不同轻量化材料类型出发，介绍了各个轻质结构部件中铝合金和镁合金部件的应用情况，同时介绍了汽车轻质结构件材料的需求和研发方向。随后综述了轻质结构部件中主要的成形工艺，介绍了各类成形工艺所适用于生产何种零件，并对提高轻质材料在汽车结构件中的应用进行了展望。

关键词：汽车轻量化；汽车子系统；轻质合金；成形工艺

当前，汽车工业正经历着百年未有的巨大变革，以电气化（Electrification）为代表的新技术发展方向已经不可动摇，媒体和从业人员称之为汽车工业2.0时代（Auto 2.0）的到来[1—3]。一大批新能源造车势力以及各大传统造车巨头纷纷宣布，将投入巨资进行全新一轮的电动车和无人驾驶车的激烈竞争，各类全新平台和车型应运而生。在这样一个汽车历史转折的关键时刻，汽车部件的设计和制造也发生着巨变，大部分现有的零部件都面临着全新设计，或者有可能消失的局面，而全新的驱动系统和控制系统的推出，又带来了许多全新的部件。

汽车工业使用了大量的轻质结构部件，也消耗了大量的轻质合金材料，例如国内每年汽车用铝就超过500 万t，再加上周边配套和下游零部件制造商，相关产业链的产值超过千亿人民币，对国民经济影响巨大[2—5]。随着汽车工业的快速变革，以及节能减排对轻量化需求的进一步提升，轻质合金结构部件的需求和发展也发生了巨大的变化。文中将从汽车的各个关键子系统、不同结构材料和成形工艺类型等方面，分别探讨汽车行业新的发展趋势下对结构承载部件的影响和需求。

1  汽车子系统对轻质结构部件的需求

1.1 驱动系统

传统内燃机的动力总成系统是轻质结构部件的主要应用领域，这类部件结构功能复杂，常常伴随着高温高压的服役条件，因此这类零件特别适合铸造工艺来生产。典型部件有发动机缸体和缸盖、变速箱壳体、活塞、油底壳等等。至少到2025 年之前，传统燃油车仍然是主要的交通工具，所以这些轻质结构部件仍将会有大量的生产需求。随着新能源汽车的加速发展，传统车企投入了大量的资金到新能源车平台，导致传统内燃机动力总成研发停滞或者减缓，因此，后续内燃机总成只会延续现有平台或者基于现有平台的改进，之后很难有全新的内燃机动力总成平台推出。

全新的电动化驱动平台的推出，会有大量的新部件推出，例如电机壳体、电池包壳体、变速器壳体等部件，这些部件都是传统内燃机方式动力系统中不存在的，需要进行全新设计和制造。这些全新轻质结构部件具有更新迭代速度快的特点，传统内燃机动力系统的更新换代可能需要5～8 年，但是这些新能源部件的更新换代有可能只有2～3 年，甚至更短。这对新型部件设计、生产和质量控制等方面都提出了巨大的挑战，例如动力电池包壳体，目前有铝合金挤压型材焊接、高强度钢板冲压、铝合金压铸一体成形等多种方案，这些材料和工艺也都在不断地改进和提升，以期满足动力电池包不断升级的需求。

1.2 车身和覆盖件系统

从21 世纪初的汽车轻量化浪潮中，车身和覆盖件的轻量化一直是主角。从奥迪推出全铝车身开始，车身轻量化一直是汽车轻量化的代名词。随着各国对节能减排的日益重视，轻量化趋势会一直延续下去。新能源车和智能驾驶车推出，汽车轻量化又上升到一个新的高度，特别是动力电池系统的自重问题短时间内难以解决，因此，轻量化又担负起增加续航里程的艰巨任务。从各大新能源车企来看，大部分新推出的车型都是全铝车身，例如特斯拉model S 和X，蔚来的ES8 和ES6，至少也是钢铝混合车身，主要原因还是轻质合金部件对车身减重的巨大贡献。

