工信部8种重点发展新铝材(三):高性能汽车用铝合金薄板

SMM网讯:所有的铝材半成品(板、带、箔、管、棒、型、线、粉、锻件)都在汽车制造中获得广泛应用,除了这些压力加工材料外,铝合金压铸件及铸件更是汽车制造必不可少的金属材料。2018年,全世界生产汽车约5200万辆,耗用材料11400万吨,其中金属材料约占82%,在用的材料中为9340万吨,其中铝及铝合金仅占6.5%,其余的为钢和铸铁,其他有色金属的用量甚少。

6XXX系铝合金板材在汽车制造中的应用

几乎所有的铝材在汽车制造中都获得了广泛的应用,但用得最多的是铸造铝合金,用于生产压铸件与铸件,没有一辆汽车不用铝及铝合金铸造件的。铸造铝合金的用量占汽车铝材总用量的65%,半成品铝材的总用量还不到35%,其中70%以上用的板材,而用的板材中国用得最多的是厚度≤2mm的薄板,占92%以上。

在工信部提出的重点发展的汽车高性能车用铝合金薄板是:6016-S、6016-IH、6016-IBR、6A16-S、6A16-IBR、5182-RSS、5754、6022等,典型6XXX系铝合金板材伸长率A50≥25%,r值≥0.60,60d停放后屈服强度Rp0.2≤140N/mm2,烤漆硬化屈服强度增量≥80N/mm2。

在汽车上应用的铝合金板材大体上可分为两类:乘人小车、皮卡车、面包车等覆盖件用的高性能薄板,即ABS,其他所有汽车如公共汽车、罐车用的种种板材,用的大都为工业通用板材。

6XXX系铝合金板材在汽车中的应用

2018年,中国生产汽车2780.92万辆,销售2808.06万辆;其中乘用车产销2352.94万辆和2370.98万辆;商用车产销427.98万辆和437.08万辆。

2018年,欧美诸国约有860万辆乘用车制造中用了铝合金板材,北美有近38%乘用车用的是铝合金发动机盖;日本有近150多万辆乘用车用了铝合金板材。欧洲和北美多用6XXX系合金板材,欧洲则多用6016合金,而美国则偏爱用6111合金。消费国家主要为美国、德国、日本、韩国、加拿大、瑞士、英国、意大利等,在2018年消耗的约105万吨ABS中,美国约占19.5%,德国占13%左右,日本和瑞士各占7%。

德国宝马汽车公司的宝马7系列乘人车在减重方面也取得了令人惊羡的成就,它的骨架由碳纤维增强复合材料(CFRP)、铝合金挤压材、高强度钢(high tensile steel)组成,由于这三种材料的巧妙搭配,既大幅提高了车的综合性能,又显著减轻了车的净质量与提高了燃油效率。

6XXX系汽车铝合金钣金件

6XXX系合金是目前汽车工业用得最多的汽车钣金件铝合金,它们有优异的成形性能,兼具高的强度性能、抗腐蚀性能、折边性、高表面性能等,同时涂漆烘烤后,强度性能又有一定的提高。

汽车内外板用铝合金板取代钢板,可使车身减轻40%~50%,进而使整车净质量下降约10%。福特Model T型车、福特Prodigy车、FORD T-150皮卡车、捷豹XJ、法拉利360、克莱斯勒Prowler、大众31Lupo、奥迪A2、A8、本田混合动力轿车(the Honda Insight)、Honda NSX、特斯特-Model、S等均采用铝制车身。用ABS制造发机盖与行李箱盖的更是不胜枚举。

典型板材合金的性能

6016合金广泛应用于ABS,但热处理工艺复杂,在固溶处理与烤漆处理之间必须进行预时效处理T4P,方可获得良好的性能。因为冲压前应有良好的成形性能,而在冲压后的烤漆过程中又能迅速提高强度,从而有高的抗凹性。6016合金板材经固溶-T4P-烤漆处理后能够兼顾这两方面的要求,但工艺参数对最终性能影响甚大,固溶处理不充分降低T4P和烤漆过程中人工时效的析出动力,保温时间长又可能导致晶粒粗化,预时效湿度低则降低板材放置过程中的性能稳定性和烤漆过程中的硬化效果,温度过高又会影响冲压过程的成形性能。由此可见应优化固溶和T4P工艺参数,才能获得理想的综合性能。

