所有的鋁材半成品(板、帶、箔、管、棒、型、線、粉、鍛件)都在汽車制造中獲得廣泛應(yīng)用，除了這些壓力加工材料外，鋁合金壓鑄件及鑄件更是汽車制造必不可少的金屬材料。2018年，全世界生產(chǎn)汽車約5200萬輛，耗用材料11400萬噸，其中金屬材料約占82%，在用的材料中為9340萬噸，其中鋁及鋁合金僅占6.5%，其余的為鋼和鑄鐵，其他有色金屬的用量甚少。
6XXX系鋁合金板材在汽車制造中的應(yīng)用
幾乎所有的鋁材在汽車制造中都獲得了廣泛的應(yīng)用，但用得最多的是鑄造鋁合金，用于生產(chǎn)壓鑄件與鑄件，沒有一輛汽車不用鋁及鋁合金鑄造件的。鑄造鋁合金的用量占汽車鋁材總用量的65%，半成品鋁材的總用量還不到35%，其中70%以上用的板材，而用的板材中國用得最多的是厚度≤2mm的薄板，占92%以上。
在工信部提出的重點發(fā)展的汽車高性能車用鋁合金薄板是：6016-S、6016-IH、6016-IBR、6A16-S、6A16-IBR、5182-RSS、5754、6022等，典型6XXX系鋁合金板材伸長率A50≥25%，r值≥0.60，60d停放后屈服強度Rp0.2≤140N/mm2，烤漆硬化屈服強度增量≥80N/mm2。
在汽車上應(yīng)用的鋁合金板材大體上可分為兩類：乘人小車、皮卡車、面包車等覆蓋件用的高性能薄板，即ABS，其他所有汽車如公共汽車、罐車用的種種板材，用的大都為工業(yè)通用板材。
6XXX系鋁合金板材在汽車中的應(yīng)用
2018年，中國生產(chǎn)汽車2780.92萬輛，銷售2808.06萬輛；其中乘用車產(chǎn)銷2352.94萬輛和2370.98萬輛；商用車產(chǎn)銷427.98萬輛和437.08萬輛。
2018年，歐美諸國約有860萬輛乘用車制造中用了鋁合金板材，北美有近38%乘用車用的是鋁合金發(fā)動機蓋；日本有近150多萬輛乘用車用了鋁合金板材。歐洲和北美多用6XXX系合金板材，歐洲則多用6016合金，而美國則偏愛用6111合金。消費國家主要為美國、德國、日本、韓國、加拿大、瑞士、英國、意大利等，在2018年消耗的約105萬噸ABS中，美國約占19.5%，德國占13%左右，日本和瑞士各占7%。
德國寶馬汽車公司的寶馬7系列乘人車在減重方面也取得了令人驚羨的成就，它的骨架由碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)、鋁合金擠壓材、高強度鋼(high tensile steel)組成，由于這三種材料的巧妙搭配，既大幅提高了車的綜合性能，又顯著減輕了車的凈質(zhì)量與提高了燃油效率。
6XXX系汽車鋁合金鈑金件
6XXX系合金是目前汽車工業(yè)用得最多的汽車鈑金件鋁合金，它們有優(yōu)異的成形性能，兼具高的強度性能、抗腐蝕性能、折邊性、高表面性能等，同時涂漆烘烤后，強度性能又有一定的提高。
汽車內(nèi)外板用鋁合金板取代鋼板，可使車身減輕40%~50%，進而使整車凈質(zhì)量下降約10%。福特Model T型車、福特Prodigy車、FORD T-150皮卡車、捷豹XJ、法拉利360、克萊斯勒Prowler、大眾31Lupo、奧迪A2、A8、本田混合動力轎車(the Honda Insight)、Honda NSX、特斯特-Model、S等均采用鋁制車身。用ABS制造發(fā)機蓋與行李箱蓋的更是不勝枚舉。
典型板材合金的性能
6016合金廣泛應(yīng)用于ABS，但熱處理工藝復(fù)雜，在固溶處理與烤漆處理之間必須進行預(yù)時效處理T4P，方可獲得良好的性能。因為沖壓前應(yīng)有良好的成形性能，而在沖壓后的烤漆過程中又能迅速提高強度，從而有高的抗凹性。6016合金板材經(jīng)固溶-T4P-烤漆處理后能夠兼顧這兩方面的要求，但工藝參數(shù)對最終性能影響甚大，固溶處理不充分降低T4P和烤漆過程中人工時效的析出動力，保溫時間長又可能導(dǎo)致晶粒粗化，預(yù)時效濕度低則降低板材放置過程中的性能穩(wěn)定性和烤漆過程中的硬化效果，溫度過高又會影響沖壓過程的成形性能。由此可見應(yīng)優(yōu)化固溶和T4P工藝參數(shù)，才能獲得理想的綜合性能。
6016合金屬Al-Mg-Si系合金，在時效過程中的析出過程為：α(Al)固溶體→β''→β'→β，板材的強度主要受固溶強化、預(yù)時效、自然時效強化的影響：固溶處理時可溶相固溶到α(Al)基體中，產(chǎn)生固溶強化，而隨后的T4P過程中，過飽和的溶質(zhì)原子會形成時效析出相，而它們的尺寸、數(shù)量、形態(tài)與預(yù)時效溫度休戚相關(guān)。一方面，時效使基體過飽和度降低，減弱固溶強化效果。另一方面，預(yù)時效析出相會產(chǎn)生強化作用，提高板材強度；自然時效的強化作用隨時間延長單調(diào)地上升，到達一定時間后趨于穩(wěn)定。
張澤東等專家的研究結(jié)果顯示：6016合金板在560℃/1min固溶處理可獲得良好的效果，繼續(xù)延長保溫時間對性能不利；綜合考慮6016汽車板性能要求工業(yè)化生產(chǎn)中的涂油工序，確定6016合金ABS固溶-預(yù)時效工藝為：560℃/1min+80℃/6h(《輕合金加工技術(shù)》2019，No.2，pp.28-32.)