从车身零部件来看，各大车企特别是中高端车型已经普遍接受了高压铸造结构件作为车身部件一体化/轻量化的解决方案。典型的部件就是减震塔，传统的冲压焊接到压铸一体化设计，零部件大幅减少，轻量化效果也很明显。此外四门两盖系统采用铝合金冲压和镁合金压铸一体成形也已经大规模应用，随着轻量化需求的进一步推进以及相关材料和部件供应商的产量加大，价格瓶颈问题也会随之解决。

覆盖件部件是外观要求较高的部件，目前主要采用钢板成形。全铝车身的设计引入了6×××铝板作为汽车覆盖件，这类产品目前主要还是高端车型在使用，有铝合金自然时效和冲压回弹难以控制等技术原因，也有高端供应商少价格高的原因。

1.3 底盘和悬挂系统

底盘和悬挂系统使用了大量的轻质合金部件，轻质材料使用比例也是汽车各个子系统中最高的。代表性的部件包括轮毂、控制臂、转向节和副车架等，这些零部件行业已经大范围应用接近半个世纪了。底盘系统设计受到新能源方向的影响较大，主要是因为电池包、副车架与电机系统在底盘子系统中的集成。目前，电动车平台底盘系统采用了大量的铝合金结构部件，对底盘轻量化做出了巨大的贡献。在悬挂系统中，轮毂和转向节作为轻质部件的典型代表，在电动化和智能化的发展过程中没有发生显著变化。

1.4 内外饰和其他系统

在汽车的内外饰子系统中，因为承载部件不多，传统轻质结构材料的使用量相对较少。具有代表性的部件为方向盘骨架、仪表盘骨架、座椅骨架等支架类部件。由于内饰部件通常服役状况较好，没有严苛的耐腐蚀要求，镁合金部件具有一定的渗透率，特别是方向盘骨架渗透率非常高，超过了80%。随着轻量化趋势的发展，这些部件中轻质材料会有更为广泛的需求，也能为汽车轻量化提供有利支撑。

2  轻质结构材料的需求与展望

汽车工业中铝合金结构部件的主体是铸件，例如发动机部件，变速箱部件和底盘部件都是以铸造铝合金部件为主要供应体系，压延和挤型等变形铝在汽车部件中主要是生产散热器、铝制车门和覆盖件、防撞梁等部件。目前，铝铸件大约占车用铝合金部件的75%左右，变形类产品特别是压延类铝板和车身压铸结构件是新的增长点，具有良好的发展空间。

2.1 铝合金

当前，汽车工业的平均用铝量在150～180 kg，全铝车身和新能源车型可达400 kg 以上。根据Ducker于2018 年的报道[6]，铝合金在汽车中的应用年增长率超过8%，到2025 年平均每车用铝有望可达220 kg以上。

目前车用铝合金部件大量采用的是铸造成形工艺，例如压铸发动机缸体，低压铸造轮毂都已经形成相关的产业链，国内相关行业处于国际前沿水平，以轮毂行业为例，每年有大量的轮毂从中国出口到国外，同时国内轮毂行业也纷纷在国外设厂，降低物流和关税成本。此外，国内动力总成部件的压铸水平和规模也是最大的，形成了以长三角和珠三角为聚集区的一大批压铸企业，不但满足国内汽车部件，也有很大的出口量。

从材料类型来看，底盘类零件都采用A356（美国牌号）或者AlSi7Mg（德国牌号），这类零件都采用低压/重力铸造工艺，部件都需要T6 热处理。动力系统的壳体类压铸件主要采用Al-Si-Fe 体系，这类零件应用量最大的合金类型为 A380（美国牌号）、AlSi9Cu3Fe（德国牌号）和ADC12（日本牌号），都是亚共晶铝硅体系，然后铜的质量分数在2%～4%之间，能够一定程度上提升屈服强度，铁的质量分数在0.8%～1.3%之间，为了解决压铸过程的粘模问题。这类零件部件对伸长率要求不高，一般低于3%，合金元素控制要求较低，可采用再生铝生产。车身结构件部件采用Al-Si-Mn 体系，主要是AlSi10MnMg（德系牌号）和A365（美国牌号），这类零件的特点是高伸长率，合金范围要求严格，不能采用再生铝生产，通常需要10%以上满足车身部件的连接要求。

