1 引言
進入21 世紀, 能源和環境問題仍然嚴峻, 繼續推進汽車輕量化以降低油耗, 依然是汽車工業的發展關鍵。鋁合金具有密度小、導電導熱性好、塑性和加工性能好等一系列優點, 在成本、制造技術、力學性能、可持續發展等方面具有其他輕量化材料無可比擬的優越性,因此,鋁合金將成為汽車工業中的首選輕量化材料。
2 鋁合金塑性加工技術
鋁合金塑性成形法是利用鋁合金的良好塑性,在一定的溫度、速度條件下, 施加各種形式的外力,克服金屬對于變形的抵抗, 使其產生塑性變形, 從而得到各種形狀、規格尺寸和組織性能的鋁合金板、帶、條、箔、管、棒、型、線和鍛件等的加工方法。
2.1 鍛造
鋁合金可以在鍛錘、機械壓力機、液壓機、頂鍛機、擴孔機等各種鍛造設備上鍛造, 可以自由鍛、模鍛、頂鍛、輥鍛和擴孔。一般來說, 尺寸小、形狀簡單、尺寸偏差要求不嚴的鋁合金鍛件, 可以容易地錘鍛造出來; 但是對于規格大、要求劇烈變形的鋁合金鍛件, 則宜選用水(液)壓機來鍛造。目前在鋁及鋁合金鍛壓技術上, 研發了大量的鍛壓新工藝、新技術, 如液體模鍛、半固態模鍛、等溫鍛造、粉末鍛造、多向模鍛、無斜度精密模鍛、分部模鍛、包套模鍛等。這在簡化工藝、減少工序、節省能耗、擴大品質、增加規格、提高質量和生產效率、保護環境、降低勞動強度、提高經濟效益等方面發揮了重大作用。目前, 世界上可生產的鋁合金模鍛件的最大投影面積達5m2 (壓力750MN) , 最長的鋁合金鍛件長15m, 質量最大的鋁合金鍛件重1.5t, 最大的鋁合金鍛環直徑達7.5m, 基本上可滿足最大的飛機、飛船、火箭、導彈、衛星、艦艇、航母以及發電設備、起重設備等的需要[1]。
2.2 擠壓
鋁合金具有良好的擠壓特性, 特別適合于擠壓加工, 可以通過多種擠壓工藝和多種模具結構進行加工。在擠壓過程中被擠壓金屬在變形區能獲得比軋制、鍛造更強的、更均勻的三向壓應力狀態, 可充分發揮被加工金屬的塑性。因此, 用擠壓法可加工用軋制法或鍛造法難加工甚至無法加工的低塑性、難變形金屬或合金等材料。擠壓是可以用鑄錠直接生產鋁型材制品的最優越的方法, 它不但可以生產截面形狀較簡單的管材、棒材、型材、線材產品, 而且可生產截面變化、形狀極復雜的型材和管材。擠壓制品的精度高, 制品表面質量也較好。對于具有明顯擠壓效應的鋁合金擠壓制品( 如6A02、2A05、2A12、__2A11、7A04 等合金) , 要使其獲得高強度, 必須采用高溫擠壓, 適宜的溫度為370℃～450℃。目前擠壓技術發展非常迅速, 我國研究開發了conform 和castex連續擠壓、反擠壓和冷擠壓管材技術、靜液擠壓和等溫擠壓技術、無縫異形材穿孔擠壓技術、半固態擠壓和多層復合管擠壓技術等, 滿足了軍工和民用工程的需要。
2.3 軋制
軋制是錠坯依靠摩擦力被拉進旋轉的軋輥間,借助于軋輥施加的壓力, 使其橫斷面減小, 形狀改變, 厚度變薄而長度增加的一種塑性變形過程。在生產鋁合金管材和某些異形產品時常用雙輥或多輥斜軋。根據輥系不同, 鋁合金軋制可分為兩輥( 一對) 系軋制、多輥系軋制和特殊輥系( 如行星式軋制、V 形軋制等) 軋制。根據軋輥形狀不同, 鋁合金軋制可分為平輥軋制和孔型輥軋制等。根據產品品種不同, 鋁合金軋制又可分為板、帶、箔材軋制, 棒材、扁條和異形型材軋制, 管材和空心型材軋制等。
