汽车材料将进入铝时代

第二代ABS铝合金及生产工艺来敲门啦
 

　　在全球都在呼吁节能减排的大背景下，汽车轻量化已成为各国的重点关注对象。近年来，关于实现汽车轻量化的技术与创新不断涌现。所谓轻量化就是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低整车的净质量，进而提高汽车动力性能，降低汽车行驶过程中的“摩擦损失”，减少能耗，从而达到节能减排的目的。
　　科学工作者早已做过试验，若汽车整车净质量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽车整车质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3L~0.6L。当今，节能减排是全球性的任务，而汽车又是现代生活中不可或缺的必需品，因此汽车轻量化已成为当下世界汽车发展潮流。
　　目前，中国汽车的平均能耗为7.5L/100km左右，与发达国家的还有一定差距，国家规划的目标是，2020年要达到4.5L/100km，与欧洲的标准等同，并超过美国定下的标准。要实现这个目标，就必须加快汽车轻量化。欧洲汽车制造企业正在推进“超轻型汽车工程”，美国在汽车铝化方面取得了跨越式进展，他们的目标是在现有价格的基础上，将车的质量降低30%。
　　铝是最早成为钢材替代品的汽车制造材料，1960年美国乘用车（car）的平均用铝量28.6kg，1999年上升到109kg，2015年达到约160kg，2025年估计可达到205kg以上。1994年德国奥迪汽车公司生产的Audi A8（奥迪A8）的车身内架（Audi Space Frame,ASF）与覆盖件全是用美国铝业公司（Alcoa）的挤压铝材与薄板材制造的，开全铝乘人轿车的先河。目前的数据显示，在汽车制造中以铝代钢，可使汽车质量下降30%~40%，如果用第二代铝合金，则减重效果尤为卓著。铝现在已成为汽车制造中用量仅次于钢材和铸铁的材料，而在全铝乘人汽车中，铝的用量已上升到第二位。
　　2015年全世界汽车制造业铝的消费量约19500kt（含再生铝），其中ABS（Auto-Body-Sheet，汽车车身薄板）的消费约1850kt，而中国的用量只不过32kt，而且85%是进口与外资企业生产的。据预测，2025年全世界对ABS的需求量有可能达到12000kt，其中中国的需求量约3500kt。
　　第一代ABS
　　笔者将到2016年为止的ABS分为两代，是按铝合金的性能及其生产工艺分的。第一代用的是常规变形铝合金，冷轧带坯是用铸锭-热轧法生产的，现在全球已建成与2017年上半年可建成的企业与车间共计27个，都属第一代；第二代用的合金是美国铝业公司新近发明的，冷轧用的带坯是用美国铝业公司创新的“圣安东尼奥小轧机法TM”（San Antonio Micro MillTM Flow Path）生产的，这是一种崭新的工艺，合金的牌号与成分尚未见媒体报道，还有用哈兹雷特法生产的（Hazellet）与用特殊合金公司法（Special Alloy）生产的带坯也把其归为第二代，哈兹雷特法生产的合金为传统的变形铝合金，特殊合金公司法用的合金很可能也是常规的传统合金，因为创造一个性能大幅度改善的有里程碑意义的合金并非轻而易举。
　　ABS分为两种：内板与外板。对外板的性能要求高，生产难度大。常规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，还有一些公司开发的有一定特性的合金，如法国的AlMg5、483合金，日本神户钢铁公司的GC45、GZ45、GC150、GV10、X660，德国的AMg3等。
　　ABS必须有良好的成形性、表面平整性强、良好的可焊性与优良的烘烤硬化性。生产ABS的技术复杂性与建设ABS项目的投资都是铝加工业最大的项目，比生产航空航天铝合金板带材的还大一些。
　　第二代ABS