从2010 年开始，在国际上兴起了一股真空压铸生产车身结构件的浪潮，国内的压铸厂主要以外资和合资企业为代表，为高端车型的的车身结构件生产大型真空压铸薄壁件，该类零件的主要材料为AlSi10-MnMg 材料，主要特点是需要超高真空，以满足T7（固溶+过时效）热处理和铆接性能。需要强调的是，车身结构件的出现，对铝合金材料的需求和研发提供了巨大的驱动力，主要原因是现有的真空压铸件需要热处理才能实现高伸长率，用于跟周边车身部件进行铆接，因此该类零件的成品率不高，高质量供应商少，价格偏高。国际上各大铝合金和车企的研发机构，都在研发无需热处理可铆接的压铸铝合金材料，用于车身部件，例如德国莱茵公司的Magsimal-59 和Castduct-18 合金、美国铝业公司的C611 和A152 合金、通用汽车研发中心的A379 等，目前已经有可量产的非热处理合金实现了商业化，由于非热处理高韧性合金的出现，使得车身结构件的成本和性能具有较大优势，随着新能源车型大型复杂结构部件的快速增长，该领域将会实现快速的发展。

此外，铝合金在汽车中增长速度最快的是压延类产品在四门两盖部件上的应用，以6×××系铝板为例，目前已经在发动机罩盖上获得了50%以上的份额。跟铸造类铝合金部件不同，压延类产品主要还是以进口或者外商独资企业生产为主，国内虽然是铝压延产品的大国，但不是强国，目前已经有一批国内铝合金压延产品的企业正在大力发展汽车板业务，相信在2025年之前能够实现汽车板行业较高的国产化率。从材料的角度来看，车用铝板主要包括成形性好的5×××系（例如5182 和5754），这类铝合金没有热处理强化特性，主要生产门内板复杂成形部件；另一类6×××系铝板（例如6016 和6061）由于具有良好的时效硬化特性，适合于成形四门两盖的外板。由于汽车外板的生产和涂装工艺较为复杂，需要完美的匹配6×××系合金固溶态或者预时效态的自然时效特性（一般有效期半年），因此，6×××系合金对铝板生产企业和使用厂商具有较高的要求。

2.2 镁合金

目前，汽车工业平均用镁量在10 kg 以内。从2000年开始，各国政府和研发机构投入大量的资源进行镁合金的研发和产品的推广，特别是我国作为镁合金资源的大国，一直希望将镁合金在汽车工业中的用量进一步提高。但是，车用镁合金的用量并没有出现预期的大幅增长，主要的镁合计牌号还是以 AZ91D 和AM50 为主，主要的镁合金产品以方向盘骨架、仪表盘骨架、座椅骨架等内饰部件。限制镁合金大规模应用的一个主要原因还是由镁合金特性决定的，镁合金的耐腐蚀性能差，特别是电偶腐蚀是困扰镁合金在非内饰承载部件系统中应用的最大阻力。

汽车轻量化和部件集成化的发展趋势，能够发挥镁合金材料流动性好、易成形大型复杂结构件的优势，将促使镁合金的新的大规模应用，例如车门内板和行李箱后盖内板，采用压铸镁合金可以实现最优轻量化和结构优化的效果。目前，我国具有最多的镁合金矿产和冶炼资源，也具有最大吨位压铸装备的下游生产企业，在该领域我国已经形成了全球最为完整的产业链，能够实现从原镁到高端镁合金压铸件的全流程生产和制造。

