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铝的商业化生产与汽车的诞生在同一年,从此,它们就结下了不懈之缘,难舍难分,互相促进;汽车工业的发展促进了铝工业的发展,反之亦然。1886年美国大学生霍尔(Charles Martin Hall)与法国大学生埃罗(Paul-Louis Heroalt)几乎同时在大洋彼岸独立发明铝的熔盐电解法提取工艺,至今全球生产的铝都是按他们的原理制备的。1886年,卡尔·奔驰发明世界第一辆不用马拉的三轮车,拉开了当今文明世界的序幕;1889年世界
世博会展出德国奔驰公司制造的世界首辆汽油发动的汽车,宣告汽车时代的到来。
1897年克拉克(Clark)三轮车和1898年问世的德·丁昂·布顿(De Dion Bouton)汽车的曲柄箱是用铝制的,开创了铝在汽车中应用的先河。1901年第二届纽约汽车展上出现了一批铝制汽车零配件,有的汽车车身已用铝代替了
木材。1903年戈登·贝内思·纳皮尔(Gordon Beneth Napier)汽车采用铝汽车柱。1904年问世的兰彻斯特车(Lanchester)的后轴架由
铝合金铸造。
1923年英国著名的汽车设计师布波美罗(L.H.Pormeroy)设计的一款汽车,用了相当多的铝
合金零部件,其自身质量仅相当于标准汽车的三分之二。上世纪30年代由于
钢材价格比铝价格低得多,能源充裕,铝在汽车中的应用进程放缓。第二次世界大战期间,铝是一种军需战略物资,铝在民用方面的应用受到限制;同时,由于飞机制造及其他军工产品需求的增加,铝工业得到迅猛发展,特别是美国铝工业的发展尤为突出,这时80%以上的铝都用于制造飞机及其他军工产品。战后,铝在汽车中的应用又开始受到重视,同时铝由买方市场转为卖方市场,铝业公司开始寻求铝的应用新领域,极力扩大铝的应用范围,铝在汽车中的应用领域越来越广。20世纪70年代,汽车开始使用铝保险杠、进气歧管、发动机头、发动机缸体、
散热器、传统系统零件和轮毂等。
上世纪60年代,每辆汽车的平均用铝量为27.2千克,到90年代中期,平均含量上升到113千克,约占车自身质量的8%。2005年美国轿车每使用一磅(0.454千克)铝制零件,车的自身质量可下降1.021千克;目前,美国汽车工业的用铝量已占美国全部铝消费量的11.5%强。21世纪初,德国推出了全铝的奥迪A8车,是铝含量最多的小轿车,每辆用铝550千克;美国福特汽车公司的AIV车的车身也是全铝的。所谓全铝轿车,是指在目前的设计、制造技术条件下,可用铝合金制造的零部件都已铝化,而汽车的价格是合理的,可以承受的,可进行商业化批量生产,各项性能全面提升。由于
真空钎焊技术的发展,1986年美国生产的轿车有一半装上了铝散热器,2008年的铝化率已超过80%;因为铝的价格比铜低,铝散热器的质量又比铜轻50%。
一、汽车轻量化是发展方向
汽车、轨道车辆、飞机、船舶是当代社会人类赖以生产和发展的四大交通运输工具,它们一方面为人类文明与社会进步作出巨大贡献,另一方面又排放大量温室气体,制造污染,破坏生态环境。因此,汽车工业的发展面临着三大问题,即三大挑战:节约能源,保护环境,提高安全、舒适、美观性。汽车性能的改善除在设计方面加以改进外,最主要的是采用轻质
新材料取代钢材、
铸铁、重
有色金属制造的零部件,加速汽车轻量化进程,因为在设计方面的减重潜力不居首位,而可用的新材料有铝、镁、钛、高
强度钢、
复合材料等。
实践证明,尽量多地采用铝是解决汽车轻量化最有效与最佳的途径。铝有明显的减重效果和显著的节能效果,可大幅度减少温室气体与其他有害气体的排放,还能提高车的平衡性、乘坐舒适和安全性。采用镁制零部件的节能减排效果虽然比铝大,但铝的综合性能与性价比仍比镁大与优越。所以,在汽车制造中镁在可预见的时间内还不可能较多地替代铝。
美国曾一次又一次地颁布汽车的能效指标,2010年初美国能源部制订了小轿车新的能效标准,要求其燃油效率达到6.9升/100公里(在标准公路上行驶)。小轿车在标准公路上行驶时,车的自身质量消耗的能源占85%左右,这充分说明汽车轻量化的重要性与迫切性,也说明铝在汽车制造中有着巨大的市场潜力。
二、汽车产量持续调整攀升
铝在北美生产的轿车与卡车中的应用以曾所未有的速度增加。2009年汽车的
轻金属用量占其自身质量的8.6%,而1990年仅为5.1%,到2020年可达11%。2009年轻型汽车的平均自身质量为1448千克,其中铝含量占7.8%,按每辆车的年平均增长率2.3千克计算,到2020年全世界汽车的平均用铝量可达1 36千克/辆。
北美是小轿车与轻型卡车用铝量的世界先锋,2008年约有50款车的铝含量超过其自身质量的10%。本田(Honda)和宝马(BMW)用铝量最多,每辆车的平均铝含量超过154千克。自2006年以来,通用汽车公司(GM)、丰田汽车公司(Toyota)、现代汽车公司(Hyundai)和大众汽车公司(Volkswagen)也增加了在北美销售的轿车铝含量。
