中铝王京海:铝轻量化发展现状及挑战 轻量化用铝合金材料需求、技术开发等分析

来源:SMM

中国铝业集团有限公司王京海在《2019中国汽车新材料应用高峰论坛暨第七届铝加工产业链供需交易峰会》上对汽车轻量化对铝合金材料的需求、开发的进展、应用技术以及铝轻量化发展的阶段及面临的挑战都进行了一一描述。他表示由于节能减排及环保政策的愈加严格,汽车轻量化已成为汽车工业的重要发展趋势,并且在汽车轻量化过程中,材料轻量化是主要手段,铝目前是汽车轻量化的首选材料。

SMM 9月19日讯:中国铝业集团有限公司王京海在《2019中国汽车新材料应用高峰论坛暨第七届铝加工产业链供需交易峰会》上对汽车轻量化对铝合金材料的需求、开发的进展、应用技术以及铝轻量化发展的阶段及面临的挑战都进行了一一描述。他表示由于节能减排及环保政策的愈加严格,汽车轻量化已成为汽车工业的重要发展趋势,并且在汽车轻量化过程中,材料轻量化是主要手段,铝目前是汽车轻量化的首选材料。

但在铝轻量化发展的阶段面临成本高、无法大规模推广;材料与结构的结合、正向开发;解决大规模应用、工艺技术成熟的问题。总之,材料行业要在材料研发及应用技术研发的基础上,充分发挥各自的材料特性,与主机厂的车身正向开发能力相结合,实现“合适的材料用在合适的位置”,让客户真切的感受到轻量化车身在操控性、安全性、舒适性以及性价比等方面的价值,愿意为“轻量化”买单,主机厂才能实现轻量化材料的规模应用,轻量化也才能最终走向成熟。

汽车轻量化对铝合金材料的需求


由于节能减排及环保政策的愈加严格,汽车轻量化已成为汽车工业的重要发展趋势。

传统能源车轻量化

汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3-0.6升;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。

新能源车轻量化

汽车整车重量降低10%,电量节省4-5%,制动距离减小,汽车整备质量每减少100公斤,续航里程提高25km,节约电池电量5度。

汽车轻量化常用材料

汽车轻量化过程中,材料轻量化是主要手段,铝目前是汽车轻量化的首选材料。事实上铝合金材料已成为许多主机厂的选择。

汽车车身用铝材

板材:非承力件 承力件 内外覆盖件

型材:车身结构件

铸件:减震塔、连接件等

锻件:底盘件(控制臂)

典型非承力件所用合金及性能指标常规生产工艺:汽车前后轮防、尘罩、发动机防尘罩、车窗边框、客车后盖板、压力泵外壳、发动机外壳、汽车散热器用、钎焊材等。

车身承力结构件:对力学性能、防腐及零件制造精度有较高的要求。

外覆盖件:材料的表面质量、烤漆硬化强度、存放性能稳定性、翻边性能、成形性等。

内覆盖件:材料的高成形性、强度等。

汽车铝材的应用现状:发动机缸体、缸盖、齿轮箱、轮毂等铸件产品已在汽车制造中被广泛应用; 车身结构及覆盖件用铝材,2018年约为8万吨,主要应用于国内合资品牌; 我国国产品牌车的铝材使用刚刚起步,主要是型材及部分板材冲压非承力结构件; 我国车身承力结构件、特别是内外覆盖件用铝,目前主要依赖于进口。

汽车轻量化用铝合金材料开发的进展情况


内外覆盖件是汽车用铝材的主要开发方向

中铝集团自2006年中铝基金“KJA09汽车车身新型铝合金开发专项”开始,也系统的开展了汽车内外覆盖件铝板材料的开发,目前已具备15万吨的生产能力。

在我国已经具有了相当规模的汽车铝板生产能力(不含中铝集团下属企业)

汽车用铝合金应用技术开发进展


尽管中国企业生产的汽车用板材在力学性能指标上看似达到了国外同等水平,且部分的还通过了合资主机厂的材料认证,但却未能实现批量化的应用。这其中尽管存在着一些非技术性因素,但实际的性能水平及质量稳定性应该是制约其批量应用的最重要的因素。 

成形技术研究: 铝合金板材材料模型研究、润滑状态对板材冲压成形性的影响 、铝合金冲压回弹工艺优化及模面补偿研究。

掌握了冲压用材料数据库的建立方法,并通过实验 室与实际生产验证了可靠性; 通过建立的强大材料数据库,可以指导冲压零部件 的开发工作,冲压数值模拟结果与实际基本相符。