6016合金属Al-Mg-Si系合金,在时效过程中的析出过程为:α(Al)固溶体→β''→β'→β,板材的强度主要受固溶强化、预时效、自然时效强化的影响:固溶处理时可溶相固溶到α(Al)基体中,产生固溶强化,而随后的T4P过程中,过饱和的溶质原子会形成时效析出相,而它们的尺寸、数量、形态与预时效温度休戚相关。一方面,时效使基体过饱和度降低,减弱固溶强化效果。另一方面,预时效析出相会产生强化作用,提高板材强度;自然时效的强化作用随时间延长单调地上升,到达一定时间后趋于稳定。

张泽东等专家的研究结果显示:6016合金板在560℃/1min固溶处理可获得良好的效果,继续延长保温时间对性能不利;综合考虑6016汽车板性能要求工业化生产中的涂油工序,确定6016合金ABS固溶-预时效工艺为:560℃/1min+80℃/6h(《轻合金加工技术》2019,No.2,pp.28-32.)

5XXX系铝合金板材在汽车制造中的应用

在工信部提出的宜大力发展的高性能汽车用铝合金薄板中有两种5XXX系合金:5754、5182-RSS。除了这两个合金外,得到应用的还有5022、5023、5454、5154、5083等合金。

Mg在铝中的溶解度仅次于锌而居第二位,在450℃时的极限溶解度为17.4%,室温只有1%。在理论上Al-Mg合金应该有强烈的时效硬化效应,但因β相的沿晶沉淀倾向和弥散度的限制,无法利用这种效应,多以退火O状态或冷作硬化状态H使用。

Al-Mg合金过饱和固溶体α'的沉淀过程:

α'→GP区→β'→β(Al8Mg5)

Mg原子直径(0.320nm)远比Al(0.286nm)的大,淬火后GP区虽在几秒钟内即能形成,但尺寸小(1.0nm~1.5nm),周围有密集的空位云,与母相几乎不发生共格应变,故Mg含量≤(5%~7%)的合金无明显的时效硬化效应。Mg≤8%的合金,室温时效几年后,GP区可以长大到10nm,虽有较大的强化效应,但出现强烈的沿晶断裂特点,塑性急剧降低到只有约1.5%,无实用价值。

向Al-Mg合金加Mn或Cr,主要是为了改善抗蚀性和可焊性,但固溶那部分还有一定的强化作用。Ti和V是晶粒细化剂,也有提高强度和可焊性的作用。Be能防止熔铸和焊接时的氧化倾向,特别是高镁合金尤为需要。微量Sb或Bi主要为了防止高Mg合金的“钠脆”现象。Cu、Zn、Fe、Si是杂质,应严加限制,但Si能改善可焊性,故5A03合金含0.50%Si~0.80%Si。

由于Al-Mg合金只有轻微的时效硬化效果和强烈的沿晶沉淀倾向,只能在退火(300℃~380℃)或冷作硬化状态下工作,但它们的优秀抗腐蚀性能只有β相沿晶内晶界均匀分布的情况下才能显示出来,并且分布形态还受Mg含量的强烈影响。一系列的研究结果表明,Mg含量≤3%的合金稳定性极高,无论是退火或冷作硬化状态,在室温或敏化处理温度(67℃~177℃)长时间加热,均不形成沿晶β相网膜,对应力腐蚀开裂(SCC)和剥落腐蚀也不敏感,但Mg含量>3.5%后,特别是经过冷作硬化,随Mg含量的升高(≥5%Mg),对SCC的敏感性也强烈升高,甚至在室温长时间存放(20a~30a),也能沿晶界形成连续的β相网膜。因为高Mg含量(>6%~7%)合金即使在315℃~330℃充分退火,α固溶体也不能完全分解,仍处于过饱和状态,故组织很不稳定。

解决高镁合金组织性能稳定性的途径有二:一是退火后进行大的冷变形(ε=30%~50%),增加位错密度或β相形核点,并在200℃以上沉淀处理,促进固溶体彻底分解和β相均匀分解;另一办法是降低镁含量≤3%,并添加适量可以提高强度和再结晶温度的Mn和Cr,也能避免β相沿晶沉淀,得到与高镁含量相当的强度,美国的5454合金(2.7%Mg、0.7%Mn、0.12%Cr)即可得到与Al-4Mg合金相同的强度,而无SCC和EFC敏感性,但此法无法使Al-Mg合金的强度有很大提高。

