楊鵬彥，王祝堂

(1.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401326; 2.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京 100814)

1 鋁材生產(chǎn)新技術(shù)

1.1 可將任何成分廢鋁轉(zhuǎn)化為高純鋁的新工藝

美國鋁業(yè)公司(Alcoa)于2020年研發(fā)出一種名為“阿斯特雷(ASTRAEA)”的新工藝，可以將任何廢鋁(如切碎的汽車廢鋁)轉(zhuǎn)化為PO101高純鋁。這是一種“神通”的廢鋁處理工藝，無論廢鋁成分如何都可以將其精煉至PO101級高純鋁，從而可以使大量難以有效利用的或降級使用的廢鋁都可以得到有效利用，創(chuàng)造了一個(gè)全新的價(jià)值鏈。用阿斯特雷法提取的PO101級高純鋁可以與純度較低的鋁混合，生產(chǎn)出成分符合標(biāo)準(zhǔn)的鋁及鋁合金，再加工成供各種工業(yè)部門使用的軋制材與擠壓材，甚至供航空工業(yè)用，從而大大拓寬了廢鋁的應(yīng)用范圍。美國鋁業(yè)公司作研究用的最初原料為低級的“佐爾巴(Zorba)”的切碎汽車廢鋁，由于成分復(fù)雜，過去沒有得到有效利用，有了“阿斯特雷(ASTRAEA)”新工藝，廢鋁的價(jià)值得到了充分發(fā)揮。

1.2 以O(shè)ptifine 5∶1 125細(xì)化劑處理ABS

在鋁及鋁合金材料生產(chǎn)過程中，向熔體中添加晶粒細(xì)化劑以細(xì)化錠坯組織是一道必不可少的工序，但在生產(chǎn)6×××系及7×××系鋁合金材料時(shí)往往會發(fā)生鋯中毒現(xiàn)象，同時(shí)用的AlTi5B1細(xì)化劑的細(xì)化效果也不穩(wěn)定。英國倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)(Brunel University London)、MQP公司和瑞典有關(guān)單位的科學(xué)家對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化劑進(jìn)行了長達(dá)數(shù)年的科學(xué)研究，克服了AlTi5B1細(xì)化劑的各種不足之處，推出了一種商標(biāo)名稱為Optifine 5∶1 125的新型細(xì)化劑，它也是一種AlTi5B1中間合金，但其細(xì)化效果比AlTi5B1標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化劑的好得多，只要添加相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化劑30%的量，就可以取得同等的細(xì)化效果。截至2020年，Optifine 5:1 125細(xì)化劑已在全世界約40個(gè)大鋁加工廠獲得應(yīng)用，都取得了預(yù)期的效果，特別對ABS(auto-body sheet，汽車車身薄板)與電動汽車鋁材生產(chǎn)大有好處[1]。

1.3 多家企業(yè)攻關(guān)電池外殼鋁合金沖制技術(shù)

據(jù)國內(nèi)媒體[2]報(bào)道，英國一些公司與機(jī)構(gòu)(肯聯(lián)鋁業(yè)公司、寶馬汽車公司、沃爾沃汽車公司、沃里克(Warwick)WMG大學(xué))聯(lián)合發(fā)起研究一個(gè)名為“利貝拉特(Liberate)”的研究項(xiàng)目，即用高強(qiáng)度鋁合金沖制下一代電動汽車和超低排放汽車的電池外殼。這種新外殼質(zhì)量應(yīng)比當(dāng)前用的輕30%以上，同時(shí)降低材料用量約60%。所用的制造工藝是沖壓技術(shù)公司(Impression Technologies)研發(fā)的HFQ技術(shù)，這是用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋁合金板沖制復(fù)雜形狀零件的工藝，能夠?qū)⒏邚?qiáng)度的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，從而有效地將質(zhì)量和成本降低與封裝效率結(jié)合起來。計(jì)劃2 a內(nèi)完成全尺寸外殼制造工作，并用于寶馬公司和沃爾沃汽車公司的新一代電動汽車。

2 新汽車鋁合金

2.1 肯聯(lián)公司的HSA6高強(qiáng)度汽車鋁合金

肯聯(lián)鋁業(yè)公司(Constellium N.V.)2017年推向市場的系列高強(qiáng)度HSA6鋁合金是為制造新一代汽車結(jié)構(gòu)件研發(fā)的[3]，已在汽車制造中獲得應(yīng)用，包括“微型鄉(xiāng)下人(Mini Countryman)”車。HSA6鋁合金擠壓材供制造防撞系統(tǒng)、汽車車身和電池托盤等。由于其強(qiáng)度高，與傳統(tǒng)鋁合金相比，所擠壓型材壁厚有較大減薄，因而使結(jié)構(gòu)件質(zhì)量下降量達(dá)15%～30%。由于新合金的抗拉強(qiáng)度大于400 MPa，構(gòu)件的抗撞能力得到提高，可以很好地保護(hù)電池系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和其他關(guān)鍵系統(tǒng)不受損害。HSA6鋁合金的強(qiáng)度比現(xiàn)行鋁合金的高15%～30%。

