新材料与工艺手册

电动汽车挤压铝合金新进展

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发表于 2020-6-1 15:12:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】电动汽车挤压铝合金新进展

余东梅(西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326)

摘要:近几年,随着节能减排的日趋严格,电动汽车得到了长足发展,而铝材作为轻量首选材料在电动汽车中的应用也日益增加。在全铝汽车用铝材与铝件中,按质量计算,其占比通常是平轧材占50%、挤压材占20%、铸件与压铸件占27%、锻件占3%。随着电动汽车需求的增长和碳零排放的要求,现有的挤压铝合金已不能很好地满足市场需求。为此,许多大的铝业公司纷纷加大了新型挤压铝合金的研发力度,并取得了可喜成绩。本文简要介绍了电动汽车的发展状况和国外主要铝企业在电动汽车用铝挤压合金中的研发成果,以及这些新材料在电动汽车中的应用情况。

关键词:电动汽车;挤压铝合金;电池;托盘;节能减排

0 前言

电动汽车进入了高速发展期,特别是在中国、英国、法国和挪威等,在这些国家到处可见电动汽车与混合动力车。福特、通用汽车、美洲虎、大众、沃尔沃等汽车公司都制定了发展电动车的计划。

电动车必须是轻量化的,欲达到最大轻量化,必须是全铝的。所谓全铝的,是指在当前的技术条件与保证安全行驶的条件下,凡是可用铝合金制的构件都是铝合金的[1]。当然全镁或是全复合材料的也可达到更大的轻量化,但就综合性能与性价比来说,铝(合金)还是最优秀的。铝与其它材料的角逐还将长期持续着[2]。

1 电动车及其对挤压铝材的需求现状

欧共体2050年的CO2排放目标是要求大部分汽车不得用石化燃料,这意味着到2050 年时,欧洲汽车必须有80%是电动的。为达到此目的,在2030年销售的汽车中电动车应占到50%。向电动转移不是一种愿意或建议,而是必须立马干的。中国、欧洲和美国已在积极顺应这一潮流,不但在大规模研发,而且在批量生产了。

在行驶距离内,电动车的能耗与其整备质量成正比,这就是说必须降低电动车的整身装备质量。为了降低电池托盘和护栏及整车的质量,宜尽量多采用挤压材制造。

德国主要原车设备制造公司承诺推向市场的电动车简况见表1。2018 年布卢姆贝格公司预测,2040 年电动车销量将达65 百万辆。图1 是根据布卢姆贝格公司预测计算出的全球电动汽车用铝挤压材需求量(图中上部曲线)。作为比较,在图1 中的下部绘出了杜克公司预测的传统常规汽车制造抗撞系统、底盘车身所需的挤压铝材用量曲线。布卢姆贝格的预测前提是每辆电动车的挤压铝材用量为80 kt;杜克公司的挤压铝材用量不含电池托盘和护栏的。

表1 德国主要原车制造公司承诺推向市场的电动原型车


如果把中国的需求也计算在内,2040 年全世界电动车对挤压铝材的需求量可达3 000 kt。2035年仅英国电动车将占汽车总产量的50%,另50%为混合动力汽车,需要挤压铝材88 kt。如此巨大的铝材用量,英国无法供应,只能从欧洲或中国进口。

最近,英国商品研究所对电动车结构挤压材和车身薄板材的综合需求量做了调查研究和预测。他们认为,2030 年全世界的总需求量约为10 Mt。这两种铝材的需求比例为80%板材和20%挤压材,也就是说,需要挤压材2 Mt。在全铝电动车车身结构铝材中,挤压材约占10%~11%。即使新型研发的高强度汽车用挤压合金都是6×××系的,就全世界而言,现有的生产能力也不能满足未来的需求,需要建设新的挤压生产线或研发新的升级挤压合金。


