汽車材料將進入鋁時代 第二代ABS鋁合金及生產(chǎn)工藝來敲門

    在全球都在呼吁節(jié)能減排的大背景下,汽車輕量化已成為各國的重點關注對象.近年來,關于實現(xiàn)汽車輕量化的技術(shù)與創(chuàng)新不斷涌現(xiàn).所謂輕量化就是在保證汽車強度和安全性能的前提下,盡可能地降低整車的凈質(zhì)量,進而提高汽車動力性能,降低汽車行駛過程中的"摩擦損失",減少能耗,從而達到節(jié)能減排的目的.

    科學工作者早已做過試驗,若汽車整車凈質(zhì)量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽車整車質(zhì)量每減少100kg,百公里油耗可降低0.3L~0.6L.當今,節(jié)能減排是全球性的任務,而汽車又是現(xiàn)代生活中不可或缺的必需品,因此汽車輕量化已成為當下世界汽車發(fā)展潮流.

    目前,中國汽車的平均能耗為7.5L/100km左右,與發(fā)達國家的還有一定差距,國家規(guī)劃的目標是,2020年要達到4.5L/100km,與歐洲的標準等同,并超過美國定下的標準.要實現(xiàn)這個目標,就必須加快汽車輕量化.歐洲汽車制造企業(yè)正在推進"超輕型汽車工程",美國在汽車鋁化方面取得了跨越式進展,他們的目標是在現(xiàn)有價格的基礎上,將車的質(zhì)量降低30%.

    鋁是最早成為鋼材替代品的汽車制造材料,1960年美國乘用車(car)的平均用鋁量28.6kg,1999年上升到109kg,2015年達到約160kg,2025年估計可達到205kg以上.1994年德國奧迪汽車公司生產(chǎn)的Audi A8(奧迪A8)的車身內(nèi)架(Audi Space Frame,ASF)與覆蓋件全是用美國鋁業(yè)公司(Alcoa)的擠壓鋁材與薄板材制造的,開全鋁乘人轎車的先河.目前的數(shù)據(jù)顯示,在汽車制造中以鋁代鋼,可使汽車質(zhì)量下降30%~40%,如果用第二代鋁合金,則減重效果尤為卓著.鋁現(xiàn)在已成為汽車制造中用量僅次于鋼材和鑄鐵的材料,而在全鋁乘人汽車中,鋁的用量已上升到第二位.

    2015年全世界汽車制造業(yè)鋁的消費量約19500kt(含再生鋁),其中ABS(Auto-Body-Sheet,汽車車身薄板)的消費約1850kt,而中國的用量只不過32kt,而且85%是進口與外資企業(yè)生產(chǎn)的.據(jù)預測,2025年全世界對ABS的需求量有可能達到12000kt,其中中國的需求量約3500kt.

    第一代ABS

    筆者將到2016年為止的ABS分為兩代,是按鋁合金的性能及其生產(chǎn)工藝分的.第一代用的是常規(guī)變形鋁合金,冷軋帶坯是用鑄錠-熱軋法生產(chǎn)的,現(xiàn)在全球已建成與2017年上半年可建成的企業(yè)與車間共計27個,都屬第一代;第二代用的合金是美國鋁業(yè)公司新近發(fā)明的,冷軋用的帶坯是用美國鋁業(yè)公司創(chuàng)新的"圣安東尼奧小軋機法TM"(San Antonio Micro MillTM Flow Path)生產(chǎn)的,這是一種嶄新的工藝,合金的牌號與成分尚未見媒體報道,還有用哈茲雷特法生產(chǎn)的(Hazellet)與用特殊合金公司法(Special Alloy)生產(chǎn)的帶坯也把其歸為第二代,哈茲雷特法生產(chǎn)的合金為傳統(tǒng)的變形鋁合金,特殊合金公司法用的合金很可能也是常規(guī)的傳統(tǒng)合金,因為創(chuàng)造一個性能大幅度改善的有里程碑意義的合金并非輕而易舉.

