汽车车身板用变形铝合金的研究进展与应用前景展望

摘要：基于汽车轻量化的背景，铝合金以其优异的综合性能成为汽车板材的首选材料。本文主要综述了汽车车身覆盖件用变形铝合金的研究进展。基于汽车车身覆盖件常用的2×××、5×××、6×××和7×××系列变形铝合金的应用现状，结合国内外研究人员目前的研究成果，对汽车车身覆盖件常用的变形铝合金的应用现状进行了分析。汽车车身覆盖件用各系列变形铝合金的优缺点。在此基础上，重点介绍了各系列合金的主要强化方法、常用成分及使用条件，总结了汽车车身覆盖件所用材料的主要性能特点。最后总结了汽车车身覆盖件各系列变形铝合金的性能特点，并对变形铝合金在汽车车身覆盖件中的应用前景和主要研发方向进行了展望。

关键词：汽车车身覆盖件；变形铝合金；强化方法；成形性

随着社会经济的发展，当前汽车产业必须关注能源和环境[1]。汽车轻量化技术是实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义[2]。使用轻质材料是减轻汽车重量最简单、最有效的方法。因此，它已成为当前汽车行业研究的热点问题[3]。

铝合金以其较高的比强度、良好的耐腐蚀性、成型性和焊接性等一系列优良性能，成为汽车轻量化的首选材料之一[4]。在汽车行业，汽车轻量化是节能减排最重要的手段之一。相关研究表明，体重每减少1%，驾驶过程中至少可节省0.6%的燃油消耗[5-6]。汽车每使用1公斤铝，在汽车的整个使用寿命内可减少20公斤尾气排放。

此外，随着新能源汽车的发展和国内企业生产技术的创新，消费者对国产品牌越来越信任[7]。截至2020年底，国内新能源汽车产量突破100万辆。新能源市场成为汽车发展的新方向，使得汽车轻量化变得更加重要[8]。

基于汽车发展的大背景，铝合金材料可以作为汽车轻量化发展的首选材料，也将是未来汽车发展的主要材料之一[9]。汽车用铝合金材料的开发是基于铝合金材料的特点：密度低（约为钢铁材料的1/3）、比强度高、耐腐蚀性能优良、易于加工成型、易于回收利用[10]。相关研究指出，用铝合金材料替代传统汽车钢材，在保证安全行驶的同时，可减轻高达60%的车身质量。因此，用铝合金替代传统的钢铁材料可以大大减轻汽车的整体质量[11]。

专家预测，到2025年，我国汽车产销量约为3200万辆，2030年将增至3800万辆，2035年将达到4000万辆[12]。目前我国每辆车平均铝消耗量为130公斤，预计到2025年将超过250公斤，到2030年将超过350公斤[13]。到2025年，全球汽车用铝合金市场规模将达到9300亿元，而我国市场规模将达到3200亿元，约占全球市场规模的34.4%，表明未来铝合金应用的市场规模汽车非常大[8]。

本文主要介绍汽车车身覆盖件用变形铝合金。经过长期的发展，汽车车身最常用的铝合金板材有2×××（铝铜镁）系列、5×××（铝镁）系列、6×××（铝镁）系列)-Si)系列合金和7×××(Al-Zn-Mg-Cu)系列铝合金[14]。常用的变形铝合金由于其强度限制，很少用于汽车结构件。其中，可通过热处理强化的合金有2×××、6×××和7×××系列合金，5×××系列合金为不可热处理强化合金。本文将结合相关研究报告，分析汽车车身覆盖件所用各系列合金的优缺点，结合未来汽车发展趋势，预测未来汽车用铝合金的研发方向。

2xxx系列铝合金在汽车车身覆盖件中的应用

2×××系铝合金以Cu、Mg为主要合金元素，是一种可通过热处理强化的合金[15]。文章列出了汽车外饰板用2×××系列铝合金的主要合金牌号及其相关元素成分范围。详细信息请参见表 1 [16]。

Al-Cu-Mg合金中的主要强化相是Al2Cu(θ)相和Al2MgCu(S)相[17]。当Cu/Mg>8时，Al-Cu-Mg合金通过θ相强化。 Al-Cu-Mg三元系中Cu/Mg=4~8时，θ相和S相同时成为主要强化相。当合金以两相强化时，强化效果最好。在低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg系合金中，当Cu/Mg比为1.5～4时，S相成为最有效的强化相[18]。

表1 2×××系列铝合金汽车板常用牌号及成分（质量分数）[16]