5XXX系鋁合金板材在汽車制造中的應(yīng)用
在工信部提出的宜大力發(fā)展的高性能汽車用鋁合金薄板中有兩種5XXX系合金：5754、5182-RSS。除了這兩個合金外，得到應(yīng)用的還有5022、5023、5454、5154、5083等合金。
Mg在鋁中的溶解度僅次于鋅而居第二位，在450℃時的極限溶解度為17.4%，室溫只有1%。在理論上Al-Mg合金應(yīng)該有強烈的時效硬化效應(yīng)，但因β相的沿晶沉淀傾向和彌散度的限制，無法利用這種效應(yīng)，多以退火O狀態(tài)或冷作硬化狀態(tài)H使用。
Al-Mg合金過飽和固溶體α'的沉淀過程：
α'→GP區(qū)→β'→β(Al8Mg5)
Mg原子直徑(0.320nm)遠比Al(0.286nm)的大，淬火后GP區(qū)雖在幾秒鐘內(nèi)即能形成，但尺寸小(1.0nm~1.5nm)，周圍有密集的空位云，與母相幾乎不發(fā)生共格應(yīng)變，故Mg含量≤(5%~7%)的合金無明顯的時效硬化效應(yīng)。Mg≤8%的合金，室溫時效幾年后，GP區(qū)可以長大到10nm，雖有較大的強化效應(yīng)，但出現(xiàn)強烈的沿晶斷裂特點，塑性急劇降低到只有約1.5%，無實用價值。
向Al-Mg合金加Mn或Cr，主要是為了改善抗蝕性和可焊性，但固溶那部分還有一定的強化作用。Ti和V是晶粒細化劑，也有提高強度和可焊性的作用。Be能防止熔鑄和焊接時的氧化傾向，特別是高鎂合金尤為需要。微量Sb或Bi主要為了防止高Mg合金的“鈉脆”現(xiàn)象。Cu、Zn、Fe、Si是雜質(zhì)，應(yīng)嚴(yán)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合金只有輕微的時效硬化效果和強烈的沿晶沉淀傾向，只能在退火(300℃~380℃)或冷作硬化狀態(tài)下工作，但它們的優(yōu)秀抗腐蝕性能只有β相沿晶內(nèi)晶界均勻分布的情況下才能顯示出來，并且分布形態(tài)還受Mg含量的強烈影響。一系列的研究結(jié)果表明，Mg含量≤3%的合金穩(wěn)定性極高，無論是退火或冷作硬化狀態(tài)，在室溫或敏化處理溫度(67℃~177℃)長時間加熱，均不形成沿晶β相網(wǎng)膜，對應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)和剝落腐蝕也不敏感，但Mg含量>3.5%后，特別是經(jīng)過冷作硬化，隨Mg含量的升高(≥5%Mg)，對SCC的敏感性也強烈升高，甚至在室溫長時間存放(20a~30a)，也能沿晶界形成連續(xù)的β相網(wǎng)膜。因為高Mg含量(>6%~7%)合金即使在315℃~330℃充分退火，α固溶體也不能完全分解，仍處于過飽和狀態(tài)，故組織很不穩(wěn)定。
解決高鎂合金組織性能穩(wěn)定性的途徑有二：一是退火后進行大的冷變形(ε=30%~50%)，增加位錯密度或β相形核點，并在200℃以上沉淀處理，促進固溶體徹底分解和β相均勻分解；另一辦法是降低鎂含量≤3%，并添加適量可以提高強度和再結(jié)晶溫度的Mn和Cr，也能避免β相沿晶沉淀，得到與高鎂含量相當(dāng)?shù)膹姸龋绹?454合金(2.7%Mg、0.7%Mn、0.12%Cr)即可得到與Al-4Mg合金相同的強度，而無SCC和EFC敏感性，但此法無法使Al-Mg合金的強度有很大提高。
5454合金的性能
5454合金的化學(xué)成分(質(zhì)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，其他雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，其余Al。
板材的抗剪強度約為抗拉強度Rm的55%，它的抗壓Rp0.2幾乎與抗拉屈服強度相等，合金的彈性模量69.6GN/mm2，壓縮彈性模量71.0GN/mm2，20℃時的密度2.680g/cm3。液相線溫度646℃，因相線溫度602℃。