根據(jù)《杜克世界》(Ducker Worldwide)的報(bào)告，2020年汽車防撞系統(tǒng)對鋁合金擠壓材的需求比2015年的上升65%。為了滿足汽車工業(yè)對鋁合金擠壓材的需求，肯聯(lián)鋁業(yè)公司除歐洲的擠壓企業(yè)加緊生產(chǎn)外，在加拿大安大略省阿特萊克斯(Astrex)新建的鋁擠壓廠也已投產(chǎn)。

2.2 海德魯高強(qiáng)度HHS 400鋁合金

海德魯鋁業(yè)公司瑞典芬斯龐技術(shù)中心(Finsp?ng)于2019年研究成功一種牌號為HHS 400(Hydro high strength alloy)的鋁合金，用于制造汽車結(jié)構(gòu)。該合金主要用于加工厚度不大于3 mm的薄板，其屈服強(qiáng)度為370 MPa，抗拉強(qiáng)度大于400 MPa，伸長率為5%，有良好的成形性能與高的抗腐蝕性能。其另一個(gè)最大特點(diǎn)是，該合金完全可用現(xiàn)有的裝備加工制造零部件與復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，對減輕汽車質(zhì)量、降低溫室氣體排放、提高車的運(yùn)行安全性能都大有裨益。

2.3 汽缸新鋁合金

據(jù)德刊《Aluminium》報(bào)道[4]：意大利菲亞特汽車公司(Fiat)、美國克萊斯勒汽車公司(Chrysler)、美國梅西克坎(Mexican)發(fā)動機(jī)零件供應(yīng)商尼馬克公司(Nemak)、美國田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Tennessee′s Oak Ridge National Laboratory)的科學(xué)家研究成功一種制造汽缸體和缸蓋的鋁合金，具有優(yōu)秀的性能，耐熱溫度從現(xiàn)有鋁合金的390 ℃上升到572 ℃，提高了182 ℃，這可是跨越式發(fā)展。汽缸的運(yùn)行溫度越高，燃油經(jīng)濟(jì)性也越高，溫室氣體排放也就越少，菲亞特克萊斯勒汽車公司已用此新合金制造缸蓋。

內(nèi)燃機(jī)熱運(yùn)轉(zhuǎn)溫度一直是汽車制造者與車主關(guān)心的問題。因?yàn)槠走\(yùn)作溫度高，就意味著有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，更少的溫室氣體排放，更高的發(fā)動機(jī)熱效率，是一件一舉多得的大好事。菲亞特克萊斯勒汽車公司(FCA)和尼馬克公司表示，將繼續(xù)對新合金的成分和材料生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。

2.4 碰撞控制系統(tǒng)6×××系鋁合金的改進(jìn)

汽車碰撞控制系統(tǒng)(crash management systems)是用6×××系鋁合金制造的，該系統(tǒng)事關(guān)安全，所有零部件必須用性能可靠的鋁材制造，原車設(shè)備生產(chǎn)廠(OEMs)對材料的各項(xiàng)性能有著嚴(yán)格的要求。鋁加工廠生產(chǎn)的材料如何能更好地滿足原車設(shè)備生產(chǎn)廠的要求是鋁加工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

德國哈默厄鋁業(yè)擠壓公司(Hammerer Aluminium Industries Extrusion，HAI)是一家生產(chǎn)碰撞控制系統(tǒng)用6×××系鋁合金擠壓材的公司，多年來對影響合金性能的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，首先對配制合金的廢鋁、熱處理(淬火和時(shí)效)進(jìn)行了研究，要求合金有高的力學(xué)性能和沖擊性能(dynamic properties)；力學(xué)性能應(yīng)是熱穩(wěn)定的，不是短時(shí)穩(wěn)定，而是能長時(shí)間穩(wěn)定；抗腐蝕；有塑性變形能力；T4狀態(tài)性能穩(wěn)定；裝飾性能好。生產(chǎn)一種能同時(shí)滿足這些高要求的材料絕非易事。

為減少汽車的CO2排放，最基本的措施是降低車的自重，第一步就是提高材料的力學(xué)性能，第二步就是減少系統(tǒng)零件數(shù)和降低零件的自重，但整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能不能降低。通常，在指定的試驗(yàn)中，如果型材的變形是可控的，就說明這種材料是“抗碰撞的”?？古鲎蹭X合金在壓扁試驗(yàn)時(shí)不應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生撕裂和裂口，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在做這種試驗(yàn)時(shí)就會開裂。在壓扁試驗(yàn)時(shí)，力學(xué)性能高的鋁合金吸收的能量也大。強(qiáng)度高的材料有低的伸長率，因而有大的破裂傾向和低的抗碰撞性能。