5454合金的性能

5454合金的化学成分(质量%):0.25Si、0.40Fe、0.10Cu、(0.50~1.0)Mn、(2.4~3.0)Mg、(0.05~0.20)Cr、0.25Zn00.20Ti,其他杂质单个0.05、合计0.15,其余Al。

板材的抗剪强度约为抗拉强度Rm的55%,它的抗压Rp0.2几乎与抗拉屈服强度相等,合金的弹性模量69.6GN/mm2,压缩弹性模量71.0GN/mm2,20℃时的密度2.680g/cm3。液相线温度646℃,因相线温度602℃。

合金的线胀系数如下:

-50℃~20℃21.9μm/(m.k)

20℃~100℃23.7μm/(m.k)

20℃~200℃24.6μm/(m.k)

20℃~300℃25.6μm/(m.k)

20℃时的体胀系数68×10-6m3/(m3.k);20℃的比热容900J/(kg.K);20℃的热导率134W/(m.k);20℃时各种材料的平均等体积电导率为34%IACS;20℃,各种状态材料的平均电阻率为51nΩ.m,电阻温度系数为0.1nΩ.m;在25℃的含53gNaCl及3gH2O2T每L的水溶液中,对0.1N甘gong电极的电位为-0.86V;退火温度343℃,不需要保温;热加工温度260℃~510℃。

5083合金的性能

5083合金是典型的5XXX系合金,也是一个典型的汽车板材合金,有优良的可焊性能、抗蚀性、加工成形性能和低温性能,在Al-Mg系合金中,它具有中等的强度性能,焊接接头强度可与退火状态基体材料的相等,且有可靠的抗腐蚀性能,合金的各项力学性能均随着温度的下降而均衡地上升,断裂韧性也如此,是一种良好的汽车覆盖件合金,特别适合于商务车、各种特殊车、半挂车等内外焊接钣金结构性。

5083合金特点:不可热处理强化;为防止“时效软化”和稳定抗腐蚀性能,半成品需进行稳定化处理;为防止重复退火时屈服强度的降低,最终冷变形量宜>50%。

该合金的成分(质量%):Mg4.0~4.9、Mn0.4~1.0、Cr0.05~0.25、Si0.40、F0.40、Zn0.25、Ti0.15,其他杂质单个0.05、合计0.15,Al其余。合金的主要相组成:α(Al)、β(Al8Mg5)、AlMn、Al7Cr,可能的杂质相有Mg2Si、Al3Fe、Al3Ti、Al6(Fe、Mn)。

镁是主要的强化元素,产生固溶强化和提高合金加工硬化率。Mg在铝中的固溶度随着温度变化而发生很大改变,但沉淀过渡相β'(Al8Mg5)不与基体共格,故无明显的沉淀硬化作用。Al8Mg5相倾向于缓慢地沉淀在滑移带和晶界上,降低固溶强化作用,且在腐蚀条件下引起晶间腐蚀和应力腐蚀开裂,因此冷加工后应进行稳定化退火,以促使β相均匀地在晶内和晶界沉淀,稳定合金的力学性能和抗蚀性。

锰和铬提高合金的再结晶温度,并有补充强化作用,钛能细化铸造组织和焊缝组织,铁、硅、锌为杂质。

5083合金的密度2.66g/cm3;熔化温度范围574℃~638℃;比热容900J/(kg.k);20℃时热导率120W/(m.k);20℃时体胀系数70×10-6m3/(m3.k);平均线胀系数如下:

-50℃~20℃22.3μm/(m.k)

20℃~100℃24.2μm/(m.k)

20℃~200℃25.0μm/(m.k)

20℃~300℃26.0μm/(m.k)

5083合金的正弹性模量71.0GN/mm2,切变弹性模量26.4GN/mm2。

5083合金20℃的电学性能:电导率(等电积)32%IACS;20℃时的电阻率54nΩ.m;20℃时的电阻温度系数0.1nΩ.m/K;在25℃的含53g NaCl与3g H2O3的每升水溶液中,对0.1N甘gong电极的电位为-0.86V。

