中铝赵丕植：新能源汽车用铝合金的前景与挑战

创业 2024-12-16 10:23 重庆

诚邀免费参加《第二届中国铝深加工轻量化技术、装备、应用高层论坛》的通知

中铝集团首席专家、中铝材料应用研究院副总工程师赵丕植应邀在2024（第三届）中国汽车轻量化材料技术大会暨产业链发展大会做主旨报告。以下是材料人整理的报告文字版。

这几年咱们国家新能源汽车发展非常迅猛，给铝合金轻量化材料的应用带来了很好的机会，但是也面临很多挑战，所以今天围绕铝合金的应用前景与挑战给大家做一个分享。

日本美国作了研究，从1880年到2000年，地球温度是不断在上升的，特别是80年代以后温度上升得非常快。如果按照这个趋势，本世纪末温度要上升5度左右，这样的话人是受不了的。所以全世界搞了个巴黎协定，要求把温度上升控制到1.5度之内，努力的目标是1度之内。引发温度上升的一个重要原因是碳排放。

那么碳排放现在是个什么情况？美国，日本，欧洲已经碳达峰了，他们的碳都往下降了。但是我们国家，还有印度，这些发展中国家碳一直在往上升。中国2021年碳排放114亿吨，按14亿人口计算，一个人一年要排放8吨。所以中国碳排放形势非常严峻。习近平总书记在2020年9月就宣布中国的双碳战略目标，2030年碳峰值，2060年要实现碳中和。碳排放就有很多来源，我们国家电力化工是大头，交通运输也占20%左右，所以通过轻量化来降碳是非常有意义的。你看右边这个是日本的数据，车重和碳排放就是一个正比关系，所以要把碳排放降下去，减重是一个很重要的方向。

新能源汽车更需要做轻，因为我们需要把电池成本往下降，把它的续航距离增加。轻量化的材料有很多，高强钢、铝合金、镁合金、碳纤维、复合材料。从技术成熟度、制造成本、性能综合考虑，目前来讲一个是高强钢，另外是铝合金，用的较多的，它们的性价比适合我们的应用。

那么轻量化在国内外是一个什么动态？其实发达国家汽车轻量化应该是比我们要做的早一些，他们用量也多一些，捷豹、路虎、奥迪这些车其实有很多是全铝汽车的，还有一些是蒙皮板是铝合金板材的。欧洲统计单车用铝在2006年是120公斤，2022年超过200公斤的，咱们国家还在100公斤这么一个水平。

这是欧洲从2022年2026年、2030年的用铝总结，这里面有铸造合金，有板材，有挤压形式，还有锻件。咱们看中间绿色这块，代表板材用量，2022年83万吨， 2026年预测要到128万吨，2030年要到144万吨，板材用量非常大。美国因为车比较大，美国人喜欢大车，所以更加需要轻量化。

我比较关注板材，因为板材的技术难度大。美国铝合金板车在2012年9万吨，到2019年95万吨，预测到2025年到136万吨这么一个规模。在中国是什么状况？中国在汽车上面用高端铝合金板材，最早是上汽通用的别克君威君越，还有陆上公务舱GL8，还有一汽大众这些传统车用铝板，那么现在完全又不一样的，大量的新能源汽车开始用铝板。特斯拉、蔚来、理想、北汽、吉利、小鹏、赛力斯、广汽等，都在用这个铝板。

那么新能源汽车用铝在中国市场状况如何呢？我自己做了一些市场的预测，这个图是我们新能源汽车销量，前面蓝色部分是实际的销量，从2020年超过100万台，2022年688万台，2023年958万台，我当时预测要过1000万台。我预测的数字也不能完全准，今年我原来预测的是1400万台，可能要到1200万台。

那么有了这个量以后，再计算一下每个车上面用多少铝合金，我们就可以预测铝的用量。新能源汽车和传统车相比少一个发动机，减重一部分，但是电池重了，所以实际上是重量是增加的。