　　第二代ABS是用新合金和/或新工艺生产的。目前可生产第二代ABS的工艺有三种：哈兹雷特法，美国铝业公司的Micro-MillTM法与美国特殊合金公司的工艺，它们都于2015年诞生于美国。Micro-MillTM法中试与商业化生产线建在美国铝业公司得克萨斯州圣安东尼奥轧制厂内，生产的ABS已经过汽车制造厂的试用与认证，可以说已登堂入室。
　　1. Micro-MillTM法
　　2013年5月笔者随同河南省访美代表团访问了美国铝业公司匹兹堡技术中心，该中心向代表团介绍了Micro-MillTM法的工艺流程的概况，对笔者提出的一些问题，如铸造辊尺寸与材质、辊套厚度与材质、辊套使用寿命、铸带坯进入双机架热连轧线温度等等都避而不答。生产线可铸带坯宽度1727.2mm（68英寸）、带坯厚度2.3mm~5.1mm（0.09英寸~0.20英寸）、铸造速度61m/min~27.4m/min（200ft/min~90ft/min）、铸坯温度567℃（1050°F），热轧带经剪边后宽度1549.4mm~1701.8mm（61英寸~67英寸）、厚度0.457mm~3.81mm（0.018英寸~0.150英寸）。以上是笔者在美国铝业公司匹兹堡技术中心获得的技术数据。
　　汽车材料跨入铝材时代
　　据《铝时代（Aluminium Times,Feb 2015,p.12;October/November2015p.8）》报道：美国铝业公司的小型轧机（MicromillR）可以生产第二代汽车铝板带，所生产的汽车合金的成形性比现行铝合金的高40%以上，而强度性能则大30%，并且表面品质优秀，可满足汽车工业的苛刻要求。用所产板带材制造的零部件的成形性比高强度低合金钢的大一倍，而其质量却比钢的轻30%。半成品的加工时间大为缩短，因为与常规热轧工艺相比省掉5道工序：铸锭锯切头尾、均匀化退火（这是一道长时间的工序）、铣面、热轧前加热、热轧。因此，从铝合金熔体备好后到热轧成供冷轧用的带卷由20d缩短到20min。
　　美国铝业公司小型轧机生产的ABS从内部显微组织到表面品质都胜出传统铸锭热轧工艺生产的，特别是显微组织得到了极大的改善，晶粗细小，强化相弥散均匀分布，因而成形性能可与低合金软钢（mild steel）试比高，更可喜的是可用与钢板通用的模具顺利地成形汽车的内外覆盖件。由于Micro-MillR板材力学性的全面提升，使覆盖件的抗凹性能得到相应的提高，同时汽车零部件的加工制造也变得轻易不少，成品率也有所上升，汽车厂也受益非浅。
　　小型轧机的占地面积（footprint）比传统轧机的小得多，仅相当于后者的1/4，因而其能耗也只有后者的1/2。Alcoa（美国铝业公司）MicromillR技术在全世界不同国家与地区申请了130个专利，生产线的连续铸造机可随时更换合金，不必停机，因而具有高度的灵活与生产效率。
　　福特汽车公司批量使用MicromillR ABS
　　2015年9月14日，福特汽车公司（Ford Motor Co.）与美国铝业公司签署了共同研发与推广MicromillR技术生产ABS及其在汽车的应用协议，福特公司计划在F-150型皮卡车上使用更多的铝材。福特公司的实验表明，采用MicromillR技术ABS制造的汽车在保持相同的防撞水平上，其零部件比钢制的轻30%。
　　福特汽车公司产品开发部主管拉杰·耐尔（Raj Nair）认为，新型铝合金材料为设计新款式汽车提供了更多的灵活选择，而且极大地缩短了设计与制造时间。基于新型铝材的优秀性能，过去用传统的ABS不能制造的零部件，现在却轻而易举了。
　　美国铝业公司与达涅利集团联姻推广MicromillR技术与装备
　　据《铝时报，2015年10/11期P.8》报道，美国铝业公司与意大利达涅利集团（Danieli Group）于2015年10月签订了一份合作协议，在全球推广MicromillR技术、合金、生产专利。初期重点工作是在欧洲、南美洲、东南亚地区。达涅利集团是第二大冶金装备生产与研发企业，已获得美国铝业公司的授权，可在全球销售、安装、调试有关MicromillR装备的一切事宜，美国铝业公司将提供材料的全部生产工艺与技术，以及相关专利技术。
