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蔣海燕:汽車用輕合金材料的發展現狀與趨勢

   2021-10-18 3210
導讀

由中國汽車工業協會、重慶兩江新區管理委員會聯合主辦的“2021中國汽車供應鏈大會”在重慶舉辦,長安汽車、地平線作為官方合作伙伴全力支持本次大會。本屆供應鏈大會主題為“補短鑄長、融合創新——構建中國汽車供應

由中國汽車工業協會、重慶兩江新區管理委員會聯合主辦的“2021中國汽車供應鏈大會”在重慶舉辦,長安汽車、地平線作為官方合作伙伴全力支持本次大會。本屆供應鏈大會主題為“補短鑄長、融合創新——構建中國汽車供應鏈新生態”,共同探討產業政策,交流分享技術,研判產業趨勢,展示創新成果,旨在促進產業國內國際互動,凝聚產業鏈條上下齊心,共謀產業協同發展之路。其中,在10月16日上午舉辦的主題論壇“汽車材料新動態”上,上海交通大學研究員、輕合金精密成型國家工程研究中心副主任蔣海燕發表精彩演講。 




我是來自上海交通大學的蔣海燕,我代表丁院士團隊做“汽車用輕合金材料的發展現狀與趨勢”的報告。


首先我代表丁院士對新材料分會的成立表示熱烈的祝賀。接下來匯報輕合金材料,包括鋁合金和鎂合金。


一、研究背景


下面看一下背景情況,我國汽車年銷售量逐年遞增,最新的數據。2017年我國汽車產銷分別完成2901.5萬輛和2887.9萬輛,連續9年居世界第一。


汽車工業的快速發展,使得能源與環境矛盾日益突出,輕量化戰略成為汽車行業研究熱點。輕量化是研究和解決環保問題的必然選擇。


世界主流汽車廠的輕量化戰略,為鋁合金,鎂合金輕合金材料提供了契機。輕量化在這方面主要的思想:以鋁代鋼、以鎂代鋼,或者以鑄代鍛。以前比如壓鑄機的噸位不夠,很多尺寸大的零件是制造不出來的,隨著技術的進步,從以前比較小的鋁合金零件,只能承受外觀件或者內飾件的零件,都向承構件轉變了。


汽車中有各大系統,目前在車身系統中的輕量化,用鋁合金、鎂合金的量還是最少的,所以車身采用鋁合金和鎂合金的量還是巨大的。車身工藝還是用鍛造或者沖壓工藝為主。


車身有一個典型的零件叫做減震塔,現在用的是一體壓鑄,目前在市面上比較成熟的像減震塔類似的零件,都是采用比較成熟的牌號,比如說-36合金,最先進的工藝采用真空壓鑄然后是后續熱處理。這是目前現有的水平。


現有的工藝還存在一些缺陷,不完美的地方。比如說采用真空壓鑄需要真空抽氣,它和壓鑄之間的協調、匹配還是不完美,這就造成成本的增加。另外后續的熱處理也會造成變形,特別是對大尺寸的零件來說,變形量還是比較嚴重的,這是目前工藝和材料不足的地方。解決途徑:盡量讓材料簡單化、工藝簡單化,越簡單越好。解決思路:是否能夠開發不用熱處理的合金。


二、鋁合金


下面介紹一下上海交通大學在鋁合金方面做的一些成果。


1、高強韌自強化壓鑄鋁合金(JDA1)。不用熱處理,通過自然條件就可以強化。解決了普通的材料,在制造過程中還要抽真空,之后要熱處理的問題,所以把這兩項都解決了。這種材料不需要熱處理,常規壓鑄之后自然時效。簡單介紹一下它的機理,自然時效條件下3-4天達到穩定。JDA1鋁合金有一個典型的運用,在凱迪拉克上的運用,為美國通用定制開發的一款材料。這款材料現在也在美國通用的采購目錄里面。JDA1號鋁合金我們也進行了測試。1號鋁合金在正常載荷下,我們乘以1.2的系數沒有開裂,我們再乘以1.2,一共乘了4次還是沒有開裂,它的疲勞性能比現有材料的性能翻了一倍。另外某公司在電池箱側板上也進行了運用,體現大尺寸,不需要熱處理就解決了變形的問題,這是一個例子。