鋁合金板、帶、條、箔材的產量占鋁加工材總產量的60%左右, 由于其用途十分廣泛, 所以鋁材的軋制技術也發展很快, 主要表現在: 熱軋機向大型化、控制自動化和精密化方向發展。目前世界最大的熱軋機為美國的5588mm 熱軋機組, 熱軋板的最大寬度為5000mm, 最厚為270mm, 最長為30m。二人轉的老式軋制將被淘汰, 四輥式單機架單卷取將被雙卷取所代替, 適當發展熱粗軋+熱精軋( 即1+1) 的生產方式, 大力發展1+3, 1+4, l+5 等熱連軋生產方式, 大大提高生產效率和產品質量。連鑄連軋向高速高精薄壁方向發展, 最近美國研制成功的高速薄壁連鑄軋機組可生產寬2000mm, 厚度2mm 的連鑄軋板材, 速度可達l0m/min, 可代替冷軋機, 直接供給鋁箔毛料, 有的甚至可作為易拉罐的毛坯料。冷軋向寬幅( >2000mm) 、高速( 最大為45m/min) , 高精( 4～2 /μm) 、高度自動化控制方向發展, 冷連軋也開始抬頭, 可大幅度提高生產效率。鋁箔軋制向更寬、更薄、更精、更自動化的方向發展, 可用不等厚的雙合軋制生產0.004mm 的特薄鋁箔。同時開發了噴霧成形等其他生產鋁箔的方法[3]。
2.4 超塑性成形技術
鋁合金超塑性屬于細晶超塑性, 晶粒細化及細晶粒的熱穩定性對超塑性鋁合金十分重要。超細晶粒是鋁合金獲得高應變速率超塑性的重要組織條件。常規的鋁合金具有超塑性, 一般要求晶粒尺寸在10μm 左右。K.Higashi 教授的研究表明, 晶粒尺寸要在5μm 以下, 才可能使鋁合金具有高應變速率超塑性[4]。鋁合金的超塑成形( SPF) 和超塑成形/擴散連接( SPF /DB) 技術是一種利用鋁合金的超塑性,采用吹脹或模鍛法形成高精度大型薄壁零件的無余量加工方法。該工藝技術在成形航空航天飛行器復雜鈑金件( 如飛機壁板、艙門、導彈殼體、整流罩等) 的減重和降低成本等方面顯示了巨大的優越性, 被認為是推動現代航空航天結構設計概念發展和突破傳統鈑金成形方法的先進制造技術, 是迎接21 世紀航空航天大型復雜鋁合金結構挑戰的高消費比工藝。常用的SPF 工藝方法有: 簡單凹模成形法、凹模區域成形法、反壓凸起預拉伸成形法和復合凹模成形法等[5]。
除了以上的加工方法以外, 目前還研究開發了多種加工方法, 主要有: 壓力鑄造成形法、半固態成形法、連續成形法、復合成形法、變形熱處理法和深度加工等。
3 鋁合金在汽車工業中的應用
汽車減輕自重、實現輕量化是世界汽車工業不斷追求的戰略目標。理論計算表明, 適當減輕汽車的質量可以把油耗降低37%; 把懸掛裝置的負荷降低l8%; 把振動強度降低5%。為此, 要把傳統的結構材料(鋼、鐵)換成密度小、力學性能高的新型材料, 這種新型材料當首推鋁合金材料。
3.1 汽車用鋁合金歷史
鋁在汽車上最早運用的記載是在1896 年, 印度人用鋁做了汽車的曲軸箱。到了二十世紀初, 在歐美開始出現全鋁身的汽車, 如亨利·福特的ModelT 型汽車就是鋁制車身。20 世紀二、三十年代在歐洲的賽車場上法拉利360 等賽車也都是全鋁車身。從此之后, 鋁在汽車上得到了越來越廣泛的運用, 如車輪、懸架和其他部件都開始用鋁制造[7]。自20 世紀70 年代以來鋁合金快步走人汽車工業領域, 發展迅猛, 用量逐年增加。從汽車輕量化的前景看, 鋁合金的大量采用是必然趨勢。
3.2 汽車用鋁合金現狀
目前, 全世界耗鋁量的12%～15%以上用于汽車工業, 有些發達國家已超過25%。2002 年, 整個歐洲汽車工業一年消耗了150 萬t 以上的鋁合金, 其中大約25 萬t 用于車身制造, 80 萬t 用于制造汽車傳動系統, 另有42.8 萬t 用于制造汽車行駛機構和懸掛機構。可以看出, 汽車制造工業已成為最重要的鋁材料消費大戶[6]。1994 年美國生產的每輛轎車中, 平均用鋁量為86.7kg, 比10 年前增加47kg; 2000 年,每輛車的平均用鋁量為116kg; 到2005 年, 每輛汽車的平均用鋁量上升至大約172kg。
3.2.1 鋁合金在汽車上的品種構成
