余東梅

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

電動汽車進(jìn)入了高速發(fā)展期，特別是在中國、英國、法國和挪威等，在這些國家到處可見電動汽車與混合動力車。福特、通用汽車、美洲虎、大眾、沃爾沃等汽車公司都制定了發(fā)展電動車的計(jì)劃。

電動車必須是輕量化的，欲達(dá)到最大輕量化，必須是全鋁的。所謂全鋁的，是指在當(dāng)前的技術(shù)條件與保證安全行駛的條件下，凡是可用鋁合金制的構(gòu)件都是鋁合金的[1]。當(dāng)然全鎂或是全復(fù)合材料的也可達(dá)到更大的輕量化，但就綜合性能與性價(jià)比來說，鋁（合金）還是最優(yōu)秀的。鋁與其它材料的角逐還將長期持續(xù)著[2]。

1 電動車及其對擠壓鋁材的需求現(xiàn)狀

歐共體2050年的CO2排放目標(biāo)是要求大部分汽車不得用石化燃料，這意味著到2050 年時(shí)，歐洲汽車必須有80%是電動的。為達(dá)到此目的，在2030年銷售的汽車中電動車應(yīng)占到50%。向電動轉(zhuǎn)移不是一種愿意或建議，而是必須立馬干的。中國、歐洲和美國已在積極順應(yīng)這一潮流，不但在大規(guī)模研發(fā)，而且在批量生產(chǎn)了。

在行駛距離內(nèi)，電動車的能耗與其整備質(zhì)量成正比，這就是說必須降低電動車的整身裝備質(zhì)量。為了降低電池托盤和護(hù)欄及整車的質(zhì)量，宜盡量多采用擠壓材制造。

德國主要原車設(shè)備制造公司承諾推向市場的電動車簡況見表1。2018 年布盧姆貝格公司預(yù)測，2040 年電動車銷量將達(dá)65 百萬輛。圖1 是根據(jù)布盧姆貝格公司預(yù)測計(jì)算出的全球電動汽車用鋁擠壓材需求量（圖中上部曲線）。作為比較，在圖1 中的下部繪出了杜克公司預(yù)測的傳統(tǒng)常規(guī)汽車制造抗撞系統(tǒng)、底盤和車身所需的擠壓鋁材用量曲線。布盧姆貝格的預(yù)測前提是每輛電動車的擠壓鋁材用量為80 kt；杜克公司的擠壓鋁材用量不含電池托盤和護(hù)欄的。

表1 德國主要原車制造公司承諾推向市場的電動原型車

如果把中國的需求也計(jì)算在內(nèi)，2040 年全世界電動車對擠壓鋁材的需求量可達(dá)3 000 kt。2035年僅英國電動車將占汽車總產(chǎn)量的50%，另50%為混合動力汽車，需要擠壓鋁材88 kt。如此巨大的鋁材用量，英國無法供應(yīng)，只能從歐洲或中國進(jìn)口。

最近，英國商品研究所對電動車結(jié)構(gòu)擠壓材和車身薄板材的綜合需求量做了調(diào)查研究和預(yù)測。他們認(rèn)為，2030 年全世界的總需求量約為10 Mt。這兩種鋁材的需求比例為80%板材和20%擠壓材，也就是說，需要擠壓材2 Mt。在全鋁電動車車身結(jié)構(gòu)鋁材中，擠壓材約占10%～11%。即使新型研發(fā)的高強(qiáng)度汽車用擠壓合金都是6×××系的，就全世界而言，現(xiàn)有的生產(chǎn)能力也不能滿足未來的需求，需要建設(shè)新的擠壓生產(chǎn)線或研發(fā)新的升級擠壓合金。

圖1 2016年-2026年全球汽車對擠壓鋁材的需求量

電動汽車的快速發(fā)展引發(fā)了人們對新型擠壓鋁合金的需求熱情，眾多大型鋁企業(yè)紛紛加大了研發(fā)力度，并取得了可喜的成績。

2 電動汽車用擠壓鋁合金研發(fā)新進(jìn)展

2.1 海德魯鋁業(yè)公司的HHS合金

海德魯鋁業(yè)公司在發(fā)展新合金方面取得了不少成就。2018年研制成功一種HHS360合金，它是以6082合金為原型，對成分作了不大的改動，抗拉強(qiáng)度Ra卻提高了約10.8%，從6082合金的325 N/mm2上升到HHS360 合金的360 N/mm2，伸長率A 達(dá)到10%[3]。稍后，海德魯鋁業(yè)公司又在HHS360合金基礎(chǔ)上研制成功HHS400合金，已在汽車制造中獲得批量應(yīng)用。它的抗壓強(qiáng)度Rm 比HHS360 合金的更高，達(dá)到400 N/mm2，屈服強(qiáng)度Tp0.2≥370 N/mm2，伸長率A5=8%，比傳統(tǒng)常用6×××系合金的高不少。不過HHS400合金的成形性能比傳統(tǒng)合金的略低些，因此可用于制造不進(jìn)行劇烈變形的工件，如汽車底盤和車架，還可用于制造門的橫梁、抗震件如發(fā)動機(jī)裝配件、電動汽車電池箱側(cè)面構(gòu)件、碰撞控制系統(tǒng)的保險(xiǎn)杠，也可以用于制造貨車與公共汽車底盤與車架零部件。