　　2. 哈兹雷特法
　　哈兹雷特（Hazrlett）连铸连轧工艺的商业化生产已有50多年的历史，中国已引进2条1950mm生产线，一条在河南伊川电力集团，2011年投产，已进入达产阶段；另一条在内蒙霍林郭勒锦联材料有限公司，2015年投产。它们的主导产品都为铝箔轧制带坯与通用1XXX系、3XXX系合金板带材带坯。此法所能生产的合金及产品已有不少介绍，关于铸造机的结构也有一些报道，在此不再赘言，在此需指出的是：它不是一种万能的工艺，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、铝-锂合金、铝-钪合金等还不能生产更不能批量生产，并不像有文章（《中国铝业》2016年第2期第10页）说的“亦可生产2000和7000系合金”，不能批量生产2024型及7075型航空航天板带材坯材，就不能说生产2XXX系及7XXX系合金。该法也不能生产厚度大于15mm的板材，因为它可铸带坯的最大厚度50mm，而通常铸造带坯的厚度≤20mm；据哈兹雷特公司高级技术人员，用此法可以铸造冷轧ABS用的带坯，但尚未见哪个汽车制造厂用其板带材批量生产覆盖件的报道，也为读到世界上哪个轧制厂用此法生产的带材在批量供应ABS的报道。
　　3. 特殊合金公司
　　美国特殊合金公司据称从2013年开始策划建设一个ABS生产能力达600kt/a的企业，采用特殊的工艺与特殊的装备，建设用地都已征妥，但是2015年9月又突然宣称不建了。笔者有美国朋友称，原来是一些从事钢铁生产的退休人员发起建设此项目，后来发现建设此项目的难度很大，决定退出。他们采用的工艺与装备都未见报道。
　　汽车材料将进入铝时代
　　随着美国铝业公司的Alcoa MicromillR的登堂入室，第二代ABS不但进入了批量生产，而且批量用于制造福特汽车公司的新版本F-150型皮卡车，其成形性能比传统ABS合金的大40%，强度性能比传统材料的高30%，零部件质量比钢制的轻30%，各项性能均全面优于低碳汽车钢板的一些。这种第二代铝ABS的诞生有着里程碑意义，宣布汽车材料进入铝时代，铝将成为第二大汽车材料，在某些车型上，甚至有可能成为第一大材料，有着非凡的经济效益与社会效益。在这种严峻形势下，中国铝工业与汽车制造业宜联合起来采取相应的对策，使中国这个头号的汽车生产大国，成为世界汽车铝材研发、生产与使用第一大国与强国。还需要做那些工作呢？不外乎：
　　●铝工业的管理人员与科技工作者宜关注MicromillR技术的内涵与发展，有较深入的了解，如对汽车轻量化与节能减排的作用，对推动汽车制造业发展的效应；
　　●MicromillR技术集新材料与高端机器制造业于一体，体现了当今铝材料与装备的制高点，具有技术高度密集、研究与开发投入高时间长、影响面大，对国民经济发挥有一定拉动作用、生产与市场国际性强等特点，需要国家层面与有关部门出面，组织相关单位的人力与物力联合研发。我们的家底不厚，对第一代ABS材料的研究尚不够，更谈不上第二代材料，在这方面与美国的差距可能有四五十年。第二代ABS铝合金与第一代的相比应该有相当大的改进与改变，仅仅对传统合金作简单的改性，不可能制造出性能有这么大全面跃升的优秀材料；
　　●笔者觉得MicromillR技术关键在合金与铸造机。美国铝业公司有很强的研发能力，128年来它创作的占在美国铝业协会公司注册的528个常用变形合金（截至2015年1月）的41%；MicromillR技术的推出，双锟式连续铸造机应该起了大局攸关的作用，而铸造锟尺寸、材料与内部冷却介质通道又是关键的关键，它必须有强大的冷却能力，能在设定时间内使铝熔体凝固；
　　●企业家有考虑引进此项技术的必要，正在作建设ABS项目前期工作的企业宜采用此新技术与工艺，关键是连续铸造机，熔炼设备与热轧机可以国内制造，后部热处理与精整生产线可国内外合作设计与制造。
　　第二代铝合金ABS在美国上市了，汽车材料铝时代萌芽了，中国铝工业、汽车制造业宜联合起来，奋起直追，勿失战机。