过去20年里,汽车工业用铝数量大幅度增长。随着汽车燃料的经济性不断受重视,以及减少汽车二氧化碳排放量相关法律法规的不断强化,铝在汽车上的应用极具发展潜力。

铝在用于汽车外壳和结构时,车体车身减重几乎接近50%,发动机在不影响性能的前提下制造得小一些,把钢结构改为铝车体,一般来讲可以减少二氧化碳排放量约30%,这意味着每辆汽车在整个使用寿命期间能减少5吨的二氧化碳排放量。
  未来汽车用铝数量必将受到汽车轻量化和燃料效益改善的驱动,从而保持持续增长,实现节省能源、减少二氧化碳排放的战略目标。
  轻量化与节能减排同步
  在汽车部件上,发动机和变速器系统用铝最多,主要是发动机主体、汽缸头和变速箱外壳;第二大用铝部件是主驱动系统和车轮;而车体结构和外壳在汽车上用铝最少。但在北美洲,有超过20%的汽车采用了铝合金车篷。最近宝马公司采用了铝镁复合材料制造发动机主体,这种方案的复合材料针对的是一个特定的部件或系统,把合适的材料用在合适的地方,这似乎也是未来汽车用铝发展的一个方向。
  汽车减轻重量,实现轻量化,可以提高燃料效率。汽车重量减轻10%,可以提高燃料效率8%;汽车重量每减轻10千克,则行驶1千米二氧化碳排放数量就减少了1克;把二氧化碳排放降低到每千米100克以下,汽车重量必须低于1吨。在保持汽车较好的结构和安全参数状况下,车体结构采用铝来替代钢,是最有效的方法之一。
  目前,北美洲每辆汽车平均用铝148千克,有超过40种车型的汽车每辆用铝至少达到181千克,雪佛兰Camaro重量中有10%为铝。过去10年里,欧洲商务汽车用铝数量增长超过1倍。2000年西欧汽车平均用铝为102千克,其中发动机部件为59千克,结构件11千克,底盘部件6千克,车体车身为5千克,其他部件为21千克。而现代小型和中型汽车每辆车用铝数量在50~200千克之间。正在开发的新一代车型采用了铝合金新型部件,可以预测,在未来10年里,欧洲商务汽车用铝数量还将翻番。


  “双管齐下”挑战技术制高点
  先进的加工技术对于铝在汽车上的应用具有重大意义,精密砂型铸造、低压压铸、高压压铸和超真空压铸对于未来铝在汽车上的应用举足轻重。许多发动机主体和发动机头部都采用低压压铸技术加工制造,例如凯迪拉克CTS车型的发动机座采用真空无冒口铸造,但这一技术只能用于加工壁厚小于4mm的铝铸件。
  板材成形技术目前也用于汽车用铝部件的生产,但仅用于铝车篷和型板的冲压成形,与冲压大多数车体和外壳的低碳钢材料相比,具有较低的成形性。热成形技术是在200℃~350℃温度下冲压板材,在此温度范围内,5xxx系列铝合金成形性明显提高。预成形退火正在积极开发铝汽车部件的大批量生产,可以使冲压型板达到要求的深度并且没有龟裂或断裂。
  此外,为改进铝电阻点焊工艺技术,目前正在开发使表面氧化层最少或消除表面氧化层的方法,已经开发出除去表面氧化层的化学手段和机械手段,甚至可以局部采用电弧清理来改善铝可焊接性。
  管材液压成形是采用加压液体把简单几何形状的管材加工成相当复杂的型材。液压成形汽车部件取代安装和焊接的冲压部件,通常可以减轻部件重量15%~20%;由于零部件数量减少,省去了边缝焊接从而节省成本。例如别克的Lesabre车型采用了铝合金液压成形发动机座,使发动机座总零部件数量从40个下降到18个。世界上最大的铝合金液压成形件是4.8米长的铝合金框架轨道,用于雪佛兰2006Corvette车型,这一轨道比同样的钢轨道减轻重量20%。其他铝合金液压成形部件包括车篷顶、支座、子系统和车体结构。
