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的重點關(guān)注對象。近年來，關(guān)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(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(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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(guān)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(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(guān)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(yīng)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(shè)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(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(shè)此項目，后來發(fā)現(xiàn)建設(shè)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(yīng)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(guān)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(yīng)；
●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(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(yīng)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(guān)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(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，它必須有強大的冷卻能力，能在設(shè)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(shè)ABS項目前期工作的企業(yè)宜采用此新技術(shù)與工藝，關(guān)鍵是連續(xù)鑄造機，熔煉設(shè)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(shè)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。