那么这里面铝合金用在哪些地方？一个是蒙皮板，我们叫覆盖件，四门两盖一顶，还有一些结构件也会用一些板材，结构件里面还会用型材。副车架、底板和龙骨，这是用铸件。电池壳用板材，还有正极集流体用铝箔、量也很大，铝箔有几十万吨，电池托盘，有板材、型材，还有电池的冷水板、这个是用铅焊板材。电机及电控系统，用铸件。所以在新能源汽车上面会有大量的铝，这里面有挤压型材、有铸件、有板材。预测2024年用量接近300万吨，那么到2030年将近1000万，很大的一个市场了。

那么这里面我把板材专门又做了一个统计和预测，2022年是49万吨，2024年用了56万吨。我的预测出来有70万吨，怎么只用了56万吨呢？现在很大一个问题就是咱们国家新能源汽车价格还在卷，用铝还没有达到预期，我认为后面我们还会增加。这个表是我自己总结出来的。

预测2025年中国用高端铝板是150万吨，欧洲是120万吨，美国180万吨。我们是3000万辆，欧洲1600万辆，美国1700万辆，就单车里面用的高端铝合金板材，我们才50公斤，欧洲75公斤，美国106公斤，所以我认为我们的发展空间还是蛮大的，我们铝合金的高端板材的用量会越来越多，所以我认为前途还是很光明的。

中铝集团这些年在汽车铝板的国产化方面做了大量的工作，这里跟大家简单的介绍一下。我们从铝合金零部件结构设计开始到材料制备，再到它成型、连接、表面处理应用技术方面开展了完整的轻量化解决方案的研究。我们铝合金怎么生产，这是个简单的示意图。从熔炼、铸造、均匀化、热轧、冷轧到热处理、到清洗、钝化、涂油，以后就送到主机厂，进行成型、连接、表面处理，这样就做出汽车了。

那么这里面有很多关键技术，因为时间的关系不做详细的介绍，就讲几点。一个是我们的合金成分的控制，我们研究了6014合金镁硅原子团族里就镁和硅原子的比例，发现它的比例在1左右，按照这个比例配合金成分就比较合适。

另外汽车外板有个很重要性能就是包边性能，我们发现包边性能跟晶粒尺寸的关系非常密切，晶粒尺寸做细了，就能够控制成型过程中剪切带的扩展，板材的包边性能优异。

汽车外板还有一个重要指标是表面质量-漆刷线。左图是没有漆刷线，右图有漆刷线，这个漆刷线怎么控制？我通过热轧工艺与组织调控，把板材的晶粒取向做到跟左边这样很随机，成型以后表面非常漂亮。中铝集团开发出了一系列化的合金，6系里面有6016、6014，有标准S型的，有IH型的、IR型的，5系里面就有5754、5182这些产品。

在做材料的同时，我们还进行应用技术的研究，包括结构设计、成型、连接、表面处理，这一系列的应用技术的研究以后，就告诉主机厂我们的材料怎么用，这样他们拿去就比较好用了。所以我们材料在主机产得到了大量的应用。

那么大家会问这个铝板还有什么问题吗？实际上有几个挑战，一个是我们的铝板成型性能不如钢板，另外一个成本高，还有绿色化的需求。怎么去解决这些问题呢?需要把铝合金板材的成形性能做得越来越高，要通过短流程制备技术降成本，通过循环回收实现降碳。

我们在研究开发高性能铝板。比如说行人保护法规强制执行了，需要通过新材料开发、结构设计把行人保护性能做得更好。我们研究了新的6系合金，我们叫6XHE，就是高性能合金，这个材料吸能效果就比传统材料要好，主机厂更加愿意用我们的新材料。

另外5系合金做内板，因为它的成型是比较好的，但是和6系外板在一起用，循环回收不容易，所以主机产要求内板用6系合金。我们也研究出来新型6系合金，冷冲压成型性非常好，取名叫6XHF。另外我们开发的铝合金强度不断的提高，我们做了一个合金叫6XIB，涂漆烘烤后的屈服强度能达到290兆帕，这也是相当不错的。