用于汽車上的鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多, 占80%以上,其中又分為重力鑄造件、低壓鑄件和其他特種鑄造零件; 變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材、鍛件等。世界各國工業用鋁合金材料的品種構成雖然有一定差異,但大體是相同的。其品種構成:鑄件占80%左右,鍛件占1%～3%,其余為加工材。美國汽車工業中變形鋁材占較大比例,達36.3%[8]。表1 為汽車用鑄造鋁合金的主要部件系統, 表2 為汽車用變形鋁合金的主要部件系統。
3.2.2 鋁合金在汽車上主要零部件的應用狀況
( 1) 車身
汽車工業的精髓是汽車車身的制作, 車身制作幾乎占用汽車制造公司投資總額的60%。據統計,汽車車身質量約占汽車總質量的30%左右, 降低車身的重量對整車輕量化非常關鍵。現在幾乎所有的世界各大汽車公司都爭相開發鋁合金車身零部件或全鋁車身, 而且近期取得了顯著成效。據KGP 公司資料顯示, 到2006 年全球整個汽車工業用于車身制造的鋁合金總需求量會達到205 萬[10]t。用于車身的鋁合金主要有2000 系、5000 系、6000 系和7000 系。
( 2) 發動機
發動機的氣缸體、氣缸蓋要求材料導熱性好, 耐蝕性高, 鋁合金正好能滿足這些性能要求, 故很多汽車公司發動機的氣缸體、氣缸蓋多采用全鋁型。如美國通用汽車公司采用全鋁鋼套, 法國汽車的鋁氣缸套已達100%, 鋁氣缸體達45%。在發動機中采用鋁鑄件的還有發動機活塞、活塞環、連桿等。由于活塞、連桿采用了鑄鋁件, 減輕了重量, 從而減少發動機的振動, 降低了噪聲, 使發動機的燃油耗率下降, 這符合汽車的發展趨勢[11]。
( 3) 車輪
車輪既可以用變形鋁合金, 也可用鑄造鋁合金。變形鋁合金中防銹鋁、硬鋁、鍛鋁都有所應用, 整體結構的多用鍛件(有的用液態模鍛), 兩片或三片型的輪輞由板材成形, 輪輻由板材成形或鍛造成形。據統計, 鋁合金車輪的使用率現已達到50%左右, 有的國家已經超過了60%。為了適應汽車輕量化的要求, 鋁輪轂正在向厚度更薄、形態更復雜、重量更輕及安全性更高的方向發展。同時鋁輪轂散熱性好, 可防止輪胎過熱, 延長車輪及輪胎的使用壽命。另外,從加工的角度看, 鋁制車輪尺寸精度高, 減輕了汽車行駛過程中的振動, 提高了汽車的舒適性。
3.3 國內汽車用鋁合金發展狀況
國內汽車工業用鋁也呈現快速增長態勢, 1993年國內汽車工業用鋁量僅為4 萬t, 2003 年則上升到28 萬t,年均增長達60%。“九五”期間進行了鋁合金材料和鑄件生產成套工藝技術的開發研究, 開發出了多種鑄造Al2Si 合金和高性能Al2Sn2Si 系軸瓦材料C在半固態成形、快速凝固等先進成形技術研究與應用方面也取得了突破性進展。目前國內鑄造鋁合金的品種及牌號相對齊全, 生產技術基本上能滿足汽車工業的需要。同時, 汽車用各類型材( 包括6000 系列和7000 系列高強度牌號) 、箔材國內基本上都能生產, 板材有2000～5000 系列,以及6000 系列中的少數牌號,7000 系列尚處于研發中。此外,國內在耐熱鋁合金、高強高韌鋁合金、鋁基復合材料等新材料的研究與應用方面也取得了較大進展。從鋁的應用水平看, 20 世紀90 年代生產的國產轎車,單車鋁合金用量一般在40kg～80kg, 鋁合金零件基本國產化C近年推出的新車型,鋁合金零件的質量基本都在100kg 以上( 如東風日產藍鳥、頤達,一汽奧迪等) [12]。
4 結束語
由于鋁合金具有一系列優點, 應用范圍越來越廣泛。鋁合金的塑性加工技術也被廣泛應用, 正朝著精密化、信息化方向發展, 今后應進一步發掘鋁合金材料塑性加工技術的潛力,擴大其應用領域。同時,由于汽車工業進一步輕量化的需要, 鋁合金在汽車工業中的應用將會有更大的發展。
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