应用实践反向促进材料的表征及开发方向

在实际应用中,材料成形性除满足基本的材料力学性能要求外,还与其他因素有关:1.表面状态,体现为摩擦系数,影响因素主要包括:润滑油、EDT/MF ;2.材料组织特征:平面应变能力。提高研究表明形貌对成形性的影响,给板材生产工艺提供指导。

连接技术研究

熔融焊接强度系数提高及铝制零部件的变形预测;铆接接头的数据库建设及性能评价,为车身结构设计提供支持;与其它科研单位合作开展各种连接工艺的应用技术研究;表面处理工艺对不同合金胶接性能的影响规律及机理。

结合应用需求与铆接设备供应商合作,对不同铆接方式在不同应用条件、不同材料及其规格情况下的应用,以形成技术手册、规范为汽车结构设计提供支持为目标开展试验研究工作。

 建立5182-2.0/DC01-2.0接头SPR铆接仿 真模型; 接头关键参数预测准确度85%;获得成形过程铆钉受力状态及材料流动规律。

SPR数据库系统

基于铆接成形模型进行接头拉剪失效预测;模拟值与实际值误差在10%以内;通过试验积累与模型预测建立涵盖多种材。

焊接顺序对焊后应力及变形结果影响

结论:优化焊接顺序, 焊后变形程度越小。(改变焊接顺序,焊后最大应力均为130MPa左右,略有降低 。焊后最大变行量从 0.88mm变为0.67mm。)

约束条件对焊后应力及变形结果影响

结论:施加约束条件,极大改善焊后变形程度。(焊后最大应力从 124MPa变为130MPa,焊后最大变行量从 19.6mm变为0.88mm)

粘接技术

根据粘接性能的要求,针对不同铝合金特点开发了专用的适合胶接的阳极氧化工艺。

铝合金表面处理技术

为满足严格的环保要求,开发以硅烷化取代磷化的表面处理技术。

铝轻量化发展的阶段及面临的挑战


在政府的积极推动和大力支持,国内各相关科研院所、材料供应商、零部件企业、 主机厂等的积极努力,经过了十几年的时间,在不低于同等钢车身性能的前提下,我们已成功的把轻量化材 料用到了整车上。

第一个阶段:解决能不能、有没有的问题。

我国的绝大部分主机厂都已成功的制造出了全铝车身、复合材料车身,高强钢车身以及混合材料车身,部分车型已进入量产阶段。这同时也意味着,我国已初步掌握了轻量化车身及底盘件的基本设计开发能力。

主要特点:以钢车身为 开发基础及目标逆向开发,本质上是一辆使用了轻量化材料的钢车身。

主要问题:成本高,无法大规模推广。(材料性能满足要求; 完成材料成型技术;完成材料连接技术; 完成材料表面处理 技术;完成与材料关联的 结构设计及优化技术。)

第二个阶段:解决被主机厂、客户接受的问题,实现大规模应用。

在第一阶段成果的基础上进一步优化、减低成本;充分发挥材料自身 的特性、与车身结构性能要求充分融 合;做出真正的非钢车身。

主要任务:在使用了 轻量化材料、导致成本增加的条件下,如何能够让客户感受到其体验价值所在?让客户愿意买单!

主要难点:材料与结构的结合、正向开发。

轻量化材料中铝合金材料具有明显优势

铝合金材料特点:密度低(铝:2.56g/cm3;钢:7.85g/cm3 );耐蚀性好,致密而稳定的A12O3氧化膜;熔点低(660°C左右),流动性好;铝单位质量的能量吸收能 力是低碳钢的2倍;材料弹性模量低。

在汽车上应用优势:节能降耗,有利环保;回收利用率高(目前工业 用铝35%左右为再生铝);车身轻量化,重心减低,行驶稳定、舒适、安全;提高燃油效率,加大载 重能力 ,降低运输成本;提升操控性能。

尽管我国在汽车轻量化能力建设上已取得了很大的进步,但目前各车企主要还停留在样车阶段。由于轻量化材料的应用带来成本的大幅提高,为大规模推广应用带来了巨大的困难。

虽然各项技术均获得“突破”,但已经初步形成的轻量化技术能力均未经过大规模应用、 缺乏批量应用的考验,轻量化技术能力提升进入了一个瓶颈期。 要想突破这个瓶颈,就必须解决主机厂、客户接受的问题,实现轻量化材料的大规模应 用,使轻量化技术最终走向成熟。

汽车轻量化进入第二阶段——性价比

作为铝加工企业必须在材料技术、应用技术方面做出降本努力;充分挖掘材料的特性,与主机厂结合实现与结构性能要求的匹配;逐步形成客户接受的性能、价格、效果等的综合评价方法,实现轻量化车身的规模化应用。