HHS400合金的可焊性與生產(chǎn)效率比7×× × 系合金的高的多。7×××系合金的擠壓速度很慢，還必須用特制的擠壓模，模具價(jià)格昂貴，同時(shí)易破損。因此采用HHS400合金生產(chǎn)效率會有較大幅度提升。

海德魯鋁業(yè)公司正在與汽車制造公司及一些研究單位聯(lián)合研發(fā)一款名為L7e 微型電動全鋁概念車，采用的就是HHS400 合金板材與擠壓材。L7e微型車長3.7 m、寬1.5 m、高2.5 m，含電池在內(nèi)的凈質(zhì)量還不到450 kg，它的最大運(yùn)行功率15 kW，最大速度90 km/h。該車的制造工作已完成，正在按EURO NCAP（新型汽車鑒定程序，new car assecestcent program）進(jìn)行碰撞試驗(yàn)及其它檢測。

2.2 肯聯(lián)鋁業(yè)公司的HSA6合金和擠壓工藝

HSA6 合金并不是一個(gè)合金，而是包括二三個(gè)合金，但都屬6×××系。當(dāng)前在研發(fā)汽車鋁合金時(shí)，不管是軋制板帶用的，還是擠壓型材與管材用的，或鍛造零件坯料用的，都把精力集中在6×××系合金上。有些合金已處于成熟階段，并在鋁工業(yè)與汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，但是汽車用擠壓合金的研發(fā)則略為滯后。

電動汽車電池托盤初期是用6063 合金擠壓材制造的，因?yàn)樗袃?yōu)秀的可擠壓性能，雖然其抗拉強(qiáng)度不高，只有220～240 N/mm2，但現(xiàn)在采用肯聯(lián)鋁業(yè)公司第一代HSH6合金擠壓型材制造的電池托盤可減重20%。第二代HSA6 合金現(xiàn)正由肯聯(lián)鋁業(yè)公司的布盧內(nèi)爾先進(jìn)凝固技術(shù)中心進(jìn)行研發(fā)。早在2011 年他們就計(jì)劃要研制一種各項(xiàng)性能可與6111薄板合金相匹配的、抗拉強(qiáng)度500 N/mm2、屈服強(qiáng)度450 N/mm2的6×××系擠壓合金。實(shí)際上，HSA6合金就是這個(gè)計(jì)劃第一階段的成果。

現(xiàn)在應(yīng)用的HSA6-T6 合金擠壓型材的最低屈服強(qiáng)度Rp0.2=370 N/mm2，而最低抗拉強(qiáng)度Ra=400 N/mm2，而對比合金6082 的屈服強(qiáng)度Rp0.2只有320 N/mm2。用HSA6合金制造的后保險(xiǎn)杠向內(nèi)突入深度減少了14%，保險(xiǎn)杠質(zhì)量降低了15%。通常，用HSA6合金制造的全鋁汽車質(zhì)量可比用傳統(tǒng)鋁合金材料制造的輕30%以上。

HSA6 合金型材可以用常規(guī)擠壓工藝生產(chǎn)，但在擠壓線上淬火后還必須進(jìn)行價(jià)格不菲的有效的固溶熱處理后，才能獲得可以接受的力學(xué)性能。但是，現(xiàn)在肯聯(lián)鋁業(yè)公司已研發(fā)成功一種獨(dú)特工藝，可使合金中的全部合金化元素（Mg、Si、Cu）都融入α固溶體中，擠壓后不需要進(jìn)行專門的固溶熱處理，直接進(jìn)行人工時(shí)效即可獲得所需的性能。這說明HSA6合金的制造成本與傳統(tǒng)的在線淬火合金即6063 型合金的相當(dāng)，是有競爭力的。新工藝已在試驗(yàn)工廠的中試生產(chǎn)線上取得非常圓滿的成功，現(xiàn)在做的工作是盡快把它移置到商業(yè)化工業(yè)生產(chǎn)線上，在全世界范圍內(nèi)推廣。

