在全球都在呼吁節能減排的大背景下,汽車輕量化已成為各國的重點關注對象.近年來,關于實現汽車輕量化的技術與創新不斷涌現.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,從而達到節能減排的目的.

    科學工作者早已做過試驗,若汽車整車凈質量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽車整車質量每減少100kg,百公里油耗可降低0.3L~0.6L.當今,節能減排是全球性的任務,而汽車又是現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展潮流.

    目前,中國汽車的平均能耗為7.5L/100km左右,與發達國家的還有一定差距,國家規劃的目標是,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.要實現這個目標,就必須加快汽車輕量化.歐洲汽車制造企業正在推進"超輕型汽車工程",美國在汽車鋁化方面取得了跨越式進展,他們的目標是在現有價格的基礎上,將車的質量降低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的Audi A8(奧迪A8)的車身內架(Audi Space Frame,ASF)與覆蓋件全是用美國鋁業公司(Alcoa)的擠壓鋁材與薄板材制造的,開全鋁乘人轎車的先河.目前的數據顯示,在汽車制造中以鋁代鋼,可使汽車質量下降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%是進口與外資企業生產的.據預測,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工藝分的.第一代用的是常規變形鋁合金,冷軋帶坯是用鑄錠-熱軋法生產的,現在全球已建成與2017年上半年可建成的企業與車間共計27個,都屬第一代;第二代用的合金是美國鋁業公司新近發明的,冷軋用的帶坯是用美國鋁業公司創新的"圣安東尼奧小軋機法TM"(San Antonio Micro MillTM Flow Path)生產的,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的(Hazellet)與用特殊合金公司法(Special Alloy)生產的帶坯也把其歸為第二代,哈茲雷特法生產的合金為傳統的變形鋁合金,特殊合金公司法用的合金很可能也是常規的傳統合金,因為創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:內板與外板.對外板的性能要求高,生產難度大.常規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、良好的可焊性與優良的烘烤硬化性.生產ABS的技術復雜性與建設ABS項目的投資都是鋁加工業最大的項目,比生產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/或新工藝生產的.目前可生產第二代ABS的工藝有三種:哈茲雷特法,美國鋁業公司的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法中試與商業化生產線建在美國鋁業公司得克薩斯州圣安東尼奧軋制廠內,生產的ABS已經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公司匹茲堡技術中心,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、輥套厚度與材質、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公司匹茲堡技術中心獲得的技術數據.

    汽車材料跨入鋁材時代

    據《鋁時代(Aluminium Times,Feb 2015,p.12;October/November2015p.8)》報道:美國鋁業公司的小型軋機(MicromillR)可以生產第二代汽車鋁板帶,所生產的汽車合金的成形性比現行鋁合金的高40%以上,而強度性能則大30%,并且表面品質優秀,可滿足汽車工業的苛刻要求.用所產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,而其質量卻比鋼的輕30%.半成品的加工時間大為縮短,因為與常規熱軋工藝相比省掉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.

    美國鋁業公司小型軋機生產的ABS從內部顯微組織到表面品質都勝出傳統鑄錠熱軋工藝生產的,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(美國鋁業公司)MicromillR技術在全世界不同國家與地區申請了130個專利,生產線的連續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.)與美國鋁業公司簽署了共同研發與推廣MicromillR技術生產ABS及其在汽車的應用協議,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%.

    福特汽車公司產品開發部主管拉杰·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.基于新型鋁材的優秀性能,過去用傳統的ABS不能制造的零部件,現在卻輕而易舉了.

    美國鋁業公司與達涅利集團聯姻推廣MicromillR技術與裝備

    據《鋁時報,2015年10/11期P.8》報道,美國鋁業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議,在全球推廣MicromillR技術、合金、生產專利.初期重點工作是在歐洲、南美洲、東南亞地區.達涅利集團是第二大冶金裝備生產與研發企業,已獲得美國鋁業公司的授權,可在全球銷售、安裝、調試有關MicromillR裝備的一切事宜,美國鋁業公司將提供材料的全部生產工藝與技術,以及相關專利技術.

    2. 哈茲雷特法

    哈茲雷特(Hazrlett)連鑄連軋工藝的商業化生產已有50多年的歷史,中國已引進2條1950mm生產線,一條在河南伊川電力集團,2011年投產,已進入達產階段;另一條在內蒙霍林郭勒錦聯材料有限公司,2015年投產.它們的主導產品都為鋁箔軋制帶坯與通用1XXX系、3XXX系合金板帶材帶坯.此法所能生產的合金及產品已有不少介紹,關于鑄造機的結構也有一些報道,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更不能批量生產,并不像有文章(《中國鋁業》2016年第2期第10頁)說的"亦可生產2000和7000系合金",不能批量生產2024型及7075型航空航天板帶材坯材,就不能說生產2XXX系及7XXX系合金.該法也不能生產厚度大于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;據哈茲雷特公司高級技術人員,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覆蓋件的報道,也為讀到世界上哪個軋制廠用此法生產的帶材在批量供應ABS的報道.

    3. 特殊合金公司

    美國特殊合金公司據稱從2013年開始策劃建設一個ABS生產能力達600kt/a的企業,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的退休人員發起建設此項目,后來發現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

    隨著美國鋁業公司的Alcoa MicromillR的登堂入室,第二代ABS不但進入了批量生產,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ABS合金的大40%,強度性能比傳統材料的高30%,零部件質量比鋼制的輕30%,各項性能均全面優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,有著非凡的經濟效益與社會效益.在這種嚴峻形勢下,中國鋁工業與汽車制造業宜聯合起來采取相應的對策,使中國這個頭號的汽車生產大國,成為世界汽車鋁材研發、生產與使用第一大國與強國.還需要做那些工作呢?不外乎:

    鋁工業的管理人員與科技工作者宜關注MicromillR技術的內涵與發展,有較深入的了解,如對汽車輕量化與節能減排的作用,對推動汽車制造業發展的效應;

    MicromillR技術集新材料與高端機器制造業于一體,體現了當今鋁材料與裝備的制高點,具有技術高度密集、研究與開發投入高時間長、影響面大,對國民經濟發揮有一定拉動作用、生產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合研發.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秀材料;

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

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

    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、汽車制造業宜聯合起來,奮起直追,勿失戰機.