汽车轻量化在线 首页 行业资讯轻量化进展
1框架

7000系超高强度铝合金热成型技术-车身安全件新选择

2018-7-25 16:23 1927 0 来自: Springer
简介
超高强度铝合金可能会威胁到钢材在强度受限的车辆部件中的主导地位。与超高强度钢(UHSS)相比,超高强度铝合金具有相同的强度同时可显着显著减轻重量。 对于像肯联(Constellium)这样的材料加工公司来说,会有具体 ...
超高强度铝合金可能会威胁到钢材在强度受限的车辆部件中的主导地位。与超高强度钢(UHSS)相比,超高强度铝合金具有相同的强度同时可显着显著减轻重量。 对于像肯联(Constellium)这样的材料加工公司来说,会有具体的加工方案来解决这种材料带来的可成形性挑战。

欧盟和美国、加拿大等许多其他国家都提出了二氧化碳减排政策,汽车工业必须尽量减少车辆的总重量,同时满足客户和立法者的高安全性和美观要求。为了使车辆更加省油,诸如电动机和减轻重量的新发动机系统是必不可少的步骤。因此,轻质材料,特别是铝,是至关重要的,表1。

Tabelle 1 Comparison between different lightweight materials (© Constellium)


车辆重量是供应商和汽车制造商都关注的主题之一。 每减少一公斤重量,车辆的排放量可减少约0.08克二氧化碳/公里。 除环境方面外,轻质结构还可提高道路安全性 - 车内和车外。 这是因为较轻的车辆具有更好的操控性能,以及具有更短的制动距离。

轻质材料特别是铝的增长潜力

汽车工程中最常用的轻质材料是高强度和超高强度钢,铝,镁和纤维增强塑料。铝是一种轻金属,重量仅为2.7克/立方厘米。尽管其强度高,但材料较容易变形。特别重要的是,与铝不同的是户外使用所需的耐腐蚀性是许多其他材料的关键成功因素,因此,与其他材料相比,与钢相似的铝具有高的技术成熟度。镁或纤维增强塑料的工业应用绝不像铝那样成熟,这就是为什么这些材料还不能同样适用于工业生产。

虽然纤维增强塑料和镁可以减轻重量,但它们并不像铝那样经济有效。作为钢的替代品,铝可以使某些部件的重量减轻高达50% ,且拥有相对较低的成本:每公斤3至5欧元。与其他材料相比,铝是减重潜力和成本之间的最佳折衷方案。

铝代替钢也是相对简单的,因为两种材料可以类似地进行处理。汽车制造商可以采用这些材料而无需对其生产线进行重大修改。但将生产转换为其他材料(如纤维增强塑料)的成本要高得多。

由于这些原因,乘用车中使用的铝的平均数量不断增加。在1990年,使用量是50公斤,目前是140公斤。预计这一份额在未来几年将进一步增长,到2025年将达到196千克,图1.通过铝的最佳使用,车辆的总重量可减少36%,在汽车使用过程中显着减少二氧化碳排放。

另一个环境方面考虑的因素是材料的可回收性。铝等金属可回收性也超过了新型塑料,因为它们可以无限循环使用。


Figure 1 Average aluminium share in vehicles in kg (© Ducker)

铝 - 响应工业和技术标准要求

目前的统计数据和预测强调,传统钢材作为过去几年的车辆制造材料已变得不那么重要了。主要因为两个方面的发展:

首先,汽车工业中铝的使用已经显着扩大。铝合金解决方案与钢材相比可显著减轻重量,不再仅用于高端车辆,也适用于中档车型。且越来越多的车辆部件由铝制成。

其次,传统钢材已经被新的高强度和超高强度钢所取代,这种钢比标准钢具有更大的重量减轻潜力。

超高强度钢在技术标准方面满足汽车工业的需求。这些超高强度钢正在为铝工业设立新的目标。

6000系列

6000系列的铝高强度合金已经可以轻松达到400 MPa的屈服强度。然而,超高强度钢可以提供1100MPa的更高屈服强度。但铝更轻,引发了原始设备制造商的需求增加。为了提供强度和轻量化替代钢材,铝工业在研究和开发方面投入了大量资金。新一代超高强度铝合金为汽车制造商提供了超高强度钢的真正替代品。

7000系列

7000系列的合金主要与锌混合,含有较少量的镁和铜,可硬化且非常坚固。该组中最受欢迎的合金7050和7075已经广泛用于航空和航天领域,例如通常用于飞机机翼。汽车行业的应用仍处于起步阶段。

