所有的鋁材半成品(板、帶、箔、管、棒、型、線、粉、鍛件)都在汽車(chē)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(chē)制造必不可少的金屬材料。2018年，全世界生產(chǎn)汽車(chē)約5200萬(wàn)輛，耗用材料11400萬(wàn)噸，其中金屬材料約占82%，在用的材料中為9340萬(wàn)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(chē)制造中的應(yīng)用

　　幾乎所有的鋁材在汽車(chē)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(méi)有一輛汽車(chē)不用鋁及鋁合金鑄造件的。鑄造鋁合金的用量占汽車(chē)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(guó)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(diǎn)發(fā)展的汽車(chē)高性能車(chē)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(zhǎng)率A50≥25%，r值≥0.60，60d停放后屈服強(qiáng)度Rp0.2≤140N/mm2，烤漆硬化屈服強(qiáng)度增量≥80N/mm2。

　　在汽車(chē)上應(yīng)用的鋁合金板材大體上可分為兩類：乘人小車(chē)、皮卡車(chē)、面包車(chē)等覆蓋件用的高性能薄板，即ABS，其他所有汽車(chē)如公共汽車(chē)、罐車(chē)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(chē)中的應(yīng)用

　　2018年，中國(guó)生產(chǎn)汽車(chē)2780.92萬(wàn)輛，銷售2808.06萬(wàn)輛；其中乘用車(chē)產(chǎn)銷2352.94萬(wàn)輛和2370.98萬(wàn)輛；商用車(chē)產(chǎn)銷427.98萬(wàn)輛和437.08萬(wàn)輛。

　　2018年，歐美諸國(guó)約有860萬(wàn)輛乘用車(chē)制造中用了鋁合金板材，北美有近38%乘用車(chē)用的是鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)蓋；日本有近150多萬(wàn)輛乘用車(chē)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(guó)則偏愛(ài)用6111合金。消費(fèi)國(guó)家主要為美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、加拿大、瑞士、英國(guó)、意大利等，在2018年消耗的約105萬(wàn)噸ABS中，美國(guó)約占19.5%，德國(guó)占13%左右，日本和瑞士各占7%。

　　德國(guó)寶馬汽車(chē)公司的寶馬7系列乘人車(chē)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(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、鋁合金擠壓材、高強(qiáng)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(chē)的綜合性能，又顯著減輕了車(chē)的凈質(zhì)量與提高了燃油效率。

　　6XXX系汽車(chē)鋁合金鈑金件

　　6XXX系合金是目前汽車(chē)工業(yè)用得最多的汽車(chē)鈑金件鋁合金，它們有優(yōu)異的成形性能，兼具高的強(qiáng)度性能、抗腐蝕性能、折邊性、高表面性能等，同時(shí)涂漆烘烤后，強(qiáng)度性能又有一定的提高。

　　汽車(chē)內(nèi)外板用鋁合金板取代鋼板，可使車(chē)身減輕40%~50%，進(jìn)而使整車(chē)凈質(zhì)量下降約10%。福特Model T型車(chē)、福特Prodigy車(chē)、FORD T-150皮卡車(chē)、捷豹XJ、法拉利360、克萊斯勒Prowler、大眾31Lupo、奧迪A2、A8、本田混合動(dòng)力轎車(chē)(the Honda Insight)、Honda NSX、特斯特-Model、S等均采用鋁制車(chē)身。用ABS制造發(fā)機(jī)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(jìn)行預(yù)時(shí)效處理T4P，方可獲得良好的性能。因?yàn)闆_壓前應(yīng)有良好的成形性能，而在沖壓后的烤漆過(guò)程中又能迅速提高強(qiáng)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(duì)最終性能影響甚大，固溶處理不充分降低T4P和烤漆過(guò)程中人工時(shí)效的析出動(dòng)力，保溫時(shí)間長(zhǎng)又可能導(dǎo)致晶粒粗化，預(yù)時(shí)效濕度低則降低板材放置過(guò)程中的性能穩(wěn)定性和烤漆過(guò)程中的硬化效果，溫度過(guò)高又會(huì)影響沖壓過(guò)程的成形性能。由此可見(jiàn)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(shí)效過(guò)程中的析出過(guò)程為：α(Al)固溶體→β''→β'→β，板材的強(qiáng)度主要受固溶強(qiáng)化、預(yù)時(shí)效、自然時(shí)效強(qiáng)化的影響：固溶處理時(shí)可溶相固溶到α(Al)基體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，而隨后的T4P過(guò)程中，過(guò)飽和的溶質(zhì)原子會(huì)形成時(shí)效析出相，而它們的尺寸、數(shù)量、形態(tài)與預(yù)時(shí)效溫度休戚相關(guān)。一方面，時(shí)效使基體過(guò)飽和度降低，減弱固溶強(qiáng)化效果。另一方面，預(yù)時(shí)效析出相會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用，提高板材強(qiáng)度；自然時(shí)效的強(qiáng)化作用隨時(shí)間延長(zhǎng)單調(diào)地上升，到達(dá)一定時(shí)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(zhǎng)保溫時(shí)間對(duì)性能不利；綜合考慮6016汽車(chē)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(shí)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(chē)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(chē)用鋁合金薄板中有兩種5XXX系合金：5754、5182-RSS。除了這兩個(gè)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(shí)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(qiáng)烈的時(shí)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(wú)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(guò)飽和固溶體α'的沉淀過(guò)程：

