隨著汽車工業2.0 時代的來臨，汽車零部件的設計和制造正發生著巨大改變，同時對汽車輕量化的要求也進一步提升。介紹了汽車體系各子系統中主要輕質結構部件的現狀和發展情況，從不同輕量化材料類型出發，介紹了各個輕質結構部件中鋁合金和鎂合金部件的應用情況，同時介紹了汽車輕質結構件材料的需求和研發方向。隨后綜述了輕質結構部件中主要的成形工藝，介紹了各類成形工藝所適用于生產何種零件，并對提高輕質材料在汽車結構件中的應用進行了展望

當前，汽車工業正經歷著百年未有的巨大變革，以電氣化（Electrification）為代表的新技術發展方向已經不可動搖，媒體和從業人員稱之為汽車工業2.0時代（Auto 2.0）的到來[1—3]。一大批新能源造車勢力以及各大傳統造車巨頭紛紛宣布，將投入巨資進行全新一輪的電動車和無人駕駛車的激烈競爭，各類全新平臺和車型應運而生。在這樣一個汽車歷史轉折的關鍵時刻，汽車部件的設計和制造也發生著巨變，大部分現有的零部件都面臨著全新設計，或者有可能消失的局面，而全新的驅動系統和控制系統的推出，又帶來了許多全新的部件。

汽車工業使用了大量的輕質結構部件，也消耗了大量的輕質合金材料，例如國內每年汽車用鋁就超過500 萬t，再加上周邊配套和下游零部件制造商，相關產業鏈的產值超過千億人民幣，對國民經濟影響巨大[2—5]。隨著汽車工業的快速變革，以及節能減排對輕量化需求的進一步提升，輕質合金結構部件的需求和發展也發生了巨大的變化。文中將從汽車的各個關鍵子系統、不同結構材料和成形工藝類型等方面，分別探討汽車行業新的發展趨勢下對結構承載部件的影響和需求。

1.1 驅動系統

傳統內燃機的動力總成系統是輕質結構部件的主要應用領域，這類部件結構功能復雜，常常伴隨著高溫高壓的服役條件，因此這類零件特別適合鑄造工藝來生產。典型部件有發動機缸體和缸蓋、變速箱殼體、活塞、油底殼等等。至少到2025 年之前，傳統燃油車仍然是主要的交通工具，所以這些輕質結構部件仍將會有大量的生產需求。隨著新能源汽車的加速發展，傳統車企投入了大量的資金到新能源車平臺，導致傳統內燃機動力總成研發停滯或者減緩，因此，后續內燃機總成只會延續現有平臺或者基于現有平臺的改進，之后很難有全新的內燃機動力總成平臺推出。

全新的電動化驅動平臺的推出，會有大量的新部件推出，例如電機殼體、電池包殼體、變速器殼體等部件，這些部件都是傳統內燃機方式動力系統中不存在的，需要進行全新設計和制造。這些全新輕質結構部件具有更新迭代速度快的特點，傳統內燃機動力系統的更新換代可能需要5～8 年，但是這些新能源部件的更新換代有可能只有2～3 年，甚至更短。這對新型部件設計、生產和質量控制等方面都提出了巨大的挑戰，例如動力電池包殼體，目前有鋁合金擠壓型材焊接、高強度鋼板沖壓、鋁合金壓鑄一體成形等多種方案，這些材料和工藝也都在不斷地改進和提升，以期滿足動力電池包不斷升級的需求。

1.2 車身和覆蓋件系統

從21 世紀初的汽車輕量化浪潮中，車身和覆蓋件的輕量化一直是主角。從奧迪推出全鋁車身開始，車身輕量化一直是汽車輕量化的代名詞。隨著各國對節能減排的日益重視，輕量化趨勢會一直延續下去。新能源車和智能駕駛車推出，汽車輕量化又上升到一個新的高度，特別是動力電池系統的自重問題短時間內難以解決，因此，輕量化又擔負起增加續航里程的艱巨任務。從各大新能源車企來看，大部分新推出的車型都是全鋁車身，例如特斯拉model S 和X，蔚來的ES8 和ES6，至少也是鋼鋁混合車身，主要原因還是輕質合金部件對車身減重的巨大貢獻。