5083合金板材的退火温度343℃,不需要保温,热轧温度260℃~510℃。

汽车用5XXX系合金的耐应力腐蚀开裂性

对汽车用的5XXX系合金板材不但要求有高的强度性能、良好的可焊性,而且在腐蚀性环境中有相当强的抗应力腐蚀开裂能力。厚1mm5XXX系汽车板材按美国铝业协会公司(AA)的标准其抗应力腐蚀开裂性能见表1。◎表示在比较严峻的条件下不会破坏;△表示在某种条件下可能破裂;○表示在严峻条件下可能产生裂缝;X表示在宽松条件下也会开裂。

宜逐步淘汰柴油车或增大铝化率

美国2月26日公布的一项研究指出,据美国非政府组织国际清洁交通委员会(ICCT)与两所大学的研究显示,在每年因PM2.5和地面臭氧而过早死亡的340万人中,11%与全球交通业有关,交通污染造成的医疗负担(通常与心肺疾病、中风和糖尿病相关)在2015年达到1万亿美元。

在美国2.2万人死于交通污染,其中43%与柴油有关;印度因汽车尾气而过早死亡的人数为7.4万人,德国为1.3万人,意大利为7800人,法国为6400人。然而,德国的情况更差,因为该国每10万居民中就有17人因交通污染过早死亡,这一比例是全球平均水平的3倍。

由此可见,汽车尾气排放对人类健康的影响决不可勿视,凸显了积极遵守和执行世界级排放标准的必要性,也凸显了加大用铝量降低其自身质量,扩大新能源车的迫切性。

中国的ABS生产线

至2018年,中国已建成与在建的ABS(Auto-Body-Sheet)有7条,其中投产的6条,生产能力523kt/a,在建的1条,生产能力100kt/a(见表2)。ABS生产关键与装备在由气垫炉处理与其后续的纯拉伸矫直、预时效、表面处理等20多道工序组成一条连续的生产线上进行,单层排列全长可超过600m,双层排列也在300m以上。

中国首条ABS生产线——诺贝丽斯(中国)铝制品有限公司位于江苏省常州市国家高新技术开发区,占地面积4320km2,投资1亿美元,2014年10月21日投产。2018年5月22日该公司又宣布投资1.8亿美元,新建一条气垫连续生产线,增加ABS生产能力100kt/a,2020年投产。

诺贝丽斯(中国)铝制品有限公司及神钢汽车铝材(天津)有限公司都不生产上游制品,前者所需的冷轧带卷从韩国运来,后者所用的冷轧带卷从日本真冈轧制厂运来。

中国爱励国际(镇江)铝业有限公司、河南同人铝业有限公司、河南中孚实业股份有限公司等都制订了建设ABS生产线的规划,一旦有了市场允许即可开工建设。另外,南山集团轻合金公司的规划更为壮观,现在建成的是一期,将择机建二、三期项目,全部建成后生产能力可达600kt/a,从而成为世界最大的ABS项目。

在当今生产的四类(预拉伸厚板、ABS、罐身及罐盖料、PS与CTP版基)平轧铝产品中,前两类的生产难度较大,技术水平要求较高,附加值也高。

结束语

汽车铝合金板材是一个庞大家族,除乘人车覆盖件主要是用5XXX系与6XXX系合金外,其他的铝材也得到应用。

本文简要地介绍了工信部大力推行的汽车钣金件铝合金,中国用铝合金制造乘人车钣金件才刚刚起步,与国外的差距甚大,这个差距表现在两个方面:一是汽车的铝化率低,据笔者的调查与测算,2018年中国汽车的铝化率可能还不到125kg/辆,与工业发达国家的165kg/辆相差太大;二是在研发新型汽车铝合金与废铝利用方面的差距则更大一些,例如诺贝丽斯铝业公司每隔三、四年就推出一种新合金,它推出的Advanz7000系列产品强度与目前采用的铝合金相比高一倍;它在利用废铝生产ABS汽车板材方面特别突出,它们计划2020年汽车板材中的废铝含量达80%,这可是一类高端产品。

中国铝加工业与汽车制造业宜借工信部这次推进新材料研发与应用东风,大力推广铝在汽车中的应用,使汽车用铝量上一个台阶。


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