鋁合金汽車板的生產(chǎn)技術(shù)及其發(fā)展趨勢

任月路，黃程毅

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西南南鋁航空交通鋁合金新材料與應(yīng)用研究院，廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南 寧530031)

1 國內(nèi)外鋁合金汽車板市場概況

1.1 鋁合金汽車板在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用

2021年1月至11月我國新能源汽車的銷量達(dá)到299萬輛，同比增長1.7倍。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展與電池、自動化控制、新材料等技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)，在電池技術(shù)尚未獲得重大突破情況下，車身輕量化依然是新能源汽車行業(yè)重要研究課題。鋁合金材料具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、回收率高等優(yōu)勢[1]。鋁合金鑄件應(yīng)用于發(fā)動機(jī)底盤系統(tǒng)已有百年歷史，但應(yīng)用于車身覆蓋件的鋁合金汽車板發(fā)展卻較為緩慢，2010年以前僅在某些高端車型(如奧迪A8)上有較多應(yīng)用。特斯拉公司作為新能源汽車的領(lǐng)軍企業(yè)，率先應(yīng)用全鋁車身，碳積分管理卓有成效。特斯拉在上海建設(shè)的超級工廠的投產(chǎn)也帶動了國內(nèi)新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，以蔚來為典型代表的全鋁車身新能源汽車銷售量一度搶眼。

1.2 鋁合金汽車板供應(yīng)現(xiàn)狀

早期美國鋁業(yè)(Alcoa)、奧肯鋁業(yè)(Alusuisse)、加拿大鋁業(yè)(Alcan)等著名鋁加工企業(yè)通過與汽車主機(jī)廠如利蘭汽車(Leyland)、福特(Ford)和捷豹路虎(Jaguar Land Rover)合作開發(fā)定制化鋁合金汽車板，實(shí)現(xiàn)獨(dú)家供應(yīng)[1]。隨著汽車輕量化需求和新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，以及汽車主機(jī)廠成本壓力，鋁合金汽車板技術(shù)要求有標(biāo)準(zhǔn)化趨勢，例如歐洲VDA標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了鋁合金汽車板技術(shù)指標(biāo)。目前全球最大的鋁合金汽車板供應(yīng)商諾貝麗斯(Novelis)公司通過新增、并購等方式，2020年其位于北美、歐洲、亞洲工廠的全部產(chǎn)能達(dá)到100萬t/a。過去十年期間，國內(nèi)紛紛投資建設(shè)鋁合金汽車生產(chǎn)線，受市場和技術(shù)限制，近幾年才開始逐漸量產(chǎn)。2020年國產(chǎn)鋁合金汽車板供應(yīng)商包括南山鋁業(yè)、南南鋁、中鋁瑞閩、忠旺集團(tuán)等公司產(chǎn)能總和約40萬t，2022年預(yù)計(jì)新增產(chǎn)能12萬t。目前國內(nèi)外鋁合金汽車板產(chǎn)能仍在穩(wěn)步擴(kuò)展，供需尚未達(dá)到平衡狀態(tài)。

2 鋁合金汽車板生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備瓶頸

6×××系鋁合金汽車板主要合金牌號包括6016、6014、6022等，是目前應(yīng)用于車身外覆蓋件的主要鋁合金。汽車板對綜合性能、表面質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定性要求高。目前主流的鋁合金汽車板生產(chǎn)工藝流程較為復(fù)雜，包含熔鑄—均熱—機(jī)加工—熱軋—冷軋—連續(xù)熱處理幾大工序。6×××系鋁合金汽車板需要具備良好沖壓成形及翻邊性能，抗自然時效穩(wěn)定性，烤漆強(qiáng)度增量良好，材料沖壓后表面不能出現(xiàn)羅平線。要滿足汽車主機(jī)廠對汽車板的特殊性能要求不僅需要質(zhì)量合格的冷軋坯料，還需要專門的熱處理技術(shù)和生產(chǎn)裝備。鋁合金汽車板產(chǎn)能主要受限于該熱處理技術(shù)和設(shè)備，見圖1。

圖1 汽車板生產(chǎn)工藝及關(guān)鍵技術(shù)[6]

2.1 主要生產(chǎn)工藝流程

主流汽車板生產(chǎn)工藝：半連續(xù)鑄造法(direct chill casting，DC)生產(chǎn)大規(guī)格扁錠→鋸切頭尾→銑削表面→加熱→在大型寬幅熱軋機(jī)組高溫軋制→卷坯→冷軋加工至成品厚度→用汽車板專用熱處理設(shè)備氣墊式連續(xù)熱處理爐進(jìn)行熱處理。如需要調(diào)控材料顯微組織及晶粒度，可在冷軋道次中增加中間退火工序。