肯聯(lián)鋁業(yè)公司在上世紀(jì)60 年代開發(fā)的、但未獲得工業(yè)化應(yīng)用的鋁合金形變處理工藝的基礎(chǔ)上創(chuàng)造了一種名為“應(yīng)變激發(fā)沉淀（STEP）”的處理工藝，可對鋁合金材料既進(jìn)行加工硬化又進(jìn)行時(shí)效硬化處理，顯著提高了擠壓鋁合金的力學(xué)性能。用此工藝生產(chǎn)的HSA6 合金擠壓材的屈服強(qiáng)度＞550 N/mm2，伸長率＞8%，比鋼材的還大?，F(xiàn)在肯聯(lián)鋁業(yè)公司正在進(jìn)一步完善STEP 工藝并將用此工藝生產(chǎn)的HSA6 合金擠壓材推廣應(yīng)用在汽車制造中?？梢灶A(yù)見，STEP 工藝的應(yīng)用在鋁合金發(fā)展史上將具有里程碑意義。

肯聯(lián)鋁業(yè)公司是超低排放汽車用鋁項(xiàng)目成員之一，他們在大量采用HSA6 合金制造電動汽車積極踐行零排放的征程上邁出第一大步的同時(shí)，還向市場推出完全用回收的軋制廢鋁生產(chǎn)的HSA6合金擠壓材。其碳強(qiáng)度已降至0.5 t CO2/t·Al。如果進(jìn)一步完善鋁循環(huán)鏈，碳強(qiáng)度就可以降至零，真正做到碳零排放。

2.3 奧科寧克公司的M648合金和6563合金

實(shí)際上，這兩個(gè)合金是早先的美國鋁業(yè)公司(Alcoa)推薦用于擠壓汽車鋁材的。M648 是一個(gè)新合金，其成分尚未見報(bào)道。認(rèn)為它應(yīng)該是6×× ×系合金，同時(shí)其成分很可能與6082 合金相仿。6563 合金是一個(gè)老合金，1967 年4 月38 日在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，是美國鋁業(yè)公司研制的。后因用量不大，將其打入非常用合金名冊。前些年美國鋁業(yè)公司又重拾起來將其推向市場，也許這一次隨著電動汽車的暴發(fā)式增長可以起死回生。

6563 合金是一種擠壓合金，而M648 合金是一種軋制與擠壓兼用的合金，有極好的表面處理性能，多用于制造汽車裝飾件；同時(shí)還具有高的強(qiáng)度與優(yōu)秀的成形性能以及極佳的陽極氧化處理性能，完全可以取代鍍鉻鋼板用于制造保險(xiǎn)杠系統(tǒng)工件。保險(xiǎn)杠可以擠壓也可以沖壓，6563 及M648 合金這兩種工藝都很適用。

2.4 7003合金

這是一種日本合金，1975 年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，是一種Al-Zn-Mg 系合金，用于制造汽車的一些高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，但還不普遍。該合金主要用于生產(chǎn)擠壓管、棒、型材，它的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%） 如下：Si0.30、Fe0.35、Cu0.20、Mn0.30、Mg0.50～1.0、Cr0.20、Zn5.0～6.5、Ti0.20、Zr0.05～0.25，其它雜質(zhì)單個(gè)0.05、合計(jì)0.15，余量為Al。材料狀態(tài)T5，雙級時(shí)效：一級90℃/（5～8h) ，二級（150～160℃）/（8～16h）。

7003-T5合金的物理性能：密度2.79 g/cm3，液相線溫度620～650 ℃，20～100 ℃時(shí)的線脹系數(shù)23.6×10-6/℃，電導(dǎo)率36.8%IACS。力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度Rm=360 N/mm2，屈服強(qiáng)度Rp0.2=325 N/mm2，伸長率A=18%，硬度HB=90?？珊感耘c成形性良好，也有良好的表面處理性能，還有相當(dāng)好的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。

3 鋁擠壓合金在電動汽車中新的應(yīng)用

3.1 電池托盤和護(hù)欄

對電池托盤來說首要的問題是材料，既要有優(yōu)秀的綜合性能，又必須有可接受的合理價(jià)格。在當(dāng)前條件下，鋁材是最可取的，優(yōu)于鋼材與碳纖維增強(qiáng)塑料基復(fù)合材料（CFRP）。

幾乎所有的原車設(shè)備制造公司都選用鋁擠壓材制造電池托盤，如寶馬汽車公司、奧迪集團(tuán)、沃爾沃公司等都是這樣。同時(shí)，一些公司都對特斯拉公司以擠壓鋁材制造的全鋁滑板式電池托盤很感興趣，紛紛仿效，例如寶馬汽車公司的i20 EVs車托盤、奧迪公司的e-tron 電動車托盤、戴姆勒公司EQ 系列電動車的托盤等等。奧迪公司原來的托盤是用壓鑄鋁合金零配件制造的，現(xiàn)在已改用擠壓鋁材。同時(shí)它的BEVs和PHEVs 電動車電池托盤也都是用擠壓鋁材制造的。