  最近日本本田汽车公司采用热气体成形技术加工铝合金汽车前后支座,加工在510℃温度下进行,该产品用于本田2005AcuraRL车型。产品最大圆周膨胀率为90%,仅仅采用了标准液压压力约1%的压力。采用热油和液体的热液压成形技术已经展示出其巨大优势,但尚存在一些技术难题需要克服。
  总而言之,新的铝汽车部件加工技术、连接技术和二次加工技术,可使工程废料产生最少,对多工序冲压件需求最少,强化成形性和加工安装速度不断改进。在铝汽车部件铸造方面要求合金和工艺技术能够产生高韧性、重量轻的部件,将推动降低铸件壁厚的加工工艺的发展,并提高铸件的复杂程度,提高加工效率。
  高成本制约汽车用铝
  对于任何汽车材料来讲,成本都是非常重要的。尽管铝拥有技术上的优势,但其高成本使铝部件在汽车上的大批量应用受到限制。铝板成本是钢板成本的4~5倍,因此,在采用铝时就要考虑到,在每种材料应用基础上,省去加工工序或者减少零部件数量从而降低系统成本;或者获得由于实现轻量化从而节省燃料实现的价值。
  铝合金铸件可以和钢铸件相竞争,是因为铝铸件在铸造时流动性改善可以铸造更复杂的深壁部件,能够减少零部件数量并能够克服材料成本的内在不利因素。铝需要通过更多的最新加工和安装技术才能和钢的成形性相比,竭力降低把铝锭加工成最终板材的加工成本是十分重要的。
  生产铝板成本的一个重要组成部分是热机加工,热机加工需要多道工序才能把DC铝板锭轧制成最终板材。连续轧铸工艺技术可以生产铝板带,然后直接进行温轧和冷却,这为大幅度降低板材成本提供了机会,关键是控制中心线偏析、控制低倍组织来生产成形性最需要的最佳结构、连续铸轧多用于低强度 1xxx系列、3xxx系列和5xxx系列铝合金生产,用于加工汽车结构部件。采用低成本铸造的铝合金板带加工有缝焊管是又一个降低汽车部件成本的机会。
  再生铝资源利用成“主流”
  汽车铝部件采用再生铝可以降低成本,节省能源,并减少二氧化碳排放量。
  据英国的商品研究机构和海德鲁铝业集团预测,全球废铝回收再生能力的年增长率为5.8%,到2015年,全球废铝回收再生产量将达到2600万吨。据估计,到2015年全球铝总产量将达到7300万吨,其中废铝回收再生产量占到铝总产量的36%。
  废铝回收和原铝生产相比,节省能源可达95%,相当于每年减少温室气体总排放量约8000万吨。汽车废铝回收率较高可以达到95%,例如英国每年回收报废汽车约为200万辆,回收包括铝在内金属150万吨。
  建立废铝回收系统回收废铝也是降低成本的另一个因素。闭环回收对于废铝回收是最理想的形式,因为铝板、大量工程铝废料都是在轧制厂以外的地方产生。在闭环回收里,特定产品应用的废料返回并经过加工后,用于同一产品的加工。回收仅仅消费了从铝矾土到原铝所需能源的6%,以及投资金额的10%。
  例如美国福特汽车公司和加铝就建立起了废铝闭环回收系统,公司下属密执安州迪尔本汽车冲压件厂每年产生单一铝合金6111废铝数量5900吨,直接送到加铝在美国奥斯威格铝加工厂重熔成新6111铝合金锭板坯,再乳制成汽车用铝板,仅此一项每年节省福特汽车公司开支250万美元。
  对于一辆75%采用再生铝制造车体结构的汽车而言,行驶4年或者行驶93294千米,在汽油价格为每升0.7美元的状况下,足以弥补采用铝代替钢的成本。采用双辊铸压工艺技术生产汽车铝板,比传统DC铸造和热轧加工的带卷每吨节省成本30~100美元,在铝价接近每吨1000美元时才具有竞争力,钢价只有每吨500美元,所以必须利用再生铝轧制铝板。再生铝无疑是汽车用铝的一大宝贵资源。