汽車材料將進(jìn)入鋁時(shí)代

第二代ABS鋁合金及生產(chǎn)工藝來(lái)敲門啦
 

　　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(guó)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。近年來(lái)，關(guān)于實(shí)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(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低整車的凈質(zhì)量，進(jìn)而提高汽車動(dòng)力性能，降低汽車行駛過(guò)程中的“摩擦損失”，減少能耗，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。
　　科學(xué)工作者早已做過(guò)試驗(yàn)，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(dāng)今，節(jié)能減排是全球性的任務(wù)，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(dāng)下世界汽車發(fā)展潮流。
　　目前，中國(guó)汽車的平均能耗為7.5L/100km左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家的還有一定差距，國(guó)家規(guī)劃的目標(biāo)是，2020年要達(dá)到4.5L/100km，與歐洲的標(biāo)準(zhǔn)等同，并超過(guò)美國(guó)定下的標(biāo)準(zhǔn)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就必須加快汽車輕量化。歐洲汽車制造企業(yè)正在推進(jìn)“超輕型汽車工程”，美國(guó)在汽車鋁化方面取得了跨越式進(jìn)展，他們的目標(biāo)是在現(xiàn)有價(jià)格的基礎(chǔ)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(guó)乘用車（car）的平均用鋁量28.6kg，1999年上升到109kg，2015年達(dá)到約160kg，2025年估計(jì)可達(dá)到205kg以上。1994年德國(guó)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(guó)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?jī)H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(fèi)量約19500kt（含再生鋁），其中ABS（Auto-Body-Sheet，汽車車身薄板）的消費(fèi)約1850kt，而中國(guó)的用量只不過(guò)32kt，而且85%是進(jìn)口與外資企業(yè)生產(chǎn)的。據(jù)預(yù)測(cè)，2025年全世界對(duì)ABS的需求量有可能達(dá)到12000kt，其中中國(guó)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(jì)27個(gè)，都屬第一代；第二代用的合金是美國(guó)鋁業(yè)公司新近發(fā)明的，冷軋用的帶坯是用美國(guó)鋁業(yè)公司創(chuàng)新的“圣安東尼奧小軋機(jī)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(hào)與成分尚未見媒體報(bào)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?yàn)閯?chuàng)造一個(gè)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(duì)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(guó)的AlMg5、483合金，日本神戶鋼鐵公司的GC45、GZ45、GC150、GV10、X660，德國(guó)的AMg3等。
　　ABS必須有良好的成形性、表面平整性強(qiáng)、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(fù)雜性與建設(shè)ABS項(xiàng)目的投資都是鋁加工業(yè)最大的項(xiàng)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(guó)鋁業(yè)公司的Micro-MillTM法與美國(guó)特殊合金公司的工藝，它們都于2015年誕生于美國(guó)。Micro-MillTM法中試與商業(yè)化生產(chǎn)線建在美國(guó)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(guò)汽車制造廠的試用與認(rèn)證，可以說(shuō)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(tuán)訪問(wèn)了美國(guó)鋁業(yè)公司匹茲堡技術(shù)中心，該中心向代表團(tuán)介紹了Micro-MillTM法的工藝流程的概況，對(duì)筆者提出的一些問(wèn)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(jìn)入雙機(jī)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(guó)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(shí)代
　　據(jù)《鋁時(shí)代（Aluminium Times,Feb 2015,p.12;October/November2015p.8）》報(bào)道：美國(guó)鋁業(yè)公司的小型軋機(jī)（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(qiáng)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(qiáng)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(shí)間大為縮短，因?yàn)榕c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(zhǎng)時(shí)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(guó)鋁業(yè)公司小型軋機(jī)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(xì)小，強(qiáng)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(xué)性的全面提升，使覆蓋件的抗凹性能得到相應(yīng)的提高，同時(shí)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(jī)的占地面積（footprint）比傳統(tǒng)軋機(jī)的小得多，僅相當(dāng)于后者的1/4，因而其能耗也只有后者的1/2。Alcoa（美國(guó)鋁業(yè)公司）MicromillR技術(shù)在全世界不同國(guó)家與地區(qū)申請(qǐng)了130個(gè)專利，生產(chǎn)線的連續(xù)鑄造機(jī)可隨時(shí)更換合金，不必停機(jī)，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(guó)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(yīng)用協(xié)議，福特公司計(jì)劃在F-150型皮卡車上使用更多的鋁材。福特公司的實(shí)驗(yàn)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(rèn)為，新型鋁合金材料為設(shè)計(jì)新款式汽車提供了更多的靈活選擇，而且極大地縮短了設(shè)計(jì)與制造時(shí)間?；谛滦弯X材的優(yōu)秀性能，過(guò)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(guó)鋁業(yè)公司與達(dá)涅利集團(tuán)聯(lián)姻推廣MicromillR技術(shù)與裝備