　　α'→GP區(qū)→β'→β(Al8Mg5)

　　Mg原子直徑(0.320nm)遠(yuǎn)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?chē)忻芗目瘴辉疲c母相幾乎不發(fā)生共格應(yīng)變，故Mg含量≤(5%~7%)的合金無(wú)明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)。Mg≤8%的合金，室溫時(shí)效幾年后，GP區(qū)可以長(zhǎng)大到10nm，雖有較大的強(qiáng)化效應(yīng)，但出現(xiàn)強(qiáng)烈的沿晶斷裂特點(diǎn)，塑性急劇降低到只有約1.5%，無(wú)實(shí)用價(jià)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(qiáng)化作用。Ti和V是晶粒細(xì)化劑，也有提高強(qiáng)度和可焊性的作用。Be能防止熔鑄和焊接時(shí)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M(jìn)g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(shí)效硬化效果和強(qiáng)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(lái)，并且分布形態(tài)還受Mg含量的強(qiáng)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(wú)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(zhǎng)時(shí)間加熱，均不形成沿晶β相網(wǎng)膜，對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)和剝落腐蝕也不敏感，但Mg含量>3.5%后，特別是經(jīng)過(guò)冷作硬化，隨Mg含量的升高(≥5%Mg)，對(duì)SCC的敏感性也強(qiáng)烈升高，甚至在室溫長(zhǎng)時(shí)間存放(20a~30a)，也能沿晶界形成連續(xù)的β相網(wǎng)膜。因?yàn)楦進(jìn)g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(guò)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(jìn)行大的冷變形(ε=30%~50%)，增加位錯(cuò)密度或β相形核點(diǎn)，并在200℃以上沉淀處理，促進(jìn)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(qiáng)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?qiáng)度，美國(guó)的5454合金(2.7%Mg、0.7%Mn、0.12%Cr)即可得到與Al-4Mg合金相同的強(qiáng)度，而無(wú)SCC和EFC敏感性，但此法無(wú)法使Al-Mg合金的強(qiáng)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(gè)0.05、合計(jì)0.15，其余Al。

　　板材的抗剪強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度Rm的55%，它的抗壓Rp0.2幾乎與抗拉屈服強(qiáng)度相等，合金的彈性模量69.6GN/mm2，壓縮彈性模量71.0GN/mm2，20℃時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)典型的汽車(chē)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(qiáng)度性能，焊接接頭強(qiáng)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(xiàng)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(chē)覆蓋件合金，特別適合于商務(wù)車(chē)、各種特殊車(chē)、半掛車(chē)等內(nèi)外焊接鈑金結(jié)構(gòu)性。