用于重型车辆零件的Ultralex

这种超高强度铝合金的一个例子是由铝生产商Constellium与汽车制造商和研究机构(如法国图卢兹大学和英国曼彻斯特大学)密切合作开发的Ultralex产品系列。Ultralex是7000系列的一部分,是铝,锌,镁和铜的混合物。虽然铝 - 锌 - 镁混合物已经提供了低密度和高强度的良好组合,但通过添加铜可以进一步提高Ultralex的强度。超高强度铝合金的使用具有各种优点:与超高强度钢相比,可以实现显着的重量减轻。铝用于特别受力的部件,例如B柱加强件或车顶,简化了与其余部件的连接。例如,与超高强度钢相比,由7000系列制成的部件可以更容易地集成到铝结构中,如图2所示。


Figure 2 Safety cage of a vehicle made from ultra-high-strength aluminium (© Constellium)

超高强度铝合金的加工与超高强度钢类似,加工超高强度铝合金存在一定的挑战。与含有镁和硅的6000系列合金相比,这些合金更难以形成。

热冲压方法

其中一个可行的加工方法是热冲压方法,也称为压力淬火,此法也用于钢铁领域。在压制硬化期间,通过将金属加热至约500℃来增加材料的强度。然后在冷却的成形工具中淬火金属之前进行成形。由于该方法,组分具有高强度和回弹性,并且还具有所需的机械性能。同时,在硬化过程中使用成形工具可防止部件在冷却过程中变形。

固溶热处理

除了压力硬化外,还可以通过固溶热处理和随后的热成形来加工超高强度铝合金。在固溶热处理期间,铝被加热到约500℃,使得包含的元素移开并均匀地分布在基体中。冷却至室温后,然后在烘箱中将金属再次加热至200至250℃,热成形后并冷却。但对于超高强度钢和传统的硼钢,这种方法是不可行的。因此,根据部件的复杂性,汽车制造商可以选择使用不同的成型方法。

与UHSS相比实现减重

比较超高强度钢和超高强度铝合金的主要标准是所谓的屈服强度。屈服点是描述最大载荷的参数,其可在不可逆变形发生之前施加在材料上。铝组件的最终特性取决于之前添加到铝合金中的热处理类型。 7075铝合金可以通过两种状态T6和T7获得。在7075-T6,达到约500MPa的屈服点,而对于7075-T7,其数值约为450MPa。 450至500MPa的屈服点对于铝合金来说已经是非常高的值。然而,如果我们考虑相同的产品厚度,超高强度钢仍然具有1100MPa的屈服强度。超高强度铝合金的优点在于其密度:在密度约2.7g / cm3时,铝比密度约为7.8g / cm3的钢轻约三分之二。

因此,随着厚度的增加,Ultralex等超高强度铝合金可显着减轻约17%的重量,并具有与超高强度钢相同的强度。

碰撞情况下的安全

在强度和能量吸收方面,两种材料的车辆部件在发生碰撞时具有相似的特性。一个重要的值是所谓的伸长率。这表明在施加应力时,断裂后材料样品的初始测量长度的永久延伸。

超高强度铝合金Ultralex的值为15%,是超高强度钢(6%)的两倍多。

低伸长率表明材料相当脆。预期的高强度车辆部件的断裂伸长率不能太低也不能太高。 B柱不应该在发生事故时断裂,也不应该变形太远。否则它可能会进入客舱并伤害乘客。例如,6000系列的断裂伸长率约为25%的合金不适用于受到很大应力的部件。

然而,超高强度铝合金能够为驾驶员和乘客提供良好的能量吸收和最佳保护。

材料的未来发展


Figure 3 Corrosion testing with a 7xxx alloy (© Constellium)

到目前为止,超高强度钢在重压部件的车辆生产中发挥了主导作用。 但是,采用新型创新的超高强度铝合金,汽车制造商就有一个真正的具有许多优势的替代方案,图3. 其主要优点是出色的密度与强度比,与超高强度钢相同的机械性能但可显着减轻重量。 

Constellium等铝生产商将在未来几十年继续投资研发,以推动超高强度合金,并为汽车制造商提供额外的选择,保证牺牲安全性的同时使他们的车辆更轻。


来源:springer

作者:Andreas Afseth

汽车轻量化在线翻译整理,转载请标明来源


鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

相关阅读

此篇文章已有0人参与评论

请发表评论

全部评论

精彩阅读

广告位

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线