2.2 熱處理瓶頸工序

氣墊式連續(xù)熱處理爐是生產(chǎn)6×××系鋁合金汽車板的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備的核心單元是氣墊式淬火熱處理裝置和預(yù)時效熱處理裝置，輔助單元有開卷、縫合、清洗、活套、拉矯、卷取等設(shè)備。廣義的氣墊爐設(shè)備還集成了表面預(yù)處理裝置，可以依據(jù)寶馬、大眾、豐田、本田、特斯拉等汽車主機(jī)廠后續(xù)沖壓、焊接、烤漆等工藝要求，定制化去除鋁材料表面氧化層，通過化學(xué)藥劑形成表面轉(zhuǎn)化膜，并在材料表面涂覆保護(hù)油品。6×××系鋁合金汽車板在高溫?zé)崽幚頃r強(qiáng)度低、表面易擦傷、溫度敏感性高。氣墊式連續(xù)熱處理生產(chǎn)線憑借溫控精度好、生產(chǎn)效率高、表面質(zhì)量優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)成為汽車板熱處理生產(chǎn)工藝的首選方式[2]。該設(shè)備的核心單元?dú)鈮|式連續(xù)熱處理爐一直被EBNER等國外公司壟斷，東北大學(xué)對氣墊式漂浮技術(shù)、控制系統(tǒng)等開展研究[3-5]，正在廣西南寧建設(shè)國產(chǎn)首臺套該類設(shè)備，計(jì)劃于2022年8月在廣西南南鋁加工有限公司投產(chǎn)。

2.3 降成本工藝路線探討

為了降低生產(chǎn)成本、提高效率，鋁加工行業(yè)也在探討連鑄連軋法(continuous casting，CC)生產(chǎn)鋁合金汽車板可行性。該方法是在連續(xù)鑄造機(jī)后面配置熱軋機(jī)，連續(xù)鑄造板坯在還沒有冷卻到再結(jié)晶溫度以下時就在熱軋機(jī)軋制變形[7]。美國聯(lián)邦鋁業(yè)研究確認(rèn)，CC法生產(chǎn)的5754鋁合金在力學(xué)性能、耐蝕性能、焊接性能、成形性能等方面均能達(dá)到汽車公司的要求[8]。2017年中國金屬學(xué)會舉辦“全國薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)技術(shù)研討會”，會議重點(diǎn)交流我國薄板坯連鑄連軋技術(shù)及薄帶鑄軋技術(shù)。寶武鋼鐵集團(tuán)薄板坯連鑄連軋短流程生產(chǎn)的QStE340TM、QStE420TM、DP600、DP780、HF1500等產(chǎn)品在北汽、廣汽等不同車型已有應(yīng)用。但連鑄連軋法生產(chǎn)6×××系鋁合金汽車板冷軋坯料仍存在較多尚待解決的技術(shù)難題，包括組織均勻性控制、板形控制、表面質(zhì)量控制、多機(jī)架設(shè)備自動化聯(lián)動控制等，需要將設(shè)備、工藝、材料相結(jié)合開展綜合研究開發(fā)，以盡快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

3 低碳鋁合金汽車板

2021年5月國家生態(tài)環(huán)境部組織制定和發(fā)布了關(guān)于碳排放權(quán)登記、交易和結(jié)算等一系列試行管理規(guī)則。盡管汽車業(yè)還未直接納入碳交易，但碳交易的建設(shè)和落地卻與汽車行業(yè)緊密相關(guān)。整車企業(yè)屬于制造型企業(yè)，依賴上游零部件企業(yè)和物流運(yùn)輸業(yè)務(wù)，又直接對接客戶端，需要承擔(dān)更大的碳減排責(zé)任。整車企業(yè)將會向供應(yīng)商增設(shè)碳排放指標(biāo)要求，促進(jìn)零部件制造過程實(shí)現(xiàn)更多減碳。鋁工業(yè)碳排放最大生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括氧化鋁冶煉和原生鋁電解，排放量分別約占總排放量的9%和88%。低碳電解鋁的減排途徑包括使用可再生能源和低碳電解技術(shù)。低碳鋁合金的減排途徑包括使用可再生能源、優(yōu)化工藝設(shè)備降低能耗、添加再生鋁三種。