　　5083合金特點(diǎn)：不可熱處理強(qiáng)化；為防止“時(shí)效軟化”和穩(wěn)定抗腐蝕性能，半成品需進(jìn)行穩(wěn)定化處理；為防止重復(fù)退火時(shí)屈服強(qiáng)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(gè)0.05、合計(jì)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(qiáng)化元素，產(chǎn)生固溶強(qiáng)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(guò)渡相β'(Al8Mg5)不與基體共格，故無(wú)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(qiáng)化作用，且在腐蝕條件下引起晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因此冷加工后應(yīng)進(jìn)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(bǔ)充強(qiáng)化作用，鈦能細(xì)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(shí)熱導(dǎo)率120W/(m.k)；20℃時(shí)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(shí)的電阻率54nΩ.m；20℃時(shí)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(duì)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(chē)用5XXX系合金的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性

　　對(duì)汽車(chē)用的5XXX系合金板材不但要求有高的強(qiáng)度性能、良好的可焊性，而且在腐蝕性環(huán)境中有相當(dāng)強(qiáng)的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力。厚1mm5XXX系汽車(chē)板材按美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司(AA)的標(biāo)準(zhǔn)其抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能見(jiàn)表1。◎表示在比較嚴(yán)峻的條件下不會(huì)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(huì)開(kāi)裂。

　　宜逐步淘汰柴油車(chē)或增大鋁化率

　　美國(guó)2月26日公布的一項(xiàng)研究指出，據(jù)美國(guó)非政府組織國(guó)際清潔交通委員會(huì)(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(guò)早死亡的340萬(wàn)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(dá)到1萬(wàn)億美元。

　　在美國(guó)2.2萬(wàn)人死于交通污染，其中43%與柴油有關(guān)；印度因汽車(chē)尾氣而過(guò)早死亡的人數(shù)為7.4萬(wàn)人，德國(guó)為1.3萬(wàn)人，意大利為7800人，法國(guó)為6400人。然而，德國(guó)的情況更差，因?yàn)樵搰?guó)每10萬(wàn)居民中就有17人因交通污染過(guò)早死亡，這一比例是全球平均水平的3倍。

　　由此可見(jiàn)，汽車(chē)尾氣排放對(duì)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(jí)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(kuò)大新能源車(chē)的迫切性。

　　中國(guó)的ABS生產(chǎn)線

　　至2018年，中國(guó)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(jiàn)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(shí)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(jìn)行，單層排列全長(zhǎng)可超過(guò)600m，雙層排列也在300m以上。

　　中國(guó)首條ABS生產(chǎn)線——諾貝麗斯(中國(guó))鋁制品有限公司位于江蘇省常州市國(guó)家高新技術(shù)開(kāi)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(guó))鋁制品有限公司及神鋼汽車(chē)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(guó)運(yùn)來(lái)，后者所用的冷軋帶卷從日本真岡軋制廠運(yùn)來(lái)。

　　中國(guó)愛(ài)勵(lì)國(guó)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(shí)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(chǎng)允許即可開(kāi)工建設(shè)。另外，南山集團(tuán)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(jī)建二、三期項(xiàng)目，全部建成后生產(chǎn)能力可達(dá)600kt/a，從而成為世界最大的ABS項(xiàng)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(yǔ)

　　汽車(chē)鋁合金板材是一個(gè)龐大家族，除乘人車(chē)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(jiǎn)要地介紹了工信部大力推行的汽車(chē)鈑金件鋁合金，中國(guó)用鋁合金制造乘人車(chē)鈑金件才剛剛起步，與國(guó)外的差距甚大，這個(gè)差距表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是汽車(chē)的鋁化率低，據(jù)筆者的調(diào)查與測(cè)算，2018年中國(guó)汽車(chē)的鋁化率可能還不到125kg/輛，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的165kg/輛相差太大；二是在研發(fā)新型汽車(chē)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(qiáng)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(chē)板材方面特別突出，它們計(jì)劃2020年汽車(chē)板材中的廢鋁含量達(dá)80%，這可是一類高端產(chǎn)品。

　　中國(guó)鋁加工業(yè)與汽車(chē)制造業(yè)宜借工信部這次推進(jìn)新材料研發(fā)與應(yīng)用東風(fēng)，大力推廣鋁在汽車(chē)中的應(yīng)用，使汽車(chē)用鋁量上一個(gè)臺(tái)階。

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