    ABS分為兩種:內(nèi)板與外板.對外板的性能要求高,生產(chǎn)難度大.常規(guī)ABS合金的典型代表有:2002-T4,21187-T4,2036-T4,2037-T4,2038-T4,5182-O,6009-T4,6010-T4,6015-T4,6016,6111,5754等.此外,還有一些公司開發(fā)的有一定特性的合金,如法國的AlMg5、483合金,日本神戶鋼鐵公司的GC45、GZ45、GC150、GV10、X660,德國的AMg3等.

    ABS必須有良好的成形性、表面平整性強、良好的可焊性與優(yōu)良的烘烤硬化性.生產(chǎn)ABS的技術(shù)復雜性與建設ABS項目的投資都是鋁加工業(yè)最大的項目,比生產(chǎn)航空航天鋁合金板帶材的還大一些.

    第二代ABS

    第二代ABS是用新合金和/或新工藝生產(chǎn)的.目前可生產(chǎn)第二代ABS的工藝有三種:哈茲雷特法,美國鋁業(yè)公司的Micro-MillTM法與美國特殊合金公司的工藝,它們都于2015年誕生于美國.Micro-MillTM法中試與商業(yè)化生產(chǎn)線建在美國鋁業(yè)公司得克薩斯州圣安東尼奧軋制廠內(nèi),生產(chǎn)的ABS已經(jīng)過汽車制造廠的試用與認證,可以說已登堂入室.

    1. Micro-MillTM法

    2013年5月筆者隨同河南省訪美代表團訪問了美國鋁業(yè)公司匹茲堡技術(shù)中心,該中心向代表團介紹了Micro-MillTM法的工藝流程的概況,對筆者提出的一些問題,如鑄造輥尺寸與材質(zhì)、輥套厚度與材質(zhì)、輥套使用壽命、鑄帶坯進入雙機架熱連軋線溫度等等都避而不答.生產(chǎn)線可鑄帶坯寬度1727.2mm(68英寸)、帶坯厚度2.3mm~5.1mm(0.09英寸~0.20英寸)、鑄造速度61m/min~27.4m/min(200ft/min~90ft/min)、鑄坯溫度567℃(1050°F),熱軋帶經(jīng)剪邊后寬度1549.4mm~1701.8mm(61英寸~67英寸)、厚度0.457mm~3.81mm(0.018英寸~0.150英寸).以上是筆者在美國鋁業(yè)公司匹茲堡技術(shù)中心獲得的技術(shù)數(shù)據(jù).

    汽車材料跨入鋁材時代

    據(jù)《鋁時代(Aluminium Times,Feb 2015,p.12;October/November2015p.8)》報道:美國鋁業(yè)公司的小型軋機(MicromillR)可以生產(chǎn)第二代汽車鋁板帶,所生產(chǎn)的汽車合金的成形性比現(xiàn)行鋁合金的高40%以上,而強度性能則大30%,并且表面品質(zhì)優(yōu)秀,可滿足汽車工業(yè)的苛刻要求.用所產(chǎn)板帶材制造的零部件的成形性比高強度低合金鋼的大一倍,而其質(zhì)量卻比鋼的輕30%.半成品的加工時間大為縮短,因為與常規(guī)熱軋工藝相比省掉5道工序:鑄錠鋸切頭尾、均勻化退火(這是一道長時間的工序)、銑面、熱軋前加熱、熱軋.因此,從鋁合金熔體備好后到熱軋成供冷軋用的帶卷由20d縮短到20min.

    美國鋁業(yè)公司小型軋機生產(chǎn)的ABS從內(nèi)部顯微組織到表面品質(zhì)都勝出傳統(tǒng)鑄錠熱軋工藝生產(chǎn)的,特別是顯微組織得到了極大的改善,晶粗細小,強化相彌散均勻分布,因而成形性能可與低合金軟鋼(mild steel)試比高,更可喜的是可用與鋼板通用的模具順利地成形汽車的內(nèi)外覆蓋件.由于Micro-MillR板材力學性的全面提升,使覆蓋件的抗凹性能得到相應的提高,同時汽車零部件的加工制造也變得輕易不少,成品率也有所上升,汽車廠也受益非淺.

