文/夏巨諶，鄧?yán)凇とA中科技大學(xué)

張運(yùn)軍·湖北三環(huán)鍛造有限公司

鋁合金的需求分析與鋁合金精鍛技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)（上）

文/夏巨諶，鄧?yán)凇とA中科技大學(xué)

張運(yùn)軍·湖北三環(huán)鍛造有限公司

鋁合金作為首選輕量化金屬材料，近年來(lái)，應(yīng)用已由航空航天領(lǐng)域“專屬范疇”逐漸轉(zhuǎn)向汽車和常規(guī)兵器零部件制造領(lǐng)域，且增長(zhǎng)速度不斷加快。與此同時(shí)，其精鍛技術(shù)裝備也在快速發(fā)展。

鋁合金的應(yīng)用及需求分析

隨著鋁產(chǎn)量不斷提高和汽車輕量化與能源及環(huán)保政策的變化，鋁合金鍛件的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，已經(jīng)由過(guò)去基本屬于航空航天領(lǐng)域的專業(yè)范疇擴(kuò)展到了許多民用工業(yè)部門和領(lǐng)域。汽車、高速列車、摩托車、高速艦艇、各類發(fā)動(dòng)機(jī)制造以及自行車等工業(yè)部門都在不斷地?cái)U(kuò)大鋁合金鍛件的使用范圍。

汽車及高鐵等交通運(yùn)輸車輛領(lǐng)域

表1 美國(guó)單臺(tái)汽車平均用鋁量

圖1 各國(guó)汽車用鋁量比較

與在航空航天領(lǐng)域發(fā)展呈現(xiàn)趨緩勢(shì)頭相反，鋁合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用一直不斷擴(kuò)大。無(wú)論是從零件種類還是所占比重，都在不斷升高。鋁合金作為汽車材料有許多優(yōu)點(diǎn)，在滿足相同機(jī)械性能的條件下，鋁合金比鋼減重60%；在汽車碰撞試驗(yàn)中，鋁合金比鋼多吸收50%的能量；而且鋁合金不需做防銹處理。

正是因?yàn)殇X合金的這些突出優(yōu)點(diǎn)，其在汽車材料所占比重逐年增加。以美國(guó)為例，在上世紀(jì)80年代，其轎車平均使用鋁合金為55kg，到上世紀(jì)90年代就已達(dá)到130kg；目前已接近150kg，占轎車總自重的12%以上，并且還在呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的勢(shì)頭（表1）。

圖1為2010年各國(guó)汽車用鋁量的比較。由此可見(jiàn)，我國(guó)在2010年汽車用鋁總消費(fèi)量為232萬(wàn)噸，成為全球汽車用鋁最多的國(guó)家。但是我國(guó)的單臺(tái)汽車用鋁量?jī)H為127kg，比美國(guó)低12%，比日本及德國(guó)約低13%，發(fā)展?jié)摿€很大。隨著汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，鋁合金在汽車上的應(yīng)用前景也會(huì)日益廣闊。

圖2 汽車用鋁合金鍛件

圖3 懸掛總成

美國(guó)通用汽車公司采用7021鋁板制造Saturn轎車保險(xiǎn)杠增強(qiáng)支架，福特汽車公司也采用7021鋁板制造Lincoln Town轎車的保險(xiǎn)杠增強(qiáng)支架。目前，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)部件中不僅活塞、散熱器、油底殼缸體采用鋁合金材料，而且缸蓋、曲軸箱也采用這種材料。德國(guó)大眾LuPo 3L TDI型轎車采用多種輕質(zhì)材料，其中1.2L發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋均采用鋁合金，這使得其總質(zhì)量?jī)H為830kg，與其他LuPo系列汽車相比減輕230kg。英國(guó)Roves的高精度鋁缸蓋鑄件，其質(zhì)量?jī)H是鑄鐵缸蓋的6%，切削量減少20%。德國(guó)奧迪A8型高級(jí)轎車的整個(gè)車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質(zhì)量減輕30%～50%，油耗減低5%～8%。日本本田公司生產(chǎn)的Insight hybrid轎車車身用鋁合金達(dá)162kg，比鋼車身減重約40%。奔馳公司新一代S系列轎車前橋拉桿和橫向?qū)П?、前橋整體支承結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，這種部件的質(zhì)量只有10.5kg，僅為鋼件的35%。

在鋁合金鍛件方面，由于其價(jià)格昂貴，目前尚未大范圍在汽車上推廣使用，只在歐美轎車上少量使用，僅占所有汽車鋁材總量的1.3%。但由于鍛造鋁合金具有比強(qiáng)度高、熱鍛時(shí)不氧化、表面光潔等優(yōu)點(diǎn)，在汽車上的應(yīng)用正在逐漸擴(kuò)大。在一些高級(jí)轎車，如奔馳S級(jí)、本田NSX車等的懸掛系統(tǒng)上已采用鋁合金鍛件。圖2為一些典型的汽車用鋁合金鍛件。相關(guān)資料顯示，在一些新開(kāi)發(fā)車型中，鋁及鋁合金材料在汽車總重所占比例呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。