3  轻质结构部件成型工艺的需要与展望

轻质结构部件的成形工艺包括铸造类和变形类两种，目前，车用压延类和挤型类部件的工艺和材料都相对稳定，而车用铸造类部件设计的工艺类型种类多，产品广，新型工艺也层出不穷。以下将从高压铸造和金属型铸造两种工艺对车用轻质结构部件的成形工艺现状与展望进行探讨。

3.1 高压铸造

目前，车用铝合金部件使用的压铸工艺及其主要产品包括：传统高压铸造（发动机缸体，变速器壳体等壳体类部件），小于5 kPa 的超真空压铸（减震塔，纵梁等车身结构件），以及各类压铸工艺的变种（例如超低速压铸、挤压压铸、半固态压铸等）。随着新能源部件和智能驾驶车辆部件的增多，对压铸工艺提出的要求也越来越多，例如纯铝系电机转子的压铸、散热型电控箱壳体的焊接等。这些新的需求给传统压铸企业提出了新的挑战，压铸企业需要及时调整研发方向，针对新的零部件要求能够转换成压铸工艺、材料、模具等具体要求，并通过优化生产出高质量合格铸件。

随着汽车部件的高致密度以及机械性能要求日益增加，采用挤压铸造、半固态压铸等新型压铸工艺的部件也越来越受欢迎。这类零件最大的特点就是可实现T6（完全固溶+时效）热处理，部件可达到底盘类零件的强度，并且具有跟压铸接近的高效率，目前在底盘类支架零件已经有替代传统压铸件的产品出现。跟传统压铸工艺相比，挤压和半固态压铸产品需要进一步提升质量稳定性，拓宽工艺范围，提高产品的性价比，扩大供应体系。

3.2 金属型铸造

金属型铸造主要包括低压铸造、重力或重力倾转铸造，以及差压铸造工艺等，这几类工艺对应的典型汽车部件为轮毂、缸盖和转向节。

从低压铸造工艺来看，目前这是最适合轮毂的工艺，超过90%以上的主机厂轮毂都是用这类工艺生产。但是，是由于汽车设计的发展趋势偏向于大直径的轮毂，例如2000 年以前大部分轮毂是15～16寸，现在趋势是17～19 寸轮毂，这对传统的轮毂制造工艺提出了巨大的挑战。目前，重力倾转工艺生产轮毂在售后和日系车较为普遍，该工艺结合旋压工艺，能够实现轮毂的顺序凝固，比较适合大尺寸宽胎面轮毂的生产，具有良好的外观和机械性能以及良好的市场前景。

差压铸造工艺目前在转向节部件中获得了广泛应用，主要原因是这类零件对质量稳定性和疲劳性能要求很高，差压工艺通过冷却和中低压凝固压力较好地解决了这类要求，但是差压铸造对装备和模具有较高要求，只适合转向节这类厚大部件，尺寸中等的零件并不适合尺寸较大的轮毂和副车架等部件。

图1 汽车关键子系统的轻质材料成形工艺和主要合金类型

目前，新能源车和自动驾驶车的新型结构部件，都在尝试各种新型成形工艺，例如电池包壳体零件，目前由于量不是很大，主要采用型材焊接的方法进行生产，但是各家厂商都在尝试铸造这一高效低成本的工艺方案，已经有低压铸造和超真空压铸生产的电池包壳体问世，但是都没有大规模生产，具体哪一种方案更适合，需要经过市场和技术的考验。另外，重力或重力倾转工艺生产电机壳体已经进入量产阶段，主要是由于该零件通常具有冷却水路，金属型工艺较为适合生产含芯部件。

4  展望

随着汽车电气化和智能化的推进，对传统的轻质合金及其成形工艺提出了新的挑战，也产生了大量的新机遇。我国具有全球最全的汽车工业的产业链体系，随着供给侧改革的推进，我国的汽车轻质部件供应链体系也会在汽车工业2.0 时代发挥积极重要的作用。

END