研究表明[5]，影響抗碰撞合金的碰撞能力的主要因素：合金成分，擠壓模設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，擠壓溫度和擠壓速度，擠壓后的冷卻方法和冷卻速度，擠壓在線熱處理等。

?合金成分設(shè)計(jì)。碰撞合金的化學(xué)成分決定其顯微組織，材料的最終性能由其顯微組織決定。合金成分設(shè)計(jì)是決定材料強(qiáng)度、成形性、熱穩(wěn)定性、塑性和抗撞性極為關(guān)鍵的一步，成分定了，各種性能也就基本確定了。實(shí)踐證明，細(xì)小的纖維狀組織是防撞鋁合金理想的組織。防撞合金的化學(xué)成分見表1。

表1 OEM和HAI防撞鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of OEM and HAI anti-collision aluminum alloy(wt/%)

合金中的Si和Mg對材料的強(qiáng)度起著決定性作用，它們形成強(qiáng)化相β。Al-Mg-Si合金強(qiáng)化相的沉淀過程：SSSS→Mg、Si原子聚集紊亂成團(tuán)(cluster)/形成有規(guī)則的團(tuán)(co-cluster)→GP區(qū)→β″→β′→β(Mg2Si)。形成過飽和固溶體(SSSS, supersaturated solid solution status)才能產(chǎn)生大量的 β″相。粗大的Mg2Si相在鑄錠均勻化處理過程中會分解，但必須有足夠高的溫度和充分的保溫時(shí)間，才能形成細(xì)小的均勻分布的Mg2Si相。Mn和 Cr的化合物能阻礙合金擠壓時(shí)的再結(jié)晶，使擠壓的抗撞鋁合金型材具有沿?cái)D壓方向均勻的纖維狀組織。關(guān)于Cr對6082防撞鋁合金性能的影響可由圖1清晰地看出，在碰撞試驗(yàn)時(shí)，Cr含量低的合金會產(chǎn)生大量桔皮狀缺陷和裂紋。

?均勻化處理。6082鋁合金均勻化處理溫度490 ℃～560 ℃。均勻化溫度低，合金的彌散相密度更高些，但均勻化溫度低，處理時(shí)間長，經(jīng)濟(jì)上不合算，所以建議在530 ℃進(jìn)行均勻化處理。

?淬火冷卻速度。6082鋁合金是一種熱處理可強(qiáng)化的合金，淬火時(shí)必須達(dá)到一定的冷卻速度才能獲得所需要的組織和性能。幾種典型Al-Mg-Si合金的Mg2Si含量及所需的臨界冷卻速度見表2[5]。冷卻速度與冷卻介質(zhì)的關(guān)系見表3。6082鋁合金中w(Mg2Si)=0.96%～1.65%，最好用溫度約20 ℃的水或約100 ℃水進(jìn)行在線噴水淬火。

圖1 Cr對6082防撞鋁合金碰撞試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.1 Effect of Cr on the impact test of anti-collision 6082 aluminum alloy

表2 Al-Mg-Si合金的Mg2Si含量Table 2 Mg2Si content in Al-Mg-Si alloy

表3 不同冷卻條件的傳熱系數(shù)(W/(m2·K))Table 3 Heat transfer coefficient under different cooling conditions(W/(m2·K))

Mn和Cr是抗撞鋁合金必不可少的微合金化元素，可以形成微細(xì)的化合物質(zhì)點(diǎn)，提高抗撞能力；均勻化處理可以顯著提高合金的擠壓性能，經(jīng)合適的處理后，可以順利擠壓復(fù)雜截面型材；必須精心地選擇淬火介質(zhì)，既達(dá)到強(qiáng)化相的全部固溶又確保型材不扭歪，對淬火水的質(zhì)量不可忽視，確保型材有良好的表面。