图1 2016年-2026年全球汽车对挤压铝材的需求量


电动汽车的快速发展引发了人们对新型挤压铝合金的需求热情,众多大型铝企业纷纷加大了研发力度,并取得了可喜的成绩。

2 电动汽车用挤压铝合金研发新进展2.1 海德鲁铝业公司的HHS合金

海德鲁铝业公司在发展新合金方面取得了不少成就。2018年研制成功一种HHS360合金,它是以6082合金为原型,对成分作了不大的改动,抗拉强度Ra却提高了约10.8%,从6082合金的325 N/mm2上升到HHS360 合金的360 N/mm2,伸长率A 达到10%[3]。稍后,海德鲁铝业公司又在HHS360合金基础上研制成功HHS400合金,已在汽车制造中获得批量应用。它的抗压强度Rm 比HHS360 合金的更高,达到400 N/mm2,屈服强度Tp0.2 ≥370 N/mm2,伸长率A5=8%,比传统常用6×××系合金的高不少。不过HHS400合金的成形性能比传统合金的略低些,因此可用于制造不进行剧烈变形的工件,如汽车底盘和车架,还可用于制造门的横梁、抗震件如发动机装配件、电动汽车电池箱侧面构件、碰撞控制系统的保险杠,也可以用于制造货车与公共汽车底盘与车架零部件。

HHS400合金的可焊性与生产效率比7×× × 系合金的高的多。7×××系合金的挤压速度很慢,还必须用特制的挤压模,模具价格昂贵,同时易破损。因此采用HHS400合金生产效率会有较大幅度提升。

海德鲁铝业公司正在与汽车制造公司及一些研究单位联合研发一款名为L7e 微型电动全铝概念车,采用的就是HHS400 合金板材与挤压材。L7e微型车长3.7 m、宽1.5 m、高2.5 m,含电池在内的净质量还不到450 kg,它的最大运行功率15 kW,最大速度90 km/h。该车的制造工作已完成,正在按EURO NCAP(新型汽车鉴定程序,new car assecestcent program)进行碰撞试验及其它检测。

2.2 肯联铝业公司的HSA6合金和挤压工艺

HSA6 合金并不是一个合金,而是包括二三个合金,但都属6×××系。当前在研发汽车铝合金时,不管是轧制板带用的,还是挤压型材与管材用的,或锻造零件坯料用的,都把精力集中在6×××系合金上。有些合金已处于成熟阶段,并在铝工业与汽车工业中得到广泛应用和认可,但是汽车用挤压合金的研发则略为滞后。

电动汽车电池托盘初期是用6063 合金挤压材制造的,因为它有优秀的可挤压性能,虽然其抗拉强度不高,只有220~240 N/mm2,但现在采用肯联铝业公司第一代HSH6合金挤压型材制造的电池托盘可减重20%。第二代HSA6 合金现正由肯联铝业公司的布卢内尔先进凝固技术中心进行研发。早在2011 年他们就计划要研制一种各项性能可与6111薄板合金相匹配的、抗拉强度500 N/mm2、屈服强度450 N/mm2的6×××系挤压合金。实际上,HSA6合金就是这个计划第一阶段的成果。

现在应用的HSA6-T6 合金挤压型材的最低屈服强度Rp0.2=370 N/mm2,而最低抗拉强度Ra=400 N/mm2,而对比合金6082 的屈服强度Rp0.2只有320 N/mm2。用HSA6合金制造的后保险杠向内突入深度减少了14%,保险杠质量降低了15%。通常,用HSA6合金制造的全铝汽车质量可比用传统铝合金材料制造的轻30%以上。

HSA6 合金型材可以用常规挤压工艺生产,但在挤压线上淬火后还必须进行价格不菲的有效的固溶热处理后,才能获得可以接受的力学性能。但是,现在肯联铝业公司已研发成功一种独特工艺,可使合金中的全部合金化元素(Mg、Si、Cu)都融入α 固溶体中,挤压后不需要进行专门的固溶热处理,直接进行人工时效即可获得所需的性能。这说明HSA6合金的制造成本与传统的在线淬火合金即6063 型合金的相当,是有竞争力的。新工艺已在试验工厂的中试生产线上取得非常圆满的成功,现在做的工作是尽快把它移置到商业化工业生产线上,在全世界范围内推广。