    小型軋機的占地面積(footprint)比傳統(tǒng)軋機的小得多,僅相當于后者的1/4,因而其能耗也只有后者的1/2.Alcoa(美國鋁業(yè)公司)MicromillR技術(shù)在全世界不同國家與地區(qū)申請了130個專利,生產(chǎn)線的連續(xù)鑄造機可隨時更換合金,不必停機,因而具有高度的靈活與生產(chǎn)效率.

    福特汽車公司批量使用MicromillR ABS

    2015年9月14日,福特汽車公司(Ford Motor Co.)與美國鋁業(yè)公司簽署了共同研發(fā)與推廣MicromillR技術(shù)生產(chǎn)ABS及其在汽車的應用協(xié)議,福特公司計劃在F-150型皮卡車上使用更多的鋁材.福特公司的實驗表明,采用MicromillR技術(shù)ABS制造的汽車在保持相同的防撞水平上,其零部件比鋼制的輕30%.

    福特汽車公司產(chǎn)品開發(fā)部主管拉杰·耐爾(Raj Nair)認為,新型鋁合金材料為設計新款式汽車提供了更多的靈活選擇,而且極大地縮短了設計與制造時間.基于新型鋁材的優(yōu)秀性能,過去用傳統(tǒng)的ABS不能制造的零部件,現(xiàn)在卻輕而易舉了.

    美國鋁業(yè)公司與達涅利集團聯(lián)姻推廣MicromillR技術(shù)與裝備

    據(jù)《鋁時報,2015年10/11期P.8》報道,美國鋁業(yè)公司與意大利達涅利集團(Danieli Group)于2015年10月簽訂了一份合作協(xié)議,在全球推廣MicromillR技術(shù)、合金、生產(chǎn)專利.初期重點工作是在歐洲、南美洲、東南亞地區(qū).達涅利集團是第二大冶金裝備生產(chǎn)與研發(fā)企業(yè),已獲得美國鋁業(yè)公司的授權(quán),可在全球銷售、安裝、調(diào)試有關MicromillR裝備的一切事宜,美國鋁業(yè)公司將提供材料的全部生產(chǎn)工藝與技術(shù),以及相關專利技術(shù).

    2. 哈茲雷特法

    哈茲雷特(Hazrlett)連鑄連軋工藝的商業(yè)化生產(chǎn)已有50多年的歷史,中國已引進2條1950mm生產(chǎn)線,一條在河南伊川電力集團,2011年投產(chǎn),已進入達產(chǎn)階段;另一條在內(nèi)蒙霍林郭勒錦聯(lián)材料有限公司,2015年投產(chǎn).它們的主導產(chǎn)品都為鋁箔軋制帶坯與通用1XXX系、3XXX系合金板帶材帶坯.此法所能生產(chǎn)的合金及產(chǎn)品已有不少介紹,關于鑄造機的結(jié)構(gòu)也有一些報道,在此不再贅言,在此需指出的是:它不是一種萬能的工藝,有一些合金如高合金化的2XXX系合金、7XXX系合金、含Mg含量大于6%的5XXX系合金、鋁-鋰合金、鋁-鈧合金等還不能生產(chǎn)更不能批量生產(chǎn),并不像有文章(《中國鋁業(yè)》2016年第2期第10頁)說的"亦可生產(chǎn)2000和7000系合金",不能批量生產(chǎn)2024型及7075型航空航天板帶材坯材,就不能說生產(chǎn)2XXX系及7XXX系合金.該法也不能生產(chǎn)厚度大于15mm的板材,因為它可鑄帶坯的最大厚度50mm,而通常鑄造帶坯的厚度≤20mm;據(jù)哈茲雷特公司高級技術(shù)人員,用此法可以鑄造冷軋ABS用的帶坯,但尚未見哪個汽車制造廠用其板帶材批量生產(chǎn)覆蓋件的報道,也為讀到世界上哪個軋制廠用此法生產(chǎn)的帶材在批量供應ABS的報道.