2.5 新型高壓壓鑄汽車鋁合金

2022年，英國布魯內(nèi)爾大學(xué)(Brunel Niversity)材料學(xué)院科學(xué)家研制成一種主要用于高壓壓鑄汽車零件的新型高強(qiáng)度Al-Si-Mg-Mn系鑄造鋁合金，其屈服強(qiáng)度大于200 MPa，伸長率大于4%。將單相共晶體組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟M分相的多峰共晶組織，可以較多地提高鑄件的強(qiáng)度性能。鋁合金共晶區(qū)內(nèi)超細(xì)Si、Mg2Si相和含F(xiàn)e的多組分細(xì)小金屬間相可以有效地抑制鑄件內(nèi)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。鋁合金中的超細(xì)四元共晶相能抑制位錯(cuò)的擴(kuò)展和傳播，晶界上形成的α-AlFeMnSi相質(zhì)點(diǎn)可以進(jìn)一步提高鑄件的力學(xué)性能。超細(xì)共晶型鋁合金的塑性變形受α-Al晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)滑移控制，而屈服強(qiáng)度的提高受控于超細(xì)共晶體和α-Al晶粒之間的位錯(cuò)相互作用。因此，他們基于多組分超細(xì)二級相強(qiáng)化機(jī)理，研制出高強(qiáng)度壓鑄Al-Si-Mg-Mn合金，其顯微組織由初級α-Al、α-AlFeMnSi、二元共晶體(Al+Mg2Si)和超細(xì)四元(Al+Mg2Si+Si+7T-AlFeMnSiMg)共晶體組成。共晶體總含量為30%時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度為231 MPa，伸長率4.3%；若共晶體含量為50%，則屈服強(qiáng)度為281 MPa，而伸長率有所下降。

2.6 俄鋁與格朗吉斯合作研發(fā)以鋁代銅的新型汽車鋁合金

俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司與格朗吉斯鋁業(yè)公司2021年5月簽署了一份合作研發(fā)汽車鋁合金的協(xié)議，以取代目前應(yīng)用的銅合金。兩個(gè)公司共同研究了新合金成分、錠坯鑄造、板材軋制和熱處理工藝。按合作協(xié)議要求，研發(fā)的新合金應(yīng)具有市場潛力、競爭性價(jià)格優(yōu)勢和可操作性，以取代在市場上銷售的銅合金產(chǎn)品。

2.7 耐熱汽車鑄造鋁合金

一種耐熱的能承受熱和機(jī)械載荷作用的冷作硬化的鑄造鋁合金取得歐盟專利，專利號US 2012164021，化學(xué)成分：w(Si)=11.0%～12.0%，w(Mg)=0.7%～2.0%，w(Mn)=0.1%～1.0%，w(Sr)=(80～300)×10-8，w(Fe)≤1.0%，w(Cu)≤2.0%，w(Ni)≤2.0%，w(Co)≤1.0%，w(Zn)≤2.0%，w(Ti)≤0.25%，w(B)≤40×10-8，其余為Al。該合金用于壓鑄汽車缸體曲軸箱。

2.8 海德魯與極星聯(lián)合研發(fā)零碳鋁合金

2022年以來，海德魯鋁業(yè)公司與瑞典電動汽車制造企業(yè)―波爾斯塔汽車公司(Polestar)都在積極擴(kuò)大與推廣鋁在汽車中的應(yīng)用，以期早日實(shí)現(xiàn)氣候中性的汽車的普及，并于2022年2月末達(dá)成合作意向，聯(lián)合研發(fā)零碳鋁合金，以便2030年之前制造出真正的氣候中性汽車，這是波爾斯塔汽車公司的夙愿，也是人們期望的。氣候中性是指溫室氣體凈零排放，也就是說達(dá)到了碳中和。合作計(jì)劃是波爾斯塔公司“Polestar 0”項(xiàng)目的一部分。

海德魯鋁業(yè)公司是世界有名的低碳鋁提取者，挪威有充足的水電和風(fēng)電，所生產(chǎn)的“Hydro REDUX”鋁是用低碳的水電原鋁配料，但“Polestar 0”項(xiàng)目要求鋁材零碳足跡，這是全世界首個(gè)這樣的目標(biāo)。海德魯鋁業(yè)公司還在大力開發(fā)廢鋁閉環(huán)回收，對現(xiàn)有鋁電解廠進(jìn)行碳捕獲和儲存，在新建的鋁電解生產(chǎn)線中使用“Halzero”專利技術(shù)。聯(lián)合研發(fā)將探索哪種工藝最適合波爾斯塔汽車公司生產(chǎn)“polestar 0”汽車的原料。此外，還將研發(fā)汽車報(bào)廢后鋁回收熔煉的最佳工藝。