肯联铝业公司在上世纪60 年代开发的、但未获得工业化应用的铝合金形变处理工艺的基础上创造了一种名为“应变激发沉淀(STEP)”的处理工艺,可对铝合金材料既进行加工硬化又进行时效硬化处理,显著提高了挤压铝合金的力学性能。用此工艺生产的HSA6 合金挤压材的屈服强度>550 N/mm2,伸长率>8%,比钢材的还大。现在肯联铝业公司正在进一步完善STEP 工艺并将用此工艺生产的HSA6 合金挤压材推广应用在汽车制造中。可以预见,STEP 工艺的应用在铝合金发展史上将具有里程碑意义。

肯联铝业公司是超低排放汽车用铝项目成员之一,他们在大量采用HSA6 合金制造电动汽车积极践行零排放的征程上迈出第一大步的同时,还向市场推出完全用回收的轧制废铝生产的HSA6合金挤压材。其碳强度已降至0.5 t CO2/t·Al。如果进一步完善铝循环链,碳强度就可以降至零,真正做到碳零排放。

2.3 奥科宁克公司的M648合金和6563合金

实际上,这两个合金是早先的美国铝业公司(Alcoa)推荐用于挤压汽车铝材的。M648 是一个新合金,其成分尚未见报道。认为它应该是6×× ×系合金,同时其成分很可能与6082 合金相仿。6563 合金是一个老合金,1967 年4 月38 日在美国铝业协会注册,是美国铝业公司研制的。后因用量不大,将其打入非常用合金名册。前些年美国铝业公司又重拾起来将其推向市场,也许这一次随着电动汽车的暴发式增长可以起死回生。

6563 合金是一种挤压合金,而M648 合金是一种轧制与挤压兼用的合金,有极好的表面处理性能,多用于制造汽车装饰件;同时还具有高的强度与优秀的成形性能以及极佳的阳极氧化处理性能,完全可以取代镀铬钢板用于制造保险杠系统工件。保险杠可以挤压也可以冲压,6563 及M648 合金这两种工艺都很适用。

2.4 7003合金

这是一种日本合金,1975 年在美国铝业协会注册,是一种Al-Zn-Mg 系合金,用于制造汽车的一些高强度结构件,但还不普遍。该合金主要用于生产挤压管、棒、型材,它的化学成分(质量分数/%) 如下:Si0.30、Fe0.35、Cu0.20、Mn0.30、Mg0.50~1.0、Cr0.20、Zn5.0~6.5、Ti0.20、Zr0.05~0.25,其它杂质单个0.05、合计0.15,余量为Al。材料状态T5,双级时效:一级90℃/(5~8h) ,二级(150~160℃)/(8~16h)。

7003-T5合金的物理性能:密度2.79 g/cm3,液相线温度620~650 ℃,20~100 ℃时的线胀系数23.6×10-6/℃,电导率36.8%IACS。力学性能:抗拉强度Rm=360 N/mm2,屈服强度Rp0.2=325 N/mm2,伸长率A=18%,硬度HB=90。可焊性与成形性良好,也有良好的表面处理性能,还有相当好的抗应力腐蚀开裂能力。