　　據(jù)《鋁時(shí)報(bào)，2015年10/11期P.8》報(bào)道，美國(guó)鋁業(yè)公司與意大利達(dá)涅利集團(tuán)（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(diǎn)工作是在歐洲、南美洲、東南亞地區(qū)。達(dá)涅利集團(tuán)是第二大冶金裝備生產(chǎn)與研發(fā)企業(yè)，已獲得美國(guó)鋁業(yè)公司的授權(quán)，可在全球銷售、安裝、調(diào)試有關(guān)MicromillR裝備的一切事宜，美國(guó)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(guān)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(guó)已引進(jìn)2條1950mm生產(chǎn)線，一條在河南伊川電力集團(tuán)，2011年投產(chǎn)，已進(jìn)入達(dá)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(dǎo)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(guān)于鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)也有一些報(bào)道，在此不再贅言，在此需指出的是：它不是一種萬(wàn)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(guó)鋁業(yè)》2016年第2期第10頁(yè)）說(shuō)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(shuō)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?yàn)樗设T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(jí)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(gè)汽車制造廠用其板帶材批量生產(chǎn)覆蓋件的報(bào)道，也為讀到世界上哪個(gè)軋制廠用此法生產(chǎn)的帶材在批量供應(yīng)ABS的報(bào)道。
　　3. 特殊合金公司
　　美國(guó)特殊合金公司據(jù)稱從2013年開始策劃建設(shè)一個(gè)ABS生產(chǎn)能力達(dá)600kt/a的企業(yè)，采用特殊的工藝與特殊的裝備，建設(shè)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(guó)朋友稱，原來(lái)是一些從事鋼鐵生產(chǎn)的退休人員發(fā)起建設(shè)此項(xiàng)目，后來(lái)發(fā)現(xiàn)建設(shè)此項(xiàng)目的難度很大，決定退出。他們采用的工藝與裝備都未見報(bào)道。
　　汽車材料將進(jìn)入鋁時(shí)代
　　隨著美國(guó)鋁業(yè)公司的Alcoa MicromillR的登堂入室，第二代ABS不但進(jìn)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(qiáng)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(xiàng)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(jìn)入鋁時(shí)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(jì)效益與社會(huì)效益。在這種嚴(yán)峻形勢(shì)下，中國(guó)鋁工業(yè)與汽車制造業(yè)宜聯(lián)合起來(lái)采取相應(yīng)的對(duì)策，使中國(guó)這個(gè)頭號(hào)的汽車生產(chǎn)大國(guó)，成為世界汽車鋁材研發(fā)、生產(chǎn)與使用第一大國(guó)與強(qiáng)國(guó)。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(guān)注MicromillR技術(shù)的內(nèi)涵與發(fā)展，有較深入的了解，如對(duì)汽車輕量化與節(jié)能減排的作用，對(duì)推動(dòng)汽車制造業(yè)發(fā)展的效應(yīng)；
　　●MicromillR技術(shù)集新材料與高端機(jī)器制造業(yè)于一體，體現(xiàn)了當(dāng)今鋁材料與裝備的制高點(diǎn)，具有技術(shù)高度密集、研究與開發(fā)投入高時(shí)間長(zhǎng)、影響面大，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)揮有一定拉動(dòng)作用、生產(chǎn)與市場(chǎng)國(guó)際性強(qiáng)等特點(diǎn)，需要國(guó)家層面與有關(guān)部門出面，組織相關(guān)單位的人力與物力聯(lián)合研發(fā)。我們的家底不厚，對(duì)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(guó)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(yīng)該有相當(dāng)大的改進(jìn)與改變，僅僅對(duì)傳統(tǒng)合金作簡(jiǎn)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(jué)得MicromillR技術(shù)關(guān)鍵在合金與鑄造機(jī)。美國(guó)鋁業(yè)公司有很強(qiáng)的研發(fā)能力，128年來(lái)它創(chuàng)作的占在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊(cè)的528個(gè)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(jī)應(yīng)該起了大局攸關(guān)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(guān)鍵的關(guān)鍵，它必須有強(qiáng)大的冷卻能力，能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)使鋁熔體凝固；
　　●企業(yè)家有考慮引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的必要，正在作建設(shè)ABS項(xiàng)目前期工作的企業(yè)宜采用此新技術(shù)與工藝，關(guān)鍵是連續(xù)鑄造機(jī)，熔煉設(shè)備與熱軋機(jī)可以國(guó)內(nèi)制造，后部熱處理與精整生產(chǎn)線可國(guó)內(nèi)外合作設(shè)計(jì)與制造。
　　第二代鋁合金ABS在美國(guó)上市了，汽車材料鋁時(shí)代萌芽了，中國(guó)鋁工業(yè)、汽車制造業(yè)宜聯(lián)合起來(lái)，奮起直追，勿失戰(zhàn)機(jī)。