3 鋁材擴(kuò)大在汽車上的應(yīng)用

3.1 新版汽車用鋁路線圖面世

2022年1月30日，美國鋁業(yè)協(xié)會公司(The Aluminum Association，Inc.,AA)發(fā)布一個(gè)新的鋁技術(shù)路線圖—2022汽車用鋁技術(shù)路線圖，詳細(xì)說明了支持鋁產(chǎn)業(yè)汽車用戶的短期、中期和長期優(yōu)先研發(fā)項(xiàng)目，以推動鋁行業(yè)未來 10 a的創(chuàng)新，其目的是詳細(xì)說明未來10 a汽車用鋁的最佳解決工藝和方案，確定了若干條可持續(xù)前進(jìn)的路徑，包括優(yōu)化與汽車制造公司的合作、預(yù)測鋁合金性能的技術(shù)、整合零件以提高未來汽車設(shè)計(jì)效率的工藝及擴(kuò)大報(bào)廢汽車回收廢鋁的流程，以實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的制造生態(tài)系統(tǒng)與形成更高效的閉路鋁循環(huán)。協(xié)會與鋁業(yè)公司共同確定了優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的5個(gè)關(guān)鍵主題：設(shè)計(jì)工程的優(yōu)化，新合金研發(fā)與產(chǎn)品制備，未來車輛的發(fā)展與制造，新一代汽車鋁材的加工，汽車廢鋁的回收、再生與循環(huán)?？偰繕?biāo)：擴(kuò)大鋁在汽車中的應(yīng)用，降低溫室氣體排放，創(chuàng)造更加美好的未來，愿路上跑的都是碳中和的綠色車的美好愿景早日到來。

3.2 海德魯鋁業(yè)公司在胡斯內(nèi)斯廠生產(chǎn)鍛坯

鋁合金鍛件在汽車中占的比例很小，件數(shù)也不多，用的鍛件只不過十二三個(gè)，質(zhì)量還不到汽車總凈質(zhì)量的1.2%，但很重要，因?yàn)槎嗍莻鲃酉到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)件。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對鍛件的需求也會相應(yīng)地增加。為此，海德魯鋁業(yè)公司已投資 150 M NOK(挪威克朗)在胡斯內(nèi)斯(Hydro Husnes)鋁廠建一條鋁合金鍛坯生產(chǎn)線，已于2020年投產(chǎn)，采用低壓鑄造(Low pressure casting，LPC)工藝。過去鍛造坯料是用擠壓圓錠。低壓鑄造是一種先進(jìn)的鑄造工藝，鑄造的圓錠表面光滑，既不用車削扒皮，也不用均勻化，可直接送去鍛造，因?yàn)榈蛪鸿T造時(shí)，凝固著的錠表面與模型壁間無摩擦。新建的低壓圓錠鑄造線可以鑄造鍛坯，也可以生產(chǎn)擠壓用的圓錠，一舉兩得。鑄坯用于鍛造懸架臂和轉(zhuǎn)向節(jié)。改用鑄造坯料后，鍛件生產(chǎn)成本有所下降。胡斯內(nèi)斯鋁廠原鋁產(chǎn)能為210 kt/a[6]。

3.3 日本聯(lián)合鋁業(yè)公司在美國建汽車鋁合金擠壓材深加工項(xiàng)目

日本聯(lián)合鋁業(yè)公司(UACJ Corporation)于2021年在美國建兩個(gè)汽車鋁合金擠壓材深加工零部件項(xiàng)目，每月總生產(chǎn)能力700 t，由UACJ白廳工業(yè)公司(White hall industries，Inc.)負(fù)責(zé)建設(shè)，一個(gè)項(xiàng)目建在密歇根州盧丁頓(Ludington)，主要裝備：切削中心(machining centres)、激光加工機(jī)(laser-processing machines)，機(jī)器人(robots)、自動組裝設(shè)備；另一個(gè)項(xiàng)目建在亞利桑那州弗拉格斯塔夫(Flagstaff)，總投資33.3 M美元。加工：前后保險(xiǎn)杠，結(jié)構(gòu)件和擠壓罐(crush can)。近些年來，汽車工業(yè)面臨著雙碳達(dá)標(biāo)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，降低汽車自重乃當(dāng)務(wù)之急。降低自重的主要措施：改進(jìn)設(shè)計(jì)與采用輕質(zhì)材料制造零部件。鋁材是制造汽車性價(jià)比最好的輕質(zhì)材料。據(jù)UACJ公司的預(yù)測算，2015年美國汽車工業(yè)擠壓鋁材的用量為117 kt，2030年可達(dá)551 kt(圖2)。

圖2 美國汽車工業(yè)對擠壓鋁材的需求Fig.2 Demand for extruded aluminum in the U.S. auto industry