3 铝挤压合金在电动汽车中新的应用3.1 电池托盘和护栏

对电池托盘来说首要的问题是材料,既要有优秀的综合性能,又必须有可接受的合理价格。在当前条件下,铝材是最可取的,优于钢材与碳纤维增强塑料基复合材料(CFRP)。

几乎所有的原车设备制造公司都选用铝挤压材制造电池托盘,如宝马汽车公司、奥迪集团、沃尔沃公司等都是这样。同时,一些公司都对特斯拉公司以挤压铝材制造的全铝滑板式电池托盘很感兴趣,纷纷仿效,例如宝马汽车公司的i20 EVs车托盘、奥迪公司的e-tron 电动车托盘、戴姆勒公司EQ 系列电动车的托盘等等。奥迪公司原来的托盘是用压铸铝合金零配件制造的,现在已改用挤压铝材。同时它的BEVs和PHEVs 电动车电池托盘也都是用挤压铝材制造的。

值得注意的是,一些过去用钢材制造托盘的企业如今也改用铝材了。例如日产汽车公司Leaf EV电动车过去用钢材制造电池托盘,2018 年改用挤压铝材;大众汽车公司对钢材电池托盘一直情有独钟,但其新产的BEV 电动车电池托盘也顺应了这一发展趋势,改用成了挤压铝材;阿凯勒米塔尔公司本已决定用高强度钢制作Tesla Model 3车的车身结构,后来发现钢结构车身与铝电池托盘连接上不匹配,于是改为铝合金车身。

3.2 创新的铝冷却厚板托盘

2018 年肯联铝业公司布卢内尔先进凝固技术中心发明了一种新型的名为“冷铝”的托盘设计,对电池组有很强的冷却效率。采用这种设计再也不用摩擦搅拌焊连接了。试验表明,冷却板连接严密,不会泄露,同时连接简便快捷。在用混合冷却方法试验时,获得了极为令人满意的冷却效果,温度偏差只有±2 ℃。因此既延长了电池组的使用期限,又提高了安全性能。托盘的一些零件是用挤压折弯成形铝材制造的,不用钻孔,也不需要焊接,新设计托盘的质量下降了15%。

4 结束语

目前,国外铝业公司正在做以下三方面的工作来推广铝在汽车上的应用:一是大力宣传铝对汽车轻量化与进而对节能减排的贡献,使汽车设计人员对以铝代刚、以铝代铜有着浓厚的兴趣,成为他们工作的一部分;二是与汽车制造业合作,向他们提供可装配白车的零部件,提供更多价格合理、性能优良的零配件,大力回收汽车厂的铝废料,使他们从中受益;同时不断研发高性能的汽车用铝合金材料。相信随着新型铝合金材料的不断开发与问世,车用铝材与电动汽车的发展将会相辅相成,共同走上可持续发展的壮大之路。届时真正意义上的零排放汽车或许即将诞生在不远的将来。

节能减排是一个永恒的话题,为达到此目的,各国都制定了淘汰燃油汽车的规划与发展新能源车的目标,汽车产业在发生着巨变,再过二十年,燃油汽车可能在地球上消失。如何实现汽车的节能减排无非是采用新能源与降低车的整备质量,而降低整备质量的措施只有两条:改变设计与采用低密度材料。目前可采用的低密度材料有铝、镁、钛、复合材料。在这四种材料中,至少在今后二三十年内,铝材是最可取的,它有最优秀的综合性能与最佳的性价比。

发展新能源汽车的主要目的是节能减排,为达到此目的,新能源汽车应是全铝的,这里所说的全铝的是指车身结构与电池托盘与护栏。车身结构用的是薄板与挤压材,按质量计算,板材/挤压材为80/20;托盘及护栏则几乎全是用挤压型材制造的。中国生产的汽车车身薄板(ABS)在性能与产量方面都能充分满足新能源汽车高速发展的需求,但是在挤压材方面,虽然数量上是足够的,但是性能和品质与国际先进水平相比还有较大差距,特别是高性能、抗拉强度Ra ≥550 N/mm2、挤压性能与成形性能又优异的6×××系合金仍处于起步阶段。希望有关企业和科研人员奋起直追,尽快跟上或超过海德鲁铝业公司与肯联铝业公司的水平,为中国成为汽车挤压铝材强国而努力!



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