全世界其他地区与国家生产的轻型汽车的铝含量也在不断攀升,特别是欧洲与日本,据杜克公司(Duker)估计,有67款汽车(欧洲49款、日本1 8款)的轻
金属含量为182千克/辆,中国汽车的用铝量也在快速上升,杜克公司预计2020年中国汽车工业的用铝量将超过日本。2008年日本汽车工业的用铝量约170万吨,2009年约116万吨。据笔者预测2015年日本汽车的铝消费量可达190万吨,同年中国汽车工业的用铝量可在250万吨左右(含出口铝合金零部件),远超过日本。
通常,汽车工业用铝的结构如下:
铸件及
压铸件80%,其中
压铸件占71.5%;
轧制材9.7%;
挤压材9.2%;
锻件1.1%。国家不同,汽车产品的结构也会不同,用铝结构也会略有不同。总体来说,铸造产品占80%,用加工
铝材制造的零部件只不过约占20%。不过随着用铝量的增加,加工材用量的增长速度会稍大于
铸造铝合金。
汽车工业是中国的支柱产业之一,正在高速持续发展。2000年汽车总产量为207万辆,2009年为1371.9万辆,这9年的年平均增长率是24%,成为世界产销第一大国;自此以后,第一大国的局面不可逆转的,2010年产量可达1600万辆,2015年可达3300万辆。汽车用铝量中国尚无权威组织作过统计、发表过翔实数据,笔者估算,2009年用量约160万吨,含出口零部件的用铝量,如轮毂等;2009年轮毂的用铝量约60万吨,其中出口约31万吨。今后一段相当长的时间内,中国汽车用铝量的年平均增长率将大于汽车本身的增长率1.5个百分点,因为单台车铝含量增长率更快一些。2010年中国汽车用铝量会超过450万吨(含出口铝制零部件),这是指汽车的净用铝量,如果按采购的铝材及生产的铸件、压铸件的
毛料计算,用铝量应该超过530万吨。
2009年中国汽车消费的160万吨铝中,加工铝材的用量约32万吨;2015年中国预计加工汽车铝材用铝量约97万吨,其中
平板带材约495600吨、挤压材463200吨、锻件11200吨,不但量大,而且是高品质高技术产品,属铝材中的“精英”,既要求有良好的冶金组织与优秀的综合性能,又必须达到极为严格的尺寸偏差,适合于高速自动化线的生产与组装。
我们知道,凡是世界上大的铝业公司,不管是跨国的还是非跨国的,只要本国的汽车产量大,都把汽车铝材视为高技术高附加值产品,成立了汽车铝材部或组建了汽车铝材中心,如美国铝业公司、加拿大铝业公司(力拓加铝公司)、诺威力铝业公司、海德鲁铝业公司、萨帕铝业公司以及日本的神户钢铁公司、古河铝业公司与日本轻金属公司等,由中心负责汽车加工铝材的研究、开发、生产与技术服务。
中国已凌世界汽车产销量绝顶,很快也会成为全球汽车铝材用量大国,可是中国至今尚未有跻身世界先进水平专业汽车
板带生产线。虽然西南铝业(集团)有限责任公司于2010年5月建成了一条汽车板带生产线,但与美铝萨马拉冶金厂(Alcoa SMA)2009年建成的2300毫米的BWG
涂漆、
退火、纯拉仲矫直、
剪切等生产线及海德鲁铝业公司格雷文布罗伊轧制厂(Grevenbroich)的精整线相比,还有相当大的差距。汽车
铝加工材在中国的消费量应该比美国、日本及德国的量都会大一些,因为中国不但在客车的铝材用量在增加,而且厢式车厢体的铝化率甚低,尚未进入起步阶段,而北美、欧洲、日本的铝化率都在92%以上。必须注意,提高厢式车的铝化率对节能减排与建设
低碳经济有着重要意义。
无论从长远还是就近期来看,组建汽车铝材中心都是必要的。成立中心,首先要有一批高素质的人才,其次要有必要的
设备。在设备方面,我国主机(热
轧机与
冷轧机)在数量与装机水平方面都不缺,都是世界一流的;我国缺的是精整设备,需要有集纯拉仲矫直、退火、
脱脂、清洗、切边、纵剪、横剪、
喷漆、涂层等于一体的生产线,应有激光精密剪裁设备。
汽车对
铝板带表面状态有严格的各种各样要求:原轧制状态的,即用普通
研磨辊轧制,表面有沿轧制方向分布的磨轧线印痕;有明显EDT辊轧制织构痕的(电火花加工辊轧制);有
不锈钢色调的;有薄
阳极氧化膜处理(thin anoclised film,简称TAF)的,不但提高了材料的抗
腐蚀性能,而且扩大了材料的表面积,增大了结合面积,因而
粘接强度有所提高。
向汽车制造厂提供可供组装的铝制零部件,如轮毂、保险杠等,或经过精密裁切的可直接上冲制线的
板材,是向汽车厂供应铝制零部件与加工材的发展方向;有些铝业公司现在已经这么干了。铝业公司向汽车厂派出工程师,参与铝制零部件的设计,行之有效,也是发展趋势之一。
三、中国组建汽车铝材中心不容迟疑
中国到了组建汽车铝材中心的时候了!再不能迟疑了,宜早不宜晚。希望有
热连轧线的企业与有大型热轧机的企业不妨对此问题考虑一下。汽车铝材是个大市场,是个增长性的大市场,是一个高精铝材市场,谁先投资与花大力气进入这个市场,谁就会先受益。
汽车铝材中心的主要任务是:研发汽车新型铝合金,开发汽车铝制零部件新加工工艺,推广铝在汽车中的广用。希望有关部
门制定强有力的汽车轻量化措施,特别是厢式车的轻量化,促进低碳经济与低碳社会的进程。
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