那么下一步就是绿色汽车板，我们现在做碳足迹的计算，整个铝合金从氧化铝到电解铝到加工再到汽车上面应用，也就是全生命周期的碳排放，我们进行了计算。比如说用火电铝来替代钢，实际上它的碳排放是会增加的，这是不合适的。怎么办？用100%的水电就可以达到降碳的效果。如果我们加了40%的回收率，这个效果会更好，将来我们要做100%的回收，那么它的降碳效果就非常好，所以要做回收铝。

那么中国回收铝具不具备条件？我们有资源，叫城市铝矿山。我们拿的手机也好，我们开的车也好，我们电脑还包括建筑，用的铝都是城市铝矿山的范畴。铝矿山有多大的量，在2020年已经有3.6亿吨了，我们每年3000万吨到4000万吨的铝增加，城市铝矿山越来越大，到2030年这个量会达到7.6亿吨。如果按照每年回收5%、就有3000万吨，这就很大的一个量了。

另外我们铝土矿大部分都是进口的，从国外进口，因为我们国内铝土矿资源有限，而且品位也不够高，铝土矿90%以上都靠进口，但全世界60%的电解铝在中国做，所以这是个矛盾的。为了解决这个矛盾，就需要把我们城市铝矿山好好回收利用起来。我们要通过绿色回收城市铝矿山来解决资源供需矛盾，实现双碳战略。以汽车材料作为例子，刚开始是用新铝锭来做汽车板，那么经过循环以后，再把零部件进行回收，用分选技术把不同的合金进行精准的分选，这样再把它进行熔炼，做成板材、再做零部件，这样一个反复的过程实现绿色循环，我们就可以不依赖自然资源了。

那么循环回收有哪些关键技术呢？一个就是预处理。零部件回来，里面有压铸合金，有型材，有板材，有不同的合金牌号，5系里面就有5754、5182，6系里面6016、6014，还有7系合金。这些合金如果不进行很好的分选，它们混在一起，基本上就是没有什么价值了。我们把进行分选以后，就很有应用价值了。另外表面有漆，这些漆怎么进行处理，这也是关键技术。第二个就是回收的时候不可避免带来杂质元素的增加，那么我们如何去除这些杂质元素，怎么进行熔体纯净化处理又是一个关键技术。第三个关键技术就是杂质元素的有效利用技术。这些杂质元素可能不好去除，就好好的用起来。比如说通过快速凝固，通过轧制、热处理让杂质元素的颗粒进行破碎，提升材料性能。第四个关键技术是研究易回收的新材料。比如汽车覆盖件内外板合金一体化新型铝合金的研究开发是重要的方向。

我们中铝集团围绕新材料的开发，杂质元素去除与熔体处理技术，杂质元素有效利用的先进加工技术，按合金牌号分选技术进行了布局，正在研究开发。比如说我们正在研究车门内外板系合金系列一体化新合金、高铁容限的5182合金板材，以便满足主机厂的需求。另外铸造合金，通过杂质元素去除，提高品位，还有把铸造合金升级为变形铝合金，这也是我们在进行研究开发的方向。

最后总结一下汽车用铝的发展方向，就是瞄准高性能、低成本、绿色化。我们要不断的开发高强、高成型、高表面的材料，同时还开发易回收的新材料，特别是内外板合金系列一体化，还有单一合金unialloy的研究开发。还要开发零部件的绿色回收技术。我们要大力开发挤压型材以及零部件加工技术，我们要开发压铸用的铝合金材料及成型工艺，我们还要开发出短流程制备技术及新材料。另外还有一个大家可能目前还没注意的方向，就是零部件再利用和修理技术，也是我们需要研究的。通过这些技术研究开发，为汽车轻量化，为新能源汽车的发展做贡献。谢谢大家。

赵丕植博士，国家级高级专家，汽车轻量化联盟专家，中铝集团首席专家，中铝材料应用研究院副总工程师，博士生导师。从事汽车、新能源、船舶、绿色循环等领域铝合金新材料与新工艺研发33年，获授权发明专利60余件，起草国家标准2项，撰写科技论文80多篇。获中国有色金属工业科学技术奖5项，中国汽车工程协会科学技术奖1项。获日本轻金属学会跃进奖、日本材料学会新技术及新产品奖。

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