合金的線脹系數(shù)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℃時的體脹系數(shù)68×10-6m3/(m3.k)；20℃的比熱容900J/(kg.K)；20℃的熱導(dǎo)率134W/(m.k)；20℃時各種材料的平均等體積電導(dǎo)率為34%IACS；20℃，各種狀態(tài)材料的平均電阻率為51nΩ.m，電阻溫度系數(shù)為0.1nΩ.m；在25℃的含53gNaCl及3gH2O2T每L的水溶液中，對0.1N甘汞電極的電位為-0.86V；退火溫度343℃，不需要保溫；熱加工溫度260℃~510℃。
5083合金的性能
5083合金是典型的5XXX系合金，也是一個典型的汽車板材合金，有優(yōu)良的可焊性能、抗蝕性、加工成形性能和低溫性能，在Al-Mg系合金中，它具有中等的強度性能，焊接接頭強度可與退火狀態(tài)基體材料的相等，且有可靠的抗腐蝕性能，合金的各項力學(xué)性能均隨著溫度的下降而均衡地上升，斷裂韌性也如此，是一種良好的汽車覆蓋件合金，特別適合于商務(wù)車、各種特殊車、半掛車等內(nèi)外焊接鈑金結(jié)構(gòu)性。
5083合金特點：不可熱處理強化；為防止“時效軟化”和穩(wěn)定抗腐蝕性能，半成品需進行穩(wěn)定化處理；為防止重復(fù)退火時屈服強度的降低，最終冷變形量宜>50%。
該合金的成分(質(zhì)量%)：Mg4.0~4.9、Mn0.4~1.0、Cr0.05~0.25、Si0.40、F0.40、Zn0.25、Ti0.15，其他雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，Al其余。合金的主要相組成：α(Al)、β(Al8Mg5)、AlMn、Al7Cr，可能的雜質(zhì)相有Mg2Si、Al3Fe、Al3Ti、Al6(Fe、Mn)。
鎂是主要的強化元素，產(chǎn)生固溶強化和提高合金加工硬化率。Mg在鋁中的固溶度隨著溫度變化而發(fā)生很大改變，但沉淀過渡相β'(Al8Mg5)不與基體共格，故無明顯的沉淀硬化作用。Al8Mg5相傾向于緩慢地沉淀在滑移帶和晶界上，降低固溶強化作用，且在腐蝕條件下引起晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，因此冷加工后應(yīng)進行穩(wěn)定化退火，以促使β相均勻地在晶內(nèi)和晶界沉淀，穩(wěn)定合金的力學(xué)性能和抗蝕性。
錳和鉻提高合金的再結(jié)晶溫度，并有補充強化作用，鈦能細化鑄造組織和焊縫組織，鐵、硅、鋅為雜質(zhì)。
5083合金的密度2.66g/cm3；熔化溫度范圍574℃~638℃；比熱容900J/(kg.k)；20℃時熱導(dǎo)率120W/(m.k)；20℃時體脹系數(shù)70×10-6m3/(m3.k)；平均線脹系數(shù)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合金的正彈性模量71.0GN/mm2，切變彈性模量26.4GN/mm2。
5083合金20℃的電學(xué)性能：電導(dǎo)率(等電積)32%IACS；20℃時的電阻率54nΩ.m；20℃時的電阻溫度系數(shù)0.1nΩ.m/K；在25℃的含53g NaCl與3g H2O3的每升水溶液中，對0.1N甘汞電極的電位為-0.86V。
5083合金板材的退火溫度343℃，不需要保溫，熱軋溫度260℃~510℃。
汽車用5XXX系合金的耐應(yīng)力腐蝕開裂性
對汽車用的5XXX系合金板材不但要求有高的強度性能、良好的可焊性，而且在腐蝕性環(huán)境中有相當(dāng)強的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。厚1mm5XXX系汽車板材按美國鋁業(yè)協(xié)會公司(AA)的標(biāo)準(zhǔn)其抗應(yīng)力腐蝕開裂性能見表1?！虮硎驹诒容^嚴(yán)峻的條件下不會破壞；△表示在某種條件下可能破裂；○表示在嚴(yán)峻條件下可能產(chǎn)生裂縫；X表示在寬松條件下也會開裂。
