铝应用于汽车业

轻质材料的广泛应用，使铝合金的技术成为汽车制造商最大的挑战

对漫不经心的旁观者来说，福特公司公布将铝替代钢铁用于生产2015 F-150皮卡车车身，没什么大惊小怪的。毕竟，轻质金属应用于制造汽车组件已有数十年。例如，奥迪公司——与Alcoa公司合作——在1982年就开始开发A8汽车铝底架，并从1994年开始系列生产这种车辆。
 
除此之外，捷豹路虎(JLR)——目前正处于汽车用铝发展的前沿——将铝广泛应用于XJ，F-型，和路虎揽胜车型。公司将引进全铝构架，用于将来的XE轿车的生产，这将成为世界上最大的铝质汽车车体修理厂。
 
然而，产品都是豪华车，每年的产量只有几万辆。而福特F-150则是美国过去32年间销量最高的车型之一。单单美国，在2013年就售出超过760,000辆F系列皮卡车。
 
Alcoa公司汽车部市场总监Randal Scheps说，“我们处在汽车制造历史性转变的起点。福特F-150全铝车身构造，只是冰上的一角而已。”制铝工业预测，到2025年汽车制造业对铝的需求将会翻番，因为美国和欧盟对节约燃料标准更为苛刻。
 
肯联铝业公司(Constellium)包装和汽车轧材产品业务部部长Laurent Musy说，“在美国，最新公司平均燃油经济性（CAFE）标准目前只适用于中型和重型卡车，这也许是福特公司决定用铝来制造新的F-150皮卡车的原因。到2016年，CAFE标准将会更加严格，这将推动汽车制造商对量产汽车进行减重。”
 
肯联铝业预计，美国市场对铝质轧材产品的需求（用于汽车的白车身），将从2012年不足100,000吨，增长到2020年的约100万吨。在欧洲，公司预测白车身将推动市场一年增长12%，到2020年需求将超过600,000吨。Alcoa公司的Scheps说，“主要是从铝机盖到车门和整个车身变化。”

开发合金
铝供应商和OEM制造商加紧步伐开发合金，以赶上对新材料需求的步伐。
 
合金主要应用于5000和6000系列的汽车车体外板和白车体。5000系列是与镁铸成合金的，代表汽车为JLR的高铝路虎揽胜，占车身37%的重量。6000系列是与镁和硅铸成合金的，容易机械加工，并能沉淀硬化，逐渐广泛应用于汽车制造。这种材料用于路虎揽胜另一个车身，占重量37%（车身其余部位包括15%的铸件和6%的挤压制品，其余部分是由钢铁制成）。
 
JLR使用诺贝丽斯的耐蚀铝合金(AC)600PX，用于生产路虎揽胜车体侧边，是汽车行业内最大的整片铝质车体面板。在经过预时效处理，即在油漆车间经过180度高温加热之后，合金变得更强——比5000系列合金更为强大。而且，它更柔软，这样可以用于生产几何结构更为复杂的零部件。
 
诺贝丽斯高强度AC300T61用于生产路虎揽胜安全关键的缓冲装置。合金在典型使用显示强度为225MPa——比JLR默认的NG5754合金强出85MPa。与NG5754相比，AC300T61每单位长度多吸收30%的能量，能用于更薄的仪表。因此，JLR宣称，他们能生产比使用NG5754轻20%、便宜9%的组件。事实上，铝在缓冲处理结构(CMS)上的使用会增长迅速。肯联铝业汽车结构与工业部部长Paul Warton说，“分析家预计，到2018年铝将占到欧盟CMS市场30%，美国的20%。”
 
高强度铝
2014年2月，肯联铝业宣布启动一项高强度铝CMS技术，为车辆前端和后端而设计。据公司讲，他们的CMS系统显示出高强度性能，以及与6000系列铝合金相似的物理性质，包括可成形性、耐蚀性和能量吸收性。
 
铝的生产厂和使用这种材质的OEM制造商，也越来越倾向于通过制造铝质组件来降低二氧化碳排放量。为了这个目的，JLR开发了RC5754，它的50%的重量碎片都来自内部处理过程。RC5754将成为JLR将来汽车的默认材质——包括捷豹XE——并替代NG5754材质。而且，公司打算将回收来的合金反过来用到目前的车型当中。
 
汽车行业中对铸造合金的需求也露出类似端倪。总部在英国的JVM Castings公司为JLR、福特和宝马压铸组件。该集团设计总监Simon Ruffle说，“现在组件需要变得更薄、更轻、更强，并且具有更强大的综合特性。”JVM已经为JLR生产零部件超过50年，刚开始时是为捷豹XK生产压铸铝中立柱，是通过结合中立柱和鹅颈管铸件完成的。

 当捷豹在2010年宣布建造F-型车型的计划时，JVM团队就被分派任务重新设计中立柱结构以避免分部装配。“我们的设计师所面临的难题是，创造浇注系统和流道系统能同时完成两种不同的铸件。我们最终的设计，能将总装配重量减少超过50%，并消除7个轧钢的成本和重量，因而减少装配成本。与以往需要2个压注模和7个冲压工具相比，我们的新中立柱只需要一个成套冲模。”
 
铸造大组件
JVM目前忙于几个研究项目，以满足汽车行业强大的需求。例如，该公司与JLR和总部位于伍斯特的Aeromet国际合作，设计如何将一个名为A20X的高强度合金铸造成大的组件。A20X是由Aeromet开发，是一个铝/铜合金A201的改进版本。它具有440Mpa的屈服强度，和500Mpa的抗拉强度——是目前最强的铸造合金——其伸长率是3-5%。据Aeromet称，A20X解决了铝/铜合金可铸性差的问题，但与A357这类的铝/硅合金相比，具有易变性的特点。
 
随着铝质车身结构使用的增加，新的连接和装配方法有待发展和革新。粘合剂方法得到广泛认同，但是铝的固有有利特性——在暴露在空气时，表面形成一层薄的氧化铝，增强其抗腐蚀能力——会影响到粘合剂，也就是说金属首先要进行初级处理。
 
Alcoa称，他们已经开发了初级处理方法，叫做Alcoa951。与传统的转换层系统相比（例如钛锆），它使粘合剂的耐用性增加到9倍。这种处理不含有任何破坏环境的重金属，是使用沉浸或喷雾的方式的。Alcoa说，951在汽车制造过程中基本上是“透明的”，比如成型、电阻点焊和喷漆。公司已经批准Chemetall进行全球生产。
 
鉴于能减低车辆的重量，铝似乎能成为汽车制造中最佳选择，但是要成为真正畅销金属，要攻克怎样的难关呢？与钢铁相比，铝的高成本就是个问题。Ruffle 说：“但是，如果你把整个成本考虑进去的的话，比如重复利用率和污染等因素，那么铝在汽车行业的使用将具有极大地竞争优势。”
 
Scheps则更加乐观。他相信，Alcoa所面临的困难是生产足够多的产品，以应付汽车制造商的大胃口。在2014年1月，完成在洛瓦斥资3亿美元的铝板工厂，2013年8月在田纳西的汽车部门的建设破土动工。在过去的12个月里，诺贝丽斯和肯联铝业斥资数亿美元，生产用于汽车业的铝。
 
肯来铝业的Musy说：“我们相信，高级铝在汽车市场前景看好，具有长远发展潜力，而且我们的投资也助其一臂之力。”