3.4 閉環(huán)的美洲虎：從I-Pace到I-Pace

美洲虎汽車公司(Jaguar Land Rover，JLR)2019年4月對外表示[6]： I-Pace型汽車是一種全鋁車，在生產(chǎn)下一代I-Pace車時(shí)，所用的鋁已實(shí)現(xiàn)了閉路循環(huán)，達(dá)到了從I-Pace到I-Pace，給了鋁以新的第二次生命。回收廠收到報(bào)廢車后，卸下車輪，拆掉一切還可用的儀表與物品后，將其破碎，采用高技術(shù)的阿克塞旺(Axion)傳感器精選出鋁，再復(fù)化與加工成汽車鋁材，用于制造新的I-Pace車。從2013年9月到2019年1月已將回收的約300 kt閉環(huán)廢鋁加工成了制造美洲虎汽車車身用的RC5754鋁合金板材，其再生鋁含量高達(dá)75%。 RC5754鋁合金板材是諾貝麗斯鋁業(yè)公司設(shè)在斯洛瓦基亞(Slovakia)的軋制廠生產(chǎn)的，汽車廢鋁從英國出發(fā)運(yùn)到斯洛瓦基亞加工成帶卷，再運(yùn)到英國美洲虎汽車公司制造汽車，這個(gè)循環(huán)鏈2014年開始形成。在循環(huán)鏈運(yùn)作過程中，英國布魯內(nèi)爾(Brunel)大學(xué)的科學(xué)家做了不少工作，在保證材料質(zhì)量方面起了很大作用。

3.5 美洲虎車身94%用鋁合金制造

2018年10月面世的美洲虎Jaguar I-Pace車的剛性車身骨架的94%是用諾貝麗斯鋁業(yè)公司(Novelis)的Advanz鋁材制造的，這是一種全鋁電動車，不但具有最大的輕量化，而且在其他各方面的設(shè)計(jì)與制造都達(dá)到了當(dāng)前Pace(領(lǐng)跑車)的最高水平，鋁化率也相當(dāng)高[7]，特別是車身的高剛性達(dá)到了極致。

美洲虎車用的鋁材不但性能上乘，而且再生鋁用量高，碳足跡也是最低的。自 2013年以來，諾貝麗斯鋁業(yè)公司就在英國拉奇福得(Latchford)建成了汽車鋁合金閉環(huán)回收再生項(xiàng)目，將回收的廢鋁再加工成汽車鋁板帶。Jaguar I-Pace車用的鋁板帶是設(shè)在瑞士的謝爾(Sierre)軋制廠和德國的納契斯特得特(Nachterstedt)軋制廠生產(chǎn)的，它們都是閉環(huán)鏈上的一環(huán)。

3.6 鴻海電動汽車聯(lián)盟

據(jù)2022年3月13日《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，已有約100家日本企業(yè)參與了中國臺灣省鴻海精密工業(yè)公司發(fā)起、組建與推動的電動汽車聯(lián)合研發(fā)制造項(xiàng)目。該聯(lián)合體力爭以委托加工方式生產(chǎn)電動汽車，包括對零部件規(guī)格實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化。一直以來，汽車零部件的供應(yīng)是由汽車制造公司牽頭的，鴻海汽車零部件聯(lián)合體主動向汽車公司供應(yīng)成品結(jié)構(gòu)件的供應(yīng)鏈模式，無疑對傳統(tǒng)供應(yīng)模式是一個(gè)挑戰(zhàn)。截至2022年3月上旬，參與鴻海電動汽車聯(lián)合體的企業(yè)已達(dá)2 200家，有汽車零配件企業(yè)如日本的電產(chǎn)公司和精工公司等，也有原材料和電機(jī)巨頭如旭化成公司、昭和電工公司、東芝公司，還有大汽車公司的下屬企業(yè)如本田公司的電裝公司、捷太格特汽車零部件公司、豐田通商公司等。

鴻海精密工業(yè)公司2020年10月對外公布了電動汽車研發(fā)計(jì)劃，通過聯(lián)合體聯(lián)合研發(fā)電動汽車車體和通信基礎(chǔ)設(shè)備。參與企業(yè)可以通過聯(lián)合體銷售各自的產(chǎn)品，自由分享設(shè)計(jì)信息。

據(jù)英國艾爾西汽車市場咨詢公司預(yù)測，2030年全球電動汽車銷量可達(dá)約3 300萬輛，為2021年的7倍。筆者估計(jì)，如果電動汽車的用鋁量按420 kg/輛匡算，那么僅此一項(xiàng)鋁的消費(fèi)量將達(dá)13 860 kt/a。日本的世界級公司如索尼和本田也參與了此聯(lián)合體，企業(yè)跨界進(jìn)入電動汽車行業(yè)的浪潮正在形成。

電動汽車零部件數(shù)量約比傳統(tǒng)燃油車的少45%，生產(chǎn)工序也更簡單。美國微軟公司和韓國三星公司也參與了鴻海公司的電動汽車研發(fā)項(xiàng)目?？梢哉J(rèn)為，這些跨界大企業(yè)的參與定會對汽車行業(yè)帶來結(jié)構(gòu)性的變化。如果能把電動汽車交給海鴻公司代工生產(chǎn)，即使自己沒有工廠，也可以銷售打上自己廠牌的電動汽車。水平分工模式正逐步在電動汽車行業(yè)形成，就如數(shù)字家電行業(yè)一樣，一些企業(yè)專注軟件研發(fā)，生產(chǎn)則交給其他企業(yè)。