    3. 特殊合金公司

    美國特殊合金公司據(jù)稱從2013年開始策劃建設一個ABS生產(chǎn)能力達600kt/a的企業(yè),采用特殊的工藝與特殊的裝備,建設用地都已征妥,但是2015年9月又突然宣稱不建了.筆者有美國朋友稱,原來是一些從事鋼鐵生產(chǎn)的退休人員發(fā)起建設此項目,后來發(fā)現(xiàn)建設此項目的難度很大,決定退出.他們采用的工藝與裝備都未見報道.

    汽車材料將進入鋁時代

    隨著美國鋁業(yè)公司的Alcoa MicromillR的登堂入室,第二代ABS不但進入了批量生產(chǎn),而且批量用于制造福特汽車公司的新版本F-150型皮卡車,其成形性能比傳統(tǒng)ABS合金的大40%,強度性能比傳統(tǒng)材料的高30%,零部件質(zhì)量比鋼制的輕30%,各項性能均全面優(yōu)于低碳汽車鋼板的一些.這種第二代鋁ABS的誕生有著里程碑意義,宣布汽車材料進入鋁時代,鋁將成為第二大汽車材料,在某些車型上,甚至有可能成為第一大材料,有著非凡的經(jīng)濟效益與社會效益.在這種嚴峻形勢下,中國鋁工業(yè)與汽車制造業(yè)宜聯(lián)合起來采取相應的對策,使中國這個頭號的汽車生產(chǎn)大國,成為世界汽車鋁材研發(fā)、生產(chǎn)與使用第一大國與強國.還需要做那些工作呢?不外乎:

    鋁工業(yè)的管理人員與科技工作者宜關注MicromillR技術(shù)的內(nèi)涵與發(fā)展,有較深入的了解,如對汽車輕量化與節(jié)能減排的作用,對推動汽車制造業(yè)發(fā)展的效應;

    MicromillR技術(shù)集新材料與高端機器制造業(yè)于一體,體現(xiàn)了當今鋁材料與裝備的制高點,具有技術(shù)高度密集、研究與開發(fā)投入高時間長、影響面大,對國民經(jīng)濟發(fā)揮有一定拉動作用、生產(chǎn)與市場國際性強等特點,需要國家層面與有關部門出面,組織相關單位的人力與物力聯(lián)合研發(fā).我們的家底不厚,對第一代ABS材料的研究尚不夠,更談不上第二代材料,在這方面與美國的差距可能有四五十年.第二代ABS鋁合金與第一代的相比應該有相當大的改進與改變,僅僅對傳統(tǒng)合金作簡單的改性,不可能制造出性能有這么大全面躍升的優(yōu)秀材料;

    筆者覺得MicromillR技術(shù)關鍵在合金與鑄造機.美國鋁業(yè)公司有很強的研發(fā)能力,128年來它創(chuàng)作的占在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊的528個常用變形合金(截至2015年1月)的41%;MicromillR技術(shù)的推出,雙錕式連續(xù)鑄造機應該起了大局攸關的作用,而鑄造錕尺寸、材料與內(nèi)部冷卻介質(zhì)通道又是關鍵的關鍵,它必須有強大的冷卻能力,能在設定時間內(nèi)使鋁熔體凝固;

    企業(yè)家有考慮引進此項技術(shù)的必要,正在作建設ABS項目前期工作的企業(yè)宜采用此新技術(shù)與工藝,關鍵是連續(xù)鑄造機,熔煉設備與熱軋機可以國內(nèi)制造,后部熱處理與精整生產(chǎn)線可國內(nèi)外合作設計與制造.

    第二代鋁合金ABS在美國上市了,汽車材料鋁時代萌芽了,中國鋁工業(yè)、汽車制造業(yè)宜聯(lián)合起來,奮起直追,勿失戰(zhàn)機.