铝轻量化研发的方向


第三个阶段:解决大规模应用、工艺技术成熟的问题

基于铝合金材料的“降本”的途径:用料减少—减薄的改善材料性能;材料制备流程缩“短”、“贫民化”降本;应用技术的降本;整车涉及及材料选择的系统降本;基于营销、资本模式的回收再利用降本。

车身降本:铝作为一种重要的汽车轻量化材料,既要解决铝应用中存在的成形、连接、表面处理、结构设计与优化等技术问题,还要解决铝在汽车应用中存在的成本增加幅度问题。对铝加工企业而言,铝合金材料的性能就要随着轻量化应用技术的进步,不断满足应用的要求。

降低材料成本:铝合金的原材料的价格是钢材的四到六倍,结合应用技术提高轻量化程度即是降本;结合应用技术减少铝材零部件数量、降低连接成本、提高效率也是降本。

铝合金零部件成本构成

成形技术降本——传统冷成形工艺

铝合金板材最常用的成形方式是冷冲压,而材料成本占整个铝合金冷 冲压件成本的70%左右。

通过对冷成形工艺的研究:根据产品提出对原材料具体的性能要求,提出铝合金材料的优化方向、提供降低成本的机会。如,可根据产品对成形性能、翻边性能、表面质量等具体的要求来定制恰到好处的材料性能要求,由此来降低材料制备过程的成本,如缩短均匀化时间、改变退火方式等,做到料尽其用;通过成形工艺分析,可最大限度的降低对模具材料、工序数量要求,降低模具投入;通过成形工艺分析,在满足现有零件的成形要求的前提下,最大限度的提高材料利用率,降低材料用量。

成形技术降本——热成形工

热冲压成形相对于冷冲压成形具有非常高的成形性能,复杂零件可实现一序成形,多个零件可合并成形,大幅降低模具数量和工序,降低模具成本和冲次费用;目前的热冲压成形技术,由于成本因素仅应用于少数高端车型;结合热冲压工艺本身的特点,以降低成本和满足工艺要求为目标,开发热冲压专用铝合金材料,将会极大程度地降低原材料成本、模具成本和降低对产线要求。

连接技术降本——铆接工艺:结合车身结构CAE分析的需求,开展SPR铆接等 铆接接头的失效 分析研究,优化 铆接工艺设计, 为结构优化设计 提供支持。

 

焊接工艺

提高焊接强度,可实现材料低强度要求或提高轻量化程度 → 减重、降本

焊接变形控制,减少后续的尺寸检查和调修工序 → 降本、提高效率

难焊合金可焊化→促进材料广泛应用,增加高强合金在车身的应用比例→减重

粘接工艺

短流程粘接工艺→降本 目前为提高粘接性能需要对铝材表面进行专门处理。研究开发免表面处理、或利用铝材生产过程的表面处理实现短流程粘接工艺。优化涂胶工艺→降本通过涂胶工艺的优化设计,减少涂胶量。

结构设计及优化降本--型材断面优化设计

优点: 一、散热好:铝合金的传热系数比钢材大三倍。但实际上120公里/时,轮胎升温并没这么明显。

二、重量轻:平均每只比同尺寸钢制轮毂轻两公斤左右,更轻 的轮毂还可减少起步和加速时的阻力,两者共同作用使车辆更 加省油。但能省多少呢?

三、精度高:铝合金轮毂铸造的精密程度远高于钢制轮毂,失 圆度及不平衡重较小; 弹性模数小:抗振性能优于钢制轮毂。 这两项能有效减小车辆振动,驾乘更为舒适。

四、更美观:铝合金在高温液体状态下流动性及张力比钢制轮毂好,后期抛光和电镀工艺使其能够制造出更美观多变的外型;表面抗腐蚀处理以及静电粉体涂装也让其历久如新。

在充分研究理解车身受力状况、服役状况的基础上,建立正向开发能力; 在车身结构设计过程中,通过拓扑优化、CAE分析等技术手段计算和解读载荷的传力 路径及结构性能要求,充分发挥不同铝合金 材料、合理地布置铝合金零件在最佳的承力 位置;与钢材相比 ,铝型材是铝加工材的一大特点,并且具有扭转刚度高、吸震性好的特性。 充分发挥铝型材的特点,合理的利用型材是有效减重、减少零部件数量、提高车身性能的有效手段。与其他轻量化材料配合使用。

总之,材料行业要在材料研发及应用技术研发的基础上,充分发挥各自的材料特性,与主机厂的车身正向开发能力相结合,实现“合适的材料用在合适的位置”,让客户真切的感受到轻量化车身在操控性、安全性、舒适性以及性价比等方面的价值,愿意为“轻量化”买单,主机厂才能实现轻量化材料的规模应用,轻量化也才能最终走向成熟。

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