從車身零部件來看，各大車企特別是中高端車型已經普遍接受了高壓鑄造結構件作為車身部件一體化/輕量化的解決方案。典型的部件就是減震塔，傳統的沖壓焊接到壓鑄一體化設計，零部件大幅減少，輕量化效果也很明顯。此外四門兩蓋系統采用鋁合金沖壓和鎂合金壓鑄一體成形也已經大規模應用，隨著輕量化需求的進一步推進以及相關材料和部件供應商的產量加大，價格瓶頸問題也會隨之解決。

覆蓋件部件是外觀要求較高的部件，目前主要采用鋼板成形。全鋁車身的設計引入了6×××鋁板作為汽車覆蓋件，這類產品目前主要還是高端車型在使用，有鋁合金自然時效和沖壓回彈難以控制等技術原因，也有高端供應商少價格高的原因。

1.3 底盤和懸掛系統

底盤和懸掛系統使用了大量的輕質合金部件，輕質材料使用比例也是汽車各個子系統中最高的。代表性的部件包括輪轂、控制臂、轉向節和副車架等，這些零部件行業已經大范圍應用接近半個世紀了。底盤系統設計受到新能源方向的影響較大，主要是因為電池包、副車架與電機系統在底盤子系統中的集成。目前，電動車平臺底盤系統采用了大量的鋁合金結構部件，對底盤輕量化做出了巨大的貢獻。在懸掛系統中，輪轂和轉向節作為輕質部件的典型代表，在電動化和智能化的發展過程中沒有發生顯著變化。

1.4 內外飾和其他系統

在汽車的內外飾子系統中，因為承載部件不多，傳統輕質結構材料的使用量相對較少。具有代表性的部件為方向盤骨架、儀表盤骨架、座椅骨架等支架類部件。由于內飾部件通常服役狀況較好，沒有嚴苛的耐腐蝕要求，鎂合金部件具有一定的滲透率，特別是方向盤骨架滲透率非常高，超過了80%。隨著輕量化趨勢的發展，這些部件中輕質材料會有更為廣泛的需求，也能為汽車輕量化提供有利支撐。

汽車工業中鋁合金結構部件的主體是鑄件，例如發動機部件，變速箱部件和底盤部件都是以鑄造鋁合金部件為主要供應體系，壓延和擠型等變形鋁在汽車部件中主要是生產散熱器、鋁制車門和覆蓋件、防撞梁等部件。目前，鋁鑄件大約占車用鋁合金部件的75%左右，變形類產品特別是壓延類鋁板和車身壓鑄結構件是新的增長點，具有良好的發展空間。

2.1 鋁合金

當前，汽車工業的平均用鋁量在150～180 kg，全鋁車身和新能源車型可達400 kg 以上。根據Ducker于2018 年的報道[6]，鋁合金在汽車中的應用年增長率超過8%，到2025 年平均每車用鋁有望可達220 kg以上。

目前車用鋁合金部件大量采用的是鑄造成形工藝，例如壓鑄發動機缸體，低壓鑄造輪轂都已經形成相關的產業鏈，國內相關行業處于國際前沿水平，以輪轂行業為例，每年有大量的輪轂從中國出口到國外，同時國內輪轂行業也紛紛在國外設廠，降低物流和關稅成本。此外，國內動力總成部件的壓鑄水平和規模也是***的，形成了以長三角和珠三角為聚集區的一大批壓鑄企業，不但滿足國內汽車部件，也有很大的出口量。