3.7 全球最大汽車鋁板帶供應(yīng)商(諾貝麗斯)與汽車工業(yè)

諾貝麗斯鋁業(yè)公司是一家印度公司，因?yàn)槭怯《刃肋_(dá)爾科鋁業(yè)公司收購的，不是土生土長的印度公司，所以它的90%以上的業(yè)務(wù)都在北美洲、歐洲和東北亞地區(qū)的韓國和中國，是世界上最大的平軋鋁產(chǎn)品企業(yè)。2021年鋁板、帶、箔總生產(chǎn)能力約4 000 kt/a，但96%產(chǎn)品是通用技術(shù)用的，航空航天器、國防軍工裝備用的板帶材僅占約4%。

?諾貝麗斯鋁業(yè)公司鋁合金板材在車輛上的應(yīng)用見圖3。2021年全球有約120種車型使用諾貝麗斯的鋁合金板、帶材。

圖3 使用諾貝麗斯鋁業(yè)公司鋁材制造的汽車零部件展示圖Fig.3 Display of auto parts manufactured with aluminum materials of Novelis

?諾貝麗斯鋁業(yè)公司是汽車結(jié)構(gòu)和覆蓋件最大的鋁平軋產(chǎn)品供應(yīng)商，約占全球市場份額的55%，所占份額還有擴(kuò)大之勢，因?yàn)槠浒?、帶材的廢鋁含量在上升，是真正的綠色低碳產(chǎn)品。ABS是其最大單一產(chǎn)品，約占全球總產(chǎn)能的75%，達(dá)1 600 kt/a。

?諾貝麗斯鋁業(yè)公司通過在瑞士謝爾、德國納克特斯特德、美國的奧斯威戈、紐約州洛根和加拿大安大略省金斯頓的軋制廠供應(yīng)北美洲和歐洲市場。位于中國和韓國的諾貝麗斯工廠利用從歐洲供應(yīng)的帶卷加工ABS為亞洲市場服務(wù)，ABS用于制備發(fā)動機(jī)罩、后擋板、擋泥板、車門、車頂和其他結(jié)構(gòu)件。

?諾貝麗斯鋁業(yè)公司的板材也用于制造結(jié)構(gòu)件，如發(fā)動機(jī)支架、橫梁、耐碰撞車廂、外圍能量轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動裝置和軸模塊平臺。諾貝麗斯公司的汽車組合產(chǎn)品還有：合金材料、模型、潤滑油和專門為用戶設(shè)計(jì)的預(yù)處理。

?諾貝麗斯鋁業(yè)公司的客戶幾乎包括了世界的主要汽車制造企業(yè)，如奧迪、寶馬、克萊斯勒、法拉利、特斯拉、福特、通用、現(xiàn)代、捷豹、路虎、奔馳、保時(shí)捷、沃爾沃等等。與其中一些企業(yè)的合作已有四五十年。

?諾貝麗斯鋁業(yè)公司也是生產(chǎn)汽車熱交換器箔、薄板和釬焊板的領(lǐng)先企業(yè)，所生產(chǎn)的多層復(fù)合Novelis FusionTM薄板已獲得專利。

?第二代EV電池外殼 Novelis Advanzs 650合金。Novelis Advanzs 650合金是諾貝麗斯鋁業(yè)公司于2021年推出的一種高強(qiáng)度新合金，是為制造第二代電動汽車(EV)電池外殼研發(fā)的，用其薄板制造的第二代電池外殼質(zhì)量比鋼制的輕50%左右，比用傳統(tǒng)鋁合金板材制造的也更輕一些，因?yàn)樗懈叩膹?qiáng)度。另外，諾貝麗斯鋁業(yè)公司還推出了第二代輕型電動汽車電池外殼整體解決方案，是在第一代方案基礎(chǔ)上改用了創(chuàng)新的鋁合金材，并強(qiáng)化了設(shè)計(jì)，使電池外殼質(zhì)量有更大的下降，成本也有所減少，可輕松地與原裝設(shè)備制造廠(OEM)對接。該公司還開發(fā)出一套首創(chuàng)的用新材料制造外殼的工藝路線和設(shè)計(jì)指南，為外殼應(yīng)用領(lǐng)域指出了用材原則和具體方案，同時(shí)參考了一些最嚴(yán)格的全球熱失控要求。諾貝麗斯鋁業(yè)公司計(jì)劃在下一代外殼設(shè)計(jì)使用先進(jìn)的CTP電池封裝架構(gòu)，比傳統(tǒng)電池配置緊湊15%～20%，并且可減少零部件。