宜逐步淘汰柴油車或增大鋁化率
美國2月26日公布的一項研究指出，據(jù)美國非政府組織國際清潔交通委員會(ICCT)與兩所大學(xué)的研究顯示，在每年因PM2.5和地面臭氧而過早死亡的340萬人中，11%與全球交通業(yè)有關(guān)，交通污染造成的醫(yī)療負(fù)擔(dān)(通常與心肺疾病、中風(fēng)和糖尿病相關(guān))在2015年達到1萬億美元。
在美國2.2萬人死于交通污染，其中43%與柴油有關(guān)；印度因汽車尾氣而過早死亡的人數(shù)為7.4萬人，德國為1.3萬人，意大利為7800人，法國為6400人。然而，德國的情況更差，因為該國每10萬居民中就有17人因交通污染過早死亡，這一比例是全球平均水平的3倍。
由此可見，汽車尾氣排放對人類健康的影響決不可勿視，凸顯了積極遵守和執(zhí)行世界級排放標(biāo)準(zhǔn)的必要性，也凸顯了加大用鋁量降低其自身質(zhì)量，擴大新能源車的迫切性。
中國的ABS生產(chǎn)線
至2018年，中國已建成與在建的ABS(Auto-Body-Sheet)有7條，其中投產(chǎn)的6條，生產(chǎn)能力523kt/a，在建的1條，生產(chǎn)能力100kt/a(見表2)。ABS生產(chǎn)關(guān)鍵與裝備在由氣墊爐處理與其后續(xù)的純拉伸矯直、預(yù)時效、表面處理等20多道工序組成一條連續(xù)的生產(chǎn)線上進行，單層排列全長可超過600m，雙層排列也在300m以上。
中國首條ABS生產(chǎn)線——諾貝麗斯(中國)鋁制品有限公司位于江蘇省常州市國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，占地面積4320km2，投資1億美元，2014年10月21日投產(chǎn)。2018年5月22日該公司又宣布投資1.8億美元，新建一條氣墊連續(xù)生產(chǎn)線，增加ABS生產(chǎn)能力100kt/a，2020年投產(chǎn)。
諾貝麗斯(中國)鋁制品有限公司及神鋼汽車鋁材(天津)有限公司都不生產(chǎn)上游制品，前者所需的冷軋帶卷從韓國運來，后者所用的冷軋帶卷從日本真岡軋制廠運來。
中國愛勵國際(鎮(zhèn)江)鋁業(yè)有限公司、河南同人鋁業(yè)有限公司、河南中孚實業(yè)股份有限公司等都制訂了建設(shè)ABS生產(chǎn)線的規(guī)劃，一旦有了市場允許即可開工建設(shè)。另外，南山集團輕合金公司的規(guī)劃更為壯觀，現(xiàn)在建成的是一期，將擇機建二、三期項目，全部建成后生產(chǎn)能力可達600kt/a，從而成為世界最大的ABS項目。
在當(dāng)今生產(chǎn)的四類(預(yù)拉伸厚板、ABS、罐身及罐蓋料、PS與CTP版基)平軋鋁產(chǎn)品中，前兩類的生產(chǎn)難度較大，技術(shù)水平要求較高，附加值也高。
結(jié)束語
汽車鋁合金板材是一個龐大家族，除乘人車覆蓋件主要是用5XXX系與6XXX系合金外，其他的鋁材也得到應(yīng)用。
本文簡要地介紹了工信部大力推行的汽車鈑金件鋁合金，中國用鋁合金制造乘人車鈑金件才剛剛起步，與國外的差距甚大，這個差距表現(xiàn)在兩個方面：一是汽車的鋁化率低，據(jù)筆者的調(diào)查與測算，2018年中國汽車的鋁化率可能還不到125kg/輛，與工業(yè)發(fā)達國家的165kg/輛相差太大；二是在研發(fā)新型汽車鋁合金與廢鋁利用方面的差距則更大一些，例如諾貝麗斯鋁業(yè)公司每隔三、四年就推出一種新合金，它推出的Advanz7000系列產(chǎn)品強度與目前采用的鋁合金相比高一倍；它在利用廢鋁生產(chǎn)ABS汽車板材方面特別突出，它們計劃2020年汽車板材中的廢鋁含量達80%，這可是一類高端產(chǎn)品。
中國鋁加工業(yè)與汽車制造業(yè)宜借工信部這次推進新材料研發(fā)與應(yīng)用東風(fēng)，大力推廣鋁在汽車中的應(yīng)用，使汽車用鋁量上一個臺階。
來源：中國有色金屬報