從材料類型來看，底盤類零件都采用A356（美國牌號）或者AlSi7Mg（德國牌號），這類零件都采用低壓/重力鑄造工藝，部件都需要T6 熱處理。動力系統的殼體類壓鑄件主要采用Al-Si-Fe 體系，這類零件應用量***的合金類型為 A380（美國牌號）、AlSi9Cu3Fe（德國牌號）和ADC12（日本牌號），都是亞共晶鋁硅體系，然后銅的質量分數在2%～4%之間，能夠一定程度上提升屈服強度，鐵的質量分數在0.8%～1.3%之間，為了解決壓鑄過程的粘模問題。這類零件部件對伸長率要求不高，一般低于3%，合金元素控制要求較低，可采用再生鋁生產。車身結構件部件采用Al-Si-Mn 體系，主要是AlSi10MnMg（德系牌號）和A365（美國牌號），這類零件的特點是高伸長率，合金范圍要求嚴格，不能采用再生鋁生產，通常需要10%以上滿足車身部件的連接要求。

從2010 年開始，在國際上興起了一股真空壓鑄生產車身結構件的浪潮，國內的壓鑄廠主要以外資和合資企業為代表，為高端車型的的車身結構件生產大型真空壓鑄薄壁件，該類零件的主要材料為AlSi10-MnMg 材料，主要特點是需要超高真空，以滿足T7（固溶+過時效）熱處理和鉚接性能。需要強調的是，車身結構件的出現，對鋁合金材料的需求和研發提供了巨大的驅動力，主要原因是現有的真空壓鑄件需要熱處理才能實現高伸長率，用于跟周邊車身部件進行鉚接，因此該類零件的成品率不高，高質量供應商少，價格偏高。國際上各大鋁合金和車企的研發機構，都在研發無需熱處理可鉚接的壓鑄鋁合金材料，用于車身部件，例如德國萊茵公司的Magsimal-59 和Castduct-18 合金、美國鋁業公司的C611 和A152 合金、通用汽車研發中心的A379 等，目前已經有可量產的非熱處理合金實現了商業化，由于非熱處理高韌性合金的出現，使得車身結構件的成本和性能具有較大優勢，隨著新能源車型大型復雜結構部件的快速增長，該領域將會實現快速的發展。

此外，鋁合金在汽車中增長速度最快的是壓延類產品在四門兩蓋部件上的應用，以6×××系鋁板為例，目前已經在發動機罩蓋上獲得了50%以上的份額。跟鑄造類鋁合金部件不同，壓延類產品主要還是以進口或者外商獨資企業生產為主，國內雖然是鋁壓延產品的大國，但不是強國，目前已經有一批國內鋁合金壓延產品的企業正在大力發展汽車板業務，相信在2025年之前能夠實現汽車板行業較高的國產化率。從材料的角度來看，車用鋁板主要包括成形性好的5×××系（例如5182 和5754） 172 6942 7257陳先生，這類鋁合金沒有熱處理強化特性，主要生產門內板復雜成形部件；另一類6×××系鋁板（例如6016 和6061）由于具有良好的時效硬化特性，適合于成形四門兩蓋的外板。由于汽車外板的生產和涂裝工藝較為復雜，需要完美的匹配6×××系合金固溶態或者預時效態的自然時效特性（一般有效期半年），因此，6×××系合金對鋁板生產企業和使用廠商具有較高的要求。

2.2 鎂合金

目前，汽車工業平均用鎂量在10 kg 以內。從2000年開始，各國政府和研發機構投入大量的資源進行鎂合金的研發和產品的推廣，特別是我國作為鎂合金資源的大國，一直希望將鎂合金在汽車工業中的用量進一步提高。但是，車用鎂合金的用量并沒有出現預期的大幅增長，主要的鎂合計牌號還是以 AZ91D 和AM50 為主，主要的鎂合金產品以方向盤骨架、儀表盤骨架、座椅骨架等內飾部件。限制鎂合金大規模應用的一個主要原因還是由鎂合金特性決定的，鎂合金的耐腐蝕性能差，特別是電偶腐蝕是困擾鎂合金在非內飾承載部件系統中應用的***阻力。