?諾貝麗斯AdvanzTM7UHS-s701鋁合金汽車板。諾貝麗斯鋁業(yè)公司2021年10月研制成功一種商標(biāo)為AdvanzTM7UHS-s701用于汽車工業(yè)的超高強(qiáng)度7×××鋁合金，合金的成分符合7075鋁合金的成分，材料厚度1 mm～4 mm，狀態(tài)為T6，屈服強(qiáng)度480 MPa～520 MPa，伸長率大于10%，用熱成形工藝制造零件。材料的力學(xué)性能比現(xiàn)行的6×××系鋁合金板的高不少。AdvanzTM7UHS-s701鋁合金是專為制造高強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與研究的，為結(jié)構(gòu)輕量化提供了比先進(jìn)高強(qiáng)度鋼更大的潛力。AdvanzTM7UHS-s701鋁合金有高的比強(qiáng)度、比能量吸收率和優(yōu)秀的熱成形性能，集強(qiáng)度高、抗撞性強(qiáng)和抗蝕性優(yōu)于一體，實(shí)現(xiàn)了這些性能之間的最佳平衡，是對于以強(qiáng)度為主要指標(biāo)的結(jié)構(gòu)件，如A柱、B柱、門梁以及其他各類結(jié)構(gòu)加固件實(shí)現(xiàn)輕量化最為理想的首選材料。現(xiàn)在諾貝麗斯鋁業(yè)公司正與特洛斯全球公司(TELOS Global )聯(lián)合開發(fā)該合金更優(yōu)秀的熱成形工藝。實(shí)際上早在2015年該公司制造出了Advan 7000超高強(qiáng)度汽車鋁合金，用于制造汽車安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件。

?諾貝麗斯與肯聯(lián)共促鋁在汽車中應(yīng)用。2020年9月諾貝麗斯鋁業(yè)公司與肯聯(lián)鋁業(yè)公司組建了一個(gè)名為“鋁勢力( Alumobility)”的聯(lián)合體，這是一個(gè)非營利組織，在原車設(shè)備生產(chǎn)廠(OEM)的資助下，促進(jìn)鋁材加工廠與下游技術(shù)企事業(yè)單位之間的合作，擴(kuò)大與推廣ABS(汽車車身鋁薄板)在汽車制造中的應(yīng)用，著眼于為汽車工業(yè)化解帶有普遍性與全局性的問題和面臨的挑戰(zhàn)，而不是專注于某個(gè)OEM。因此，該聯(lián)合體研究各種各樣的車，并利用各種研究手段和模擬技術(shù)，全面研究車身結(jié)構(gòu)及零部件，首個(gè)研究項(xiàng)目是將量產(chǎn)的C級多用途跑車(SUV)鋼車門改為鋁合金的，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行的輕量化解決方案。研究結(jié)果表明，鋁合金車門的質(zhì)量比鋼門輕45%。2021年秋完成的第二個(gè)研究項(xiàng)目是電動車的上部結(jié)構(gòu)，以確定鋁合金結(jié)構(gòu)對安全方面的作用。

?諾貝麗斯鋁業(yè)公司將在肯塔基州建汽車廢鋁回收廠。諾貝麗斯鋁業(yè)公司2022年1月11日宣稱，將投資 3.65億美元在肯塔基州古斯里(Guthrie)建一個(gè)240 kt/a的扁錠鑄造廠，全部用閉環(huán)回收汽車廠板材沖壓零件的邊角料熔鑄扁錠，軋成帶材再供汽車用，如此循環(huán)不已。此廠已開建，2024年投產(chǎn)。

4 結(jié)束語

2021年中國汽車產(chǎn)量2 608.2萬輛，銷售2 607.5萬輛，同比分別增長3.4%和3.8%，結(jié)束了自2018年以來連續(xù)下降趨勢。其中新能源汽車產(chǎn)銷分別達(dá)到354.5萬輛和352.1萬輛，同比增長均為1.6倍。在全球電動汽車生產(chǎn)中，中國的產(chǎn)銷量分別約占60%，中國已成為世界電動汽車生產(chǎn)與出口大國。中國電動汽車出口居世界首位，2021年出口50多萬輛，比上年度的增加2倍多，比德國、美國、日本的都多。德國出口約23萬輛，美國出口約11萬輛，日本出口2.74萬輛。盡管中國已成為電動汽車王國，但在鋁合金研發(fā)與生產(chǎn)方面與發(fā)達(dá)國家相比還有一些差距，希望本文提供的材料對縮短這種差距有所幫助。在電動汽車用材中，鋁材和鋁合金鑄件的用量已超過400 kg/輛，還有增加潛力。電池是電動汽車的“心臟”，希望在電池研發(fā)方面多下點(diǎn)功夫。