2、高韌性非熱處理壓鑄鋁合金(JDA2a)。我們除了研發了1號鋁合金,還開發了2號鋁合金,使用的對象不同,所以元素體系也不同。1號鋁合金是鋁硅性系,2號鋁合金是鋁鎂性系,是針對不同的產品來開發的。2號鋁合金它的一些特點,特殊的處理使得晶粒更加細小。典型應用:1、某車企汽車鋁合金減震塔。這種減震塔減重效果在30%以上。2、駕駛上的門鎖也是用2號鋁合金來做的,2號鋁合金B和2號鋁合金A有稍微的改型。3、副車架的應用。這個項目在9月份已經通過了科技部的驗收。這里列出了1號鋁合金和2號鋁合金與常規材料的對比。我們不只是開發了1、2號鋁合金,其實是開發了二三十種鋁合金,只不過1、2號鋁合金成熟度比較高,應用比較廣,能夠到市場上去發揮作用,我們還有3、4號鋁合金,目前成熟度也在六、七級,小批量的試制,后面這些現在還沒有成型,還沒有完全成熟,所以還沒有完全排上號,比如說對高危性能要求比較高的鋁合金,高腐蝕性的場景我們也有相應的排號。這是腳踏總成,這是制造過程中的一些模擬。


三、鎂合金


鎂合金比鋁合金還要輕,密度是1.8,在汽車上運用主要是減重,是屬于比較輕的金屬材料。鎂合金還有一個特點它的吸振性比較好,電磁屏蔽、容易回收,它的阻力性比較好,資源比較豐富。我國鎂礦的資源占全球的大部分,國內多,國外少,像稀土資源一樣。鎂合金有很多的應用場合,這些地方都可以用鎂合金制造零件,但是為什么目前沒有這么多應用呢,是因為鎂合金制造的附加成本比較高,最終的產品成本也是比較高,所以價格限制了使用,但是我們作為技術人員來說,我們會開發新的工藝,開發新的材料,努力降低它的成本,讓它達到鋁合金這樣的水平。實際上鋁合金和鎂合金錠在原材料方面都是差不多的。


這個是汽車上用到鎂合金的一些典型的零件,儀表盤,這些都是用壓鑄生產的,因為汽車生產量比較大,只能用壓鑄工藝才能滿足大批量生產的需求。這是汽車上的座椅,實際上鎂合金的飛機和火車上的座椅已經比較多了,汽車上還比較少,特別是德國大部分是用鎂合金做的。這是早期做的變速箱殼體,這是上汽大眾,在2008年上海工博會上展出了,這是鎂合金焊的新能源車。


鎂合金因為輕,資源多,減重效果比較好,所以它未來肯定是有巨大潛力的金屬材料。現在由于價格等其他元素的問題,還沒有廣泛的運用,所以我們也希望有實力的企業在這方面加大投入,推動鎂合金的發展。鎂合金除了在汽車上,實際上目前來說在軍工方面運用得比較多,我們交通大學在軍工上做了很多鎂合金的產品,實際上鋁合金的產品和鎂合金的產品開發是一樣的,我們現在有幾款鎂合金,只不過沒有成熟的用在汽車領域,而是用在其他領域。


結束語:第一,汽車輕量化為輕質材料的研發與應用提供了強勁動力。有需求我們才有研究的目標,才有研究的動力。


第二,國內外對高強韌,和輕合金的開發取得了很多的成果,后面的路還很長。


第三,材料研發與應用是一個“順性而為,持之以恒”的工作,不是一蹴而就的,所以大家對輕量化的合金要有一些耐心,更要有信心。


第四,新型鋁、鎂合金與工藝相結合,并展示了極大的應用前景。所以一般材料和工藝要相匹配,材料開發是一方面,工藝的改進提高也是另外一方面,比如說現在隨著壓鑄機噸位的不斷增加,做大型的壓鑄件成為了可能,以前是不敢想的,將來有一天一臺壓鑄機可以壓鑄一個車的整型,這也是有可能的。


 
(文/小編)
 
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