汽車輕量化和部件集成化的發展趨勢，能夠發揮鎂合金材料流動性好、易成形大型復雜結構件的優勢，將促使鎂合金的新的大規模應用，例如車門內板和行李箱后蓋內板，采用壓鑄鎂合金可以實現最優輕量化和結構優化的效果。目前，我國具有最多的鎂合金礦產和冶煉資源，也具有***噸位壓鑄裝備的下游生產企業，在該領域我國已經形成了全球最為完整的產業鏈，能夠實現從原鎂到高端鎂合金壓鑄件的全流程生產和制造。

輕質結構部件的成形工藝包括鑄造類和變形類兩種，目前，車用壓延類和擠型類部件的工藝和材料都相對穩定，而車用鑄造類部件設計的工藝類型種類多，產品廣，新型工藝也層出不窮。以下將從高壓鑄造和金屬型鑄造兩種工藝對車用輕質結構部件的成形工藝現狀與展望進行探討。

3.1 高壓鑄造

目前，車用鋁合金部件使用的壓鑄工藝及其主要產品包括：傳統高壓鑄造（發動機缸體，變速器殼體等殼體類部件），小于5 kPa 的超真空壓鑄（減震塔，縱梁等車身結構件），以及各類壓鑄工藝的變種（例如超低速壓鑄、擠壓壓鑄、半固態壓鑄等）。隨著新能源部件和智能駕駛車輛部件的增多，對壓鑄工藝提出的要求也越來越多，例如純鋁系電機轉子的壓鑄、散熱型電控箱殼體的焊接等。這些新的需求給傳統壓鑄企業提出了新的挑戰，壓鑄企業需要及時調整研發方向，針對新的零部件要求能夠轉換成壓鑄工藝、材料、模具等具體要求，并通過優化生產出高質量合格鑄件。

隨著汽車部件的高致密度以及機械性能要求日益增加，采用擠壓鑄造、半固態壓鑄等新型壓鑄工藝的部件也越來越受歡迎。這類零件***的特點就是可實現T6（完全固溶+時效）熱處理，部件可達到底盤類零件的強度，并且具有跟壓鑄接近的高效率，目前在底盤類支架零件已經有替代傳統壓鑄件的產品出現。跟傳統壓鑄工藝相比，擠壓和半固態壓鑄產品需要進一步提升質量穩定性，拓寬工藝范圍，提高產品的性價比，擴大供應體系。

3.2 金屬型鑄造

金屬型鑄造主要包括低壓鑄造、重力或重力傾轉鑄造，以及差壓鑄造工藝等，這幾類工藝對應的典型汽車部件為輪轂、缸蓋和轉向節。

從低壓鑄造工藝來看，目前這是最適合輪轂的工藝，超過90%以上的主機廠輪轂都是用這類工藝生產。但是，是由于汽車設計的發展趨勢偏向于大直徑的輪轂，例如2000 年以前大部分輪轂是15～16寸，現在趨勢是17～19 寸輪轂，這對傳統的輪轂制造工藝提出了巨大的挑戰。目前，重力傾轉工藝生產輪轂在售后和日系車較為普遍，該工藝結合旋壓工藝，能夠實現輪轂的順序凝固，比較適合大尺寸寬胎面輪轂的生產，具有良好的外觀和機械性能以及良好的市場前景。

差壓鑄造工藝目前在轉向節部件中獲得了廣泛應用，主要原因是這類零件對質量穩定性和疲勞性能要求很高，差壓工藝通過冷卻和中低壓凝固壓力較好地解決了這類要求，但是差壓鑄造對裝備和模具有較高要求，只適合轉向節這類厚大部件，尺寸中等的零件并不適合尺寸較大的輪轂和副車架等部件。

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