值得注意的是，一些過去用鋼材制造托盤的企業(yè)如今也改用鋁材了。例如日產(chǎn)汽車公司Leaf EV電動車過去用鋼材制造電池托盤，2018 年改用擠壓鋁材；大眾汽車公司對鋼材電池托盤一直情有獨(dú)鐘，但其新產(chǎn)的BEV 電動車電池托盤也順應(yīng)了這一發(fā)展趨勢，改用成了擠壓鋁材；阿凱勒米塔爾公司本已決定用高強(qiáng)度鋼制作Tesla Model 3車的車身結(jié)構(gòu)，后來發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)車身與鋁電池托盤連接上不匹配，于是改為鋁合金車身。

3.2 創(chuàng)新的鋁冷卻厚板托盤

2018 年肯聯(lián)鋁業(yè)公司布盧內(nèi)爾先進(jìn)凝固技術(shù)中心發(fā)明了一種新型的名為“冷鋁”的托盤設(shè)計(jì)，對電池組有很強(qiáng)的冷卻效率。采用這種設(shè)計(jì)再也不用摩擦攪拌焊連接了。試驗(yàn)表明，冷卻板連接嚴(yán)密，不會泄露，同時(shí)連接簡便快捷。在用混合冷卻方法試驗(yàn)時(shí)，獲得了極為令人滿意的冷卻效果，溫度偏差只有±2 ℃。因此既延長了電池組的使用期限，又提高了安全性能。托盤的一些零件是用擠壓折彎成形鋁材制造的，不用鉆孔，也不需要焊接，新設(shè)計(jì)托盤的質(zhì)量下降了15%。

4 結(jié)束語

目前，國外鋁業(yè)公司正在做以下三方面的工作來推廣鋁在汽車上的應(yīng)用：一是大力宣傳鋁對汽車輕量化與進(jìn)而對節(jié)能減排的貢獻(xiàn)，使汽車設(shè)計(jì)人員對以鋁代剛、以鋁代銅有著濃厚的興趣，成為他們工作的一部分；二是與汽車制造業(yè)合作，向他們提供可裝配白車的零部件，提供更多價(jià)格合理、性能優(yōu)良的零配件，大力回收汽車廠的鋁廢料，使他們從中受益；同時(shí)不斷研發(fā)高性能的汽車用鋁合金材料。相信隨著新型鋁合金材料的不斷開發(fā)與問世，車用鋁材與電動汽車的發(fā)展將會相輔相成，共同走上可持續(xù)發(fā)展的壯大之路。屆時(shí)真正意義上的零排放汽車或許即將誕生在不遠(yuǎn)的將來。

節(jié)能減排是一個(gè)永恒的話題，為達(dá)到此目的，各國都制定了淘汰燃油汽車的規(guī)劃與發(fā)展新能源車的目標(biāo)，汽車產(chǎn)業(yè)在發(fā)生著巨變，再過二十年，燃油汽車可能在地球上消失。如何實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能減排無非是采用新能源與降低車的整備質(zhì)量，而降低整備質(zhì)量的措施只有兩條：改變設(shè)計(jì)與采用低密度材料。目前可采用的低密度材料有鋁、鎂、鈦、復(fù)合材料。在這四種材料中，至少在今后二三十年內(nèi)，鋁材是最可取的，它有最優(yōu)秀的綜合性能與最佳的性價(jià)比。

發(fā)展新能源汽車的主要目的是節(jié)能減排，為達(dá)到此目的，新能源汽車應(yīng)是全鋁的，這里所說的全鋁的是指車身結(jié)構(gòu)與電池托盤與護(hù)欄。車身結(jié)構(gòu)用的是薄板與擠壓材，按質(zhì)量計(jì)算，板材/擠壓材為80/20；托盤及護(hù)欄則幾乎全是用擠壓型材制造的。中國生產(chǎn)的汽車車身薄板（ABS）在性能與產(chǎn)量方面都能充分滿足新能源汽車高速發(fā)展的需求，但是在擠壓材方面，雖然數(shù)量上是足夠的，但是性能和品質(zhì)與國際先進(jìn)水平相比還有較大差距，特別是高性能、抗拉強(qiáng)度Ra ≥550 N/mm2、擠壓性能與成形性能又優(yōu)異的6×××系合金仍處于起步階段。希望有關(guān)企業(yè)和科研人員奮起直追，盡快跟上或超過海德魯鋁業(yè)公司與肯聯(lián)鋁業(yè)公司的水平，為中國成為汽車擠壓鋁材強(qiáng)國而努力！