表1 2×××系铝合金常用牌号及成分（质量分数）%

2×××系列铝合金具有良好的成型性，可作为驾驶室、发动机罩等汽车外饰板部件的主要材料[19]。常用牌号的成形性能如表2所示[11]。可以看出，2×××系列合金的延伸率和均匀延伸率都很好，并且还具有良好的n（拉伸应变硬化指数）、r（塑性应变比）和杯突值（杯突试验测量冲头试样刚刚破裂时的穿透深度）。 n值越高，材料变形越均匀，拉胀性能越好； r值越大，抵抗板厚变形的能力越强，拉深性能越好；杯突值越大，冲头穿透深度越大，拉深成形性越好。表2中的数据表明该合金具有良好的成形性能。王孟军[20]等。分析了预时效工艺对2036合金板材性能的影响，发现经过合适的预时效工艺后，可以大幅度提高合金的延伸率和n值，保证合金的成形性能。

表2 2×××系列铝合金常用牌号的成形性能[11]

表2 2×××系铝合金常用牌号的成形性能

尽管2×××铝合金在成形性能方面表现良好，但在汽车外饰板的应用中，其油漆硬化能力和应力腐蚀性能与其他系列板材相比不具有竞争力[21]。李思雨等人。 [18]发现Al-3.5Cu-(0.71-1.81)Mg铝合金在190℃时需要12h才能达到峰值，在200℃时需要6h。对于汽车面板来说尤其如此。在应用中，难以满足油漆快速硬化的要求，限制了该合金在汽车外饰板中的应用。孙志华等.文献[22]研究了2×××铝合金的抗应力腐蚀能力，断口形貌如图1所示。可以看出，该合金的断口为沿晶断裂特征形貌，表明应力腐蚀该合金的抗应力腐蚀性能较差，需要更多的工艺方法来控制合金的抗应力腐蚀性能。

6xxx系列铝合金在汽车车身覆盖件中的应用

6×××系列铝合金的主要合金元素是Mg和Si元素，形成的主要强化相是Mg2Si相，是一种可以通过热处理强化的合金[23]。表3列出了常用的6×××系列铝合金牌号及相关元素成分范围[24-25]。

6×××系列铝合金具有良好的成形性能。常用牌号的机械性能和热处理条件如表4所示[26]。可以看出，合金的延伸率、n值和r值均处于较高水平，表明合金具有良好的成形性能。 A.佩罗维奇等人。 [23]研究了6111和6016的油漆响应能力，发现Cu含量较高的6111合金具有较高的油漆硬化性能，并表现出双相强化特性。强化相为Mg2Si相和Al-Cu-Mg-Si相。

迟锐等人。 [27]研究了实际生产中6016边缘开裂的现象，如图2所示。研究发现富铁相的存在会影响板材的包边性能。经过成分控制或热处理后，减少富铁相将有助于提高合金的包边性能。有研究人员询问是否有可能设计开发出一种能够满足汽车各部件使用要求的合金板。虽然6×××系列板材在实际生产加工过程中可能会出现边缘开裂的情况，但考虑到回收成本问题，该合金系列板材综合性能优良，最有可能成为此类全能合金板材。 。

图1 应力腐蚀断口形貌[22]

图1 应力腐蚀断口形貌

表3 6×××系列铝合金汽车板常用牌号及成分（质量分数）[24-25]

表3 6×××系列铝合金常用牌号及成分（质量分数）%

表4 6×××系列铝合金常用牌号的成形性能[26]

表4 6×××系列铝合金常用牌号的成形性能

7xxx系列铝合金在汽车车身覆盖件中的应用

7×××系列铝合金主要以Zn、Mg、Cu为主要合金元素。主要强化相是eta(MgZn2)相，也是一种可以通过热处理强化的合金[28]。 eta相具有细小、弥散的分布特征，且合金中含有较高比例的析出相，使得7×××系列合金的强度明显高于其他系列。

7×××系铝合金的发展经历了四个阶段：第一阶段是开发高强低韧性合金；第二阶段是开发高强低韧性合金。第二阶段改变时效过程，提高合金的耐腐蚀性能，形成高强低韧的合金。腐蚀合金；第三阶段，通过调整合金成分，提高合金的韧性，形成高强、高韧、耐腐蚀的合金；第四阶段，合金综合性能协同提升，形成超高强、高韧、耐腐蚀合金。腐蚀合金[29]。热处理工艺和合金化探索在合金的发展中发挥着重要作用。不同的成分配比和不同的热处理工艺会给合金带来不同的性能。常用的7×××铝合金汽车板件如表5所示[30]。

图2 6016边缘开裂[27]

图2 6016 边缘开裂

表5 7×××系列铝合金汽车板常用牌号及成分（质量分数）[30]

表5 7×××系列铝合金常用牌号及成分（质量分数）%

表6 7×××系列铝合金常用牌号力学性能[29-31]

