IND4原创丨汽车轻量化与材料（二）轻量化的主力军—

正如在上一节《汽车轻量化与材料（一）机遇与挑战》所提到的，铝合金是汽车行业最先采用的轻量化材料，也是目前在汽车上应用最多的轻金属材料。铝合金能在汽车轻量化上扮演如此重要角色的原因就来源于其独特的性能。铝合金的密度仅为钢的1/3，同时铝可以通过加工硬化或者热处理提高强度，从而实现高的强度-重量比；铝合金加工性能好，适合于铸造、挤压、冲压、锻造和机械加工等不同的生产工艺；铝合金也可以类似钢材添加不同合金元素及通过热处理工艺，获得不同程度的强化；铝合金表面易于形成致密的氧化膜而耐蚀性能良好；此外，铝合金还具有良好的导电性和导热性，且无磁性等特点。实践表明汽车上每应用1kg的铝合金可以替代2kg的钢材。

正因为铝合金具有如此吸引人的特点，汽车中采用的铝合金一直呈现逐年上升的趋势。从早期的热交换器到车轮、壳体，再到近年的发动机罩、门板及白车身等，覆盖了铸造铝合金、锻造铝合金及铝合金板材等各种制造工艺。目前，全球汽车平均整车用铝量已经达到200kg/辆，而欧美地区尤其是北美地区更是接近300kg/辆的规模。

比起汽车上的钢材来说，铝合金的种类相对要多得多。目前常用的铝合金命名体系是美国国家标准学会（ANSI）制定的命名系统。

锻造铝合金（或可加工铝合金）按照添加合金的不同主要分为Al-Cu系（2×××），Al-Mn系（3×××），Al-Si系（4×××），Al-Mg系（5×××），Al-Mg-Si系（6×××）和Al-Zn系（7×××）等。其中在轻量化汽车中的铝合金板件主要由加工硬化的5系（Al-Mg）铝合金（如5182、5454和5754等）和时效硬化的6系（Al-Mg-Si）铝合金（如6009、6022和6111等）。6系铝合金板材通常制作成车身的外板，它们具有较高的强度，并且能抵抗冲压过程中产生的较大应变，同时还具有一定的烘烤硬化能力。而5系铝合金则通常作为车身内板和车身结构件，其价格优势比6系更高。而轻量化汽车中的铝合金挤压或锻造件常使用6系（Al-Mg-SI）和7系（Al-Zn）铝合金。它们主要应用于发动机支架、车身纵横、车身框架、座椅骨架、保险杠梁等。

铸造铝合金也依据其主要合金成分分为Al-Cu系（2××.×），Al-Si+Cu/Mg（3××.×），Al-Si（4××.×），Al-Mg（5××.×），Al-Zn（7××.×）和Al-Sn（8××.×）等。其中在轻量化汽车中使用的铸造铝合金主要由2××.×系列的Al-Cu合金和3××.×系列的Al-Si+Cu/Mg合金。铸造铝合金大量用于制造发动机和传动系统的缸体、缸盖、壳体、活塞、连杆、摇臂等部件，同时也广泛用于汽车底盘和悬架的部件中。

铝合金在汽车轻量化具有里程碑意义的应用无疑是完全应用铝合金的白车身，即全铝车身。提到全铝车身，就不得不提到具有划时代意义的奥迪 ASF（空间框架结构，Audi Space Frame）。

作为首款采用全铝制造的白车身，奥迪A8的ASF号称用最尖端的技术打造全铝空间框架车身，并与高强度铝合金面板一起使用。同时铝制车身还具有极佳的刚度，可提供出色的防撞功能，这种高强度刚性结构不但增强了车辆的安全性和操控性能，同时还大大降低了车身重量。整个车身全面采用铝合金板材、挤压件和铸件，车身骨架结构主要采用挤压型材和压铸件，再辅以板材零件，整个车身重量为215kg，与钢质车身相比减重比例达到40%。

伴随着奥迪 ASF的成功，全铝车身在全世界得到了全方面的发展。捷豹则以多款全铝车身的车型（XJ，F-Type，XE，F-PACE）形成了独特的品牌特色。而特斯拉的Model S和福特的F-150则在电动车和皮卡领域成功地实现了全铝车身制造。尤其是目前如火如荼的电动车领域，由于电池本身的重量问题，全铝的轻量化车身似乎成为了必然的趋势。

然而就在今年上市的第五代奥迪A8和特斯拉Model 3双双放弃全铝车身设计，这一举措无疑为全铝车身的发展道路狠狠地泼上了冷水。为何奥迪和特斯拉会在这两个车型上放弃全铝车身？归根到底脱离不了铝合金发展过程中的两大挑战：安全与成本。

从新一代的奥迪A8的车身材料布局上可以看出，铝合金在白车身上的重量占比下降到了58%，而钢材占比则提升到了40%左右，其中最新的热成型高强钢的比例达到了17%。同时还有少量的镁合金和碳纤维材料，车身总质量上升到了282kg。奥迪A8的这一转变，更多的是从安全角度考虑，可以看到在车身框架最关键的受力位置如：A柱、B柱、纵梁等都使用了热成型钢材。虽然铝合金的安全性一致是钢、铝两大阵营争论不休的问题，但奥迪用钢材替代铝的选择无疑是一个重要的型号，而结合新一代奥迪“更安全”的宣传，的确是令人深思。