3.1 可再生能源低碳鋁

我國電解鋁產(chǎn)能達(dá)4857萬t/a，其中清潔能源產(chǎn)能總占比為20.3%，水電產(chǎn)能又占清潔能源產(chǎn)能90.1%，主要集中在水電資源豐富的云南、四川[9]。以中鋁集團(tuán)旗下云南鋁業(yè)公司為代表，水電電解鋁產(chǎn)能超過200萬t/a，碳排放低至3 kg CO2/(kg Al)。2021年阿聯(lián)酋聯(lián)合鋁業(yè)公司(Emirates Global Aluminium，EGA)使用太陽能發(fā)電生產(chǎn)電解鋁，并向?qū)汃R集團(tuán)供應(yīng)CelestiAL綠色鋁產(chǎn)品，使寶馬集團(tuán)每年“間接”減少22.2萬t碳排放。2020年冰島世紀(jì)鋁業(yè)公司(Century Aluminum)使用水電和地?zé)岚l(fā)電生產(chǎn)電解鋁，向奧地利Hammerer鋁業(yè)公司(HAI)供應(yīng)15萬t Natur-Al鋁產(chǎn)品。

3.2 無碳冶煉技術(shù)

2018年5月美鋁(Alcoa)和力拓(RioTinto)公司宣布一項(xiàng)無碳鋁冶煉工藝(惰性陽極ElysisTM 技術(shù))，碳排放總量低于4 kg CO2/(kg Al)。2017年11月，俄鋁(Rusal)公司推出低碳鋁品牌“ALLOW”碳排放為2.5 kg CO2/(kg Al)。2020年6月，俄鋁開始進(jìn)行新型惰性陽極工業(yè)實(shí)驗(yàn)，降低碳排放到創(chuàng)紀(jì)錄的2 kg CO2/(kg Al)。挪威海德魯鋁業(yè)公司計(jì)劃在2030年通過自身研發(fā)的HalZero零碳電解技術(shù)，碳捕集和封存(CCS)技術(shù)，以及消費(fèi)端廢鋁分選使用技術(shù)實(shí)現(xiàn)零排放。我國的碳陽極產(chǎn)品質(zhì)量仍存在較大優(yōu)化提升空間[9]，可以進(jìn)一步降低電解鋁能耗，減少排放。

3.3 廢鋁回收再生汽車板

隨著鋁合金汽車板使用量逐年增加，國家碳排放政策要求落地，國際碳交易市場加速對接，再生鋁合金汽車板也成為汽車行業(yè)和鋁加工企業(yè)共同探討的課題。關(guān)于汽車用再生鋁壓鑄件研究很多，市場回收的廢鋁因?yàn)槌煞州^為復(fù)雜，雜質(zhì)含量多，更適用于對耐壓耐磨有較高要求的鋁壓鑄件，使用回收廢鋁生產(chǎn)壓鑄件的技術(shù)難題主要在于熔體凈化[11-13]。車身沖壓用鋁合金汽車板對綜合性能要求高，因此對回收鋁的要求相應(yīng)有所提升。根據(jù)零件形狀和材料沖壓成形能力，汽車板坯料沖壓成品率一般為40%～60%，沖壓邊角料清潔度較高，易收集運(yùn)輸，回收后用于鋁合金汽車板尤其外板生產(chǎn)具有較高技術(shù)可行性，在收集廢料過程中如能做到合金系列分類，則廢料價值更高[14-16]。對于市場消費(fèi)端廢鋁例如易拉罐、鋁線、建筑型材以及連接鋼鐵等其他金屬或非金屬的廢鋁，應(yīng)做好拆解分類，必要時需要通過重熔精煉過濾去除雜質(zhì)，才能將純度較高的再生鋁錠用于鋁合金汽車板的生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

新能源汽車行業(yè)用鋁需求增長加速國內(nèi)鋁合金汽車板產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國內(nèi)鋁合金汽車板技術(shù)成熟度明顯提升，產(chǎn)品質(zhì)量可以與進(jìn)口汽車板的相媲美，已實(shí)現(xiàn)部分替代進(jìn)口。隨著新能源汽車產(chǎn)能擴(kuò)張及用鋁材需求的進(jìn)一步增長，鋁加工行業(yè)需要推進(jìn)關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備氣墊式連續(xù)熱處理爐的國產(chǎn)化應(yīng)用，同時在碳排放政策背景要求下，需要加快再生鋁合金汽車板的研發(fā)試制和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)車身用鋁的循環(huán)利用，達(dá)到汽車全生命周期節(jié)能減排的目的。