1 引言
進入21 世紀, 能源和環(huán)境問題仍然嚴峻, 繼續(xù)推進汽車輕量化以降低油耗, 依然是汽車工業(yè)的發(fā)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(yōu)點, 在成本、制造技術、力學性能、可持續(xù)發(fā)展等方面具有其他輕量化材料無可比擬的優(yōu)越性,因此,鋁合金將成為汽車工業(yè)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(guī)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(guī)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(fā)了大量的鍛壓新工藝、新技術, 如液體模鍛、半固態(tài)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(jié)省能耗、擴大品質、增加規(guī)格、提高質量和生產效率、保護環(huán)境、降低勞動強度、提高經濟效益等方面發(fā)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(huán)直徑達7.5m, 基本上可滿足最大的飛機、飛船、火箭、導彈、衛(wèi)星、艦艇、航母以及發(fā)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(qū)能獲得比軋制、鍛造更強的、更均勻的三向壓應力狀態(tài), 可充分發(fā)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(yōu)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(fā)展非常迅速, 我國研究開發(fā)了conform 和castex連續(xù)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(tài)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(fā)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(fā)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(fā)展熱粗軋+熱精軋( 即1+1) 的生產方式, 大力發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)展, 可用不等厚的雙合軋制生產0.004mm 的特薄鋁箔。同時開發(fā)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(wěn)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(guī)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(yōu)越性, 被認為是推動現代航空航天結構設計概念發(fā)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(zhàn)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(qū)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(fā)了多種加工方法, 主要有: 壓力鑄造成形法、半固態(tài)成形法、連續(xù)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(yè)中的應用
汽車減輕自重、實現輕量化是世界汽車工業(yè)不斷追求的戰(zhàn)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(yè)領域, 發(fā)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(yè), 有些發(fā)達國家已超過25%。2002 年, 整個歐洲汽車工業(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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?，F在幾乎所有的世界各大汽車公司都爭相開發(fā)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(yè)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(fā)動機
發(fā)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(fā)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(fā)動機中采用鋁鑄件的還有發(fā)動機活塞、活塞環(huán)、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(fā)動機的振動, 降低了噪聲, 使發(fā)動機的燃油耗率下降, 這符合汽車的發(fā)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(tài)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(tài)更復雜、重量更輕及安全性更高的方向發(fā)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(fā)展狀況
國內汽車工業(yè)用鋁也呈現快速增長態(tài)勢, 1993年國內汽車工業(yè)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(fā)研究, 開發(fā)出了多種鑄造Al2Si 合金和高性能Al2Sn2Si 系軸瓦材料C在半固態(tài)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(yè)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(fā)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(yōu)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(fā)展, 今后應進一步發(fā)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(yè)進一步輕量化的需要, 鋁合金在汽車工業(yè)中的應用將會有更大的發(fā)展。
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關新聞稿件發(fā)表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