鋁合金鍛件的生產(chǎn)及應(yīng)用在國(guó)際上是發(fā)展趨勢(shì)，大多數(shù)鍛件主要用于轎車和輕型車的底盤構(gòu)件，例如輪轂、傳動(dòng)軸、懸掛件、控制臂、左右拉桿、三角架、轉(zhuǎn)向節(jié)等（圖3），并開(kāi)始用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如連桿、活塞等，還有轎車鋁合金車門鉸鏈。

美國(guó)轎車制造每使用0.454kg的鋁合金等部件，汽車自身的質(zhì)量可下降1.021kg。美國(guó)汽車工業(yè)的用鋁量已占鋁全部消耗量的11%左右。1984年，小汽車用鋁量平均為62.14kg；1990年，增加到90.72kg；2003年，則增加到了115kg。現(xiàn)在，已有全鋁轎車車身構(gòu)架。

2015年，我國(guó)汽車產(chǎn)銷量為2460萬(wàn)輛，較2014年的增長(zhǎng)率約為4.8%，是近年來(lái)增幅最小的一年。2016年，我國(guó)汽車產(chǎn)銷量達(dá)2802.8萬(wàn)輛，較2015年其增長(zhǎng)率接近14%，未來(lái)幾年內(nèi)仍會(huì)以較高速度發(fā)展。其中，發(fā)展最快的將是新能源汽車，2009～2012年為1.7萬(wàn)輛，2013年為1.7萬(wàn)輛，2014年為8.4萬(wàn)輛，2015年為33.7萬(wàn)輛，2016年超過(guò)53萬(wàn)輛，產(chǎn)銷兩旺，居世界第一位。在“十三五”期間，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量計(jì)劃為500萬(wàn)輛，因此，到“十三五”末，即2020年時(shí)，我國(guó)汽車產(chǎn)銷量預(yù)計(jì)為3500萬(wàn)輛以上。目前，國(guó)產(chǎn)轎車鋁合金鍛件使用量較少，每輛轎車上使用的鋁合金鍛件僅5kg左右，若能將每輛汽車上鋁合金零件數(shù)量提高到10%，其需求與應(yīng)用前景將非常廣闊。

我國(guó)汽車尾氣排放已成為一種主要的空氣污染源，在幾大污染源中約占10%。汽車能耗約有60%消耗于自重，車重減輕100kg，每行駛100km其油耗可減少0.4L，可減少尾氣排放1kg。為節(jié)能減排和提高行駛速度，輕質(zhì)材料及其制造技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。圖4所示為2012年至2015年我國(guó)汽車產(chǎn)銷量的增長(zhǎng)速度及實(shí)現(xiàn)輕量化對(duì)節(jié)能減排的效果。

為實(shí)現(xiàn)高鐵和動(dòng)車的輕量化，不僅采用鋁合金制作一些車的內(nèi)部零件，甚至連車體，即骨架、底板、控制構(gòu)件及車身覆蓋件，幾乎全部采用鋁合金制作。到“十三五”末，即2020年時(shí)，我國(guó)高鐵線路總長(zhǎng)將到3萬(wàn)公里，所需動(dòng)車將超過(guò)8000列以上，所需鋁合金零部件數(shù)量巨大。

此外，防沖擋鋁構(gòu)件、全鋁散熱器都在普及與推廣。如將鋁材應(yīng)用在船舶上，其發(fā)展前景十分看好。船舶自身的輕量化不僅減輕了船體的質(zhì)量，增加了航行速度、續(xù)航能力和運(yùn)載能力，還可使船的結(jié)構(gòu)更加合理化，改善船體穩(wěn)定性與排水量及船寬的關(guān)系。由于鋁的耐蝕性好，與鋼相比，鋁制的船體不用涂漆，因而使保養(yǎng)和維修費(fèi)用大為減少。

圖4 2012～2015年我國(guó)汽車產(chǎn)銷量及節(jié)能減排效果示意圖

圖5 某型機(jī)匣體精密鍛件

軍工兵器領(lǐng)域

國(guó)內(nèi)外軍工兵器領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用鋁合金零件最多的是裝甲車、坦克、魚(yú)雷快艇及榴彈炮等，如國(guó)外某型105mm口徑的榴彈炮。在該炮上采用變形鋁合金制造的零件有大架、搖架、前座板、左右耳軸托架、瞄準(zhǔn)鏡支架、牽引桿、平衡機(jī)外筒等，炮的重量由3.7噸降至1.4噸。此外，還有采用鑄造鋁合金制造火炮底盤，托架及其他零件。國(guó)外某型坦克采用變形鋁合金制造裝甲車體、連桿底座、剎車盤、轉(zhuǎn)向節(jié)、履帶松緊裝置、誘導(dǎo)輪、負(fù)重輪、炮塔座圈、煙發(fā)射器、彈藥架、貯藏艙、油箱、座椅、管道等。此外，采用鑄造鋁合金制造坦克柴油機(jī)缸蓋、缸體、曲軸箱、活塞、壓氣機(jī)葉輪、壓氣機(jī)殼體，增壓箱體及傳動(dòng)軸等；在槍械中采用超硬鋁合金制造機(jī)匣體（圖5）、槍框緩沖座、擊發(fā)機(jī)座、槍尾閉式機(jī)匣尾端、三腳架、鍛造榴彈殼體、榴彈發(fā)射器（槍管）、火箭發(fā)射器（整流罩）等。特別是防彈性能好的鋁合金，其應(yīng)用前景更好。