表6 7×××系铝合金常用牌号力学性能

7×××系铝合金常用牌号的力学性能如表6所示[29-30]。可见，7×××系列铝合金的强度可以满足汽车结构件的承载要求，但在峰值时效状态下，合金的延伸率较低，表明合金的成形性能较差。用作汽车板时，需要改进热处理工艺，寻找合适的成形方法。

L.奥格等人。文献[32]在实验室环境下分析了7046合金在10-6 s-1应变速率下的拉伸断裂形貌，如图3所示。可以看出，拉伸后的样品在靠近样品表面处出现了脆性断裂。根据扫描形貌分析，为沿晶断裂。核心区仅存在少量穿晶断裂形貌。由此分析可以得出合金的耐应力腐蚀性能有待提高的结论。

5xxx系列铝合金在汽车车身覆盖件中的应用

5×××系列铝合金是以Mg为主要元素的合金系列。通过热处理不能使合金强化，但可以改变析出相的分布，从而提高合金的耐腐蚀性能。该合金的主要强化方法是固溶强化和加工硬化[33]。该合金中主要存在β(Al3Mg2)相。 β相是由Mg原子从过饱和固溶体中析出而形成的。但其缺点是形核点少、相形核尺寸大、与基体界面不共格。这也是该合金不能通过热处理强化的原因[34]。 5×××系列铝合金汽车板材常用牌号及成分如表7所示[11]。

与其他牌号相比，5×××铝合金具有密度低、比强度高、成型性和焊接性能良好等优点[35]。应用于汽车覆盖件时，5×××系列铝合金的成形性能优于其他系列铝合金。从表8[36-37]可以看出，该系列合金具有较高的n和r值，因为该系列合金是不能通过热处理强化的合金。使用时，它们大多依靠合金的固溶强化和加工硬化。使用的状态多为O（退火）状态和H（加工硬化）状态。 J. Hirsch[38]研究了欧洲铝合金在汽车上的应用，比较了常用的5×××系列和6×××系列合金的综合性能。结果如图4所示，可以看到5×××系合金的成形性能优良，但抗凹痕性和表面质量与6×××系合金相差很大，急需改进5×××系列合金在汽车板材应用中的应用。

图3 应变速率10-6 s-1下7046-T4合金不同位置拉伸断口扫描形貌[32]

图3 应变速率10–6 s–1下7046-T4合金不同位置拉伸断口的扫描形貌

表7 5×××系列铝合金汽车板常用牌号及成分（质量分数）[11]

表7 5×××系列铝合金常用牌号及成分（质量分数）%

表8 5×××系列铝合金常用牌号的成形性能[36-37]

表8 5×××系列铝合金常用牌号的成形性能

5×××系列铝合金常见的表面质量问题如图5所示[33]。退火状态下使用的5×××系铝合金在Mg原子固溶体下容易形成科里奥利空气团簇，这是原子聚集的一种形式，可以影响位错运动并产生钉扎位错。影响。在拉伸过程中，科里奥利气团与位错相互作用，位错运动交替发生钉扎和脱钉运动，在拉伸曲线上形成上屈服点和下屈服点，宏观上形成吕德斯效应（Luderseffect），如图所示图 5 中的 A”。

此外，该系列合金在拉伸过程中容易出现塑性不稳定。这种现象称为Portevin-Le Chctelier效应（PLC效应）。这种效应无法消除，只能通过不同的工艺组件来削弱其影响，如图5中间的“B型”所示。

图4 汽车用5×××系和6×××系合金性能对比[38]

图4 汽车用5×××系和6×××系合金性能对比

耿迎新[39-40]等。在传统的5×××系列合金中添加Zn元素，形成新的Al-Mg-Zn相。工艺调整后，合金的吕德斯效应和PLC效应得到改善。结果如图 6 所示。

图5 拉伸曲线及应变痕迹[33]

图5 拉伸曲线和应变轨迹

图6 不同应变率下合金的应力应变曲线[40]

图6 不同应变速率下合金的应力-应变曲线

总结

2×××系列和7×××系列铝合金强度高，但2×××系列合金缺乏油漆反应能力，油漆硬化程度不够。此外，这两个系列合金的成形性能和抗应力腐蚀性能也有待提高。这些因素限制了合金在汽车板材中的发展。需要开发不同的成形工艺来提高合金的成形性。未来，高强度合金板材也将是汽车覆盖件发展的一个方向。

目前6×××系铝合金已具有较为优良的综合性能，但在具体成分配比方面还存在一些缺陷。如何改善因组分配比不良而导致的成型性降低、涂料性能差等问题也将是今后工作的重点。

5×××系铝合金虽然具有优良的成形性，但其表面质量问题严重，只能用作汽车内饰板。需要通过改变合金成分和调节不同工艺来进一步提高合金的综合性能。

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