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陶永亮 一体化压铸促进铝合金材料的创新与发展

发布时间:2022-08-20 来源:华体会vip官网 作者:华体会买球平台

  陶永亮,教授级高级工程师,从事高分子材料应用模塑成型工艺研究。中国模具工业协会技术专家、中国塑料加工工业协会专家委专家、中国塑料机械工业协会专家委专家、重庆市中小企业专家委专家等。曾长期在企业从事模具设计与制造,注塑成型工艺和真空镀铝工艺管理等工作;参与企业各种产品开发工作与各项基础技术管理等工作,为企业技术进步和提高经济效益做出了应有贡献,曾获得各级技术进步奖励等;结合生产现场需要,解决生产上疑难问题;发表技术论文近200篇,涉及模具设计、注塑工艺、真空镀膜、材料应用、智能制造和汽车灯具技术等,被EI、CA等收入,实际应用性强。退休后仍活跃在行业上,密切关注行业发展,加入各级相关行业学(协)会专家委,并积极参与各个专家委的活动,进行对企业、学校和学生(个人)的技术指导、资源引导,职称辅导等工作,线余场次,继续为行业的科学技术进步发挥积极作用!

  摘要:在“双碳”目标下,新能源汽车已经成为汽车工业重要支撑。2021年我国新能源汽车全年销量超过350万辆,市场占有率提升至13.4%。今年1~5月,新能源汽车市场累计销量达到200.3万辆,同比增长111.2%。一体化压铸效应轰动了汽车制造业,迎来了汽车车身工程工艺的变革,一体化压铸促进了铝合金材料创新与发展。本文以压铸件在汽车上应用情况,讲述了一体压铸优势和免热处理铝合金材料促进用铝量增长,重点阐述了免热处理压铸铝合金材料应用于一体化压铸的开发与应用案例,新能源汽车发展和一体压铸效应共同促进了铝合金材料创新与发展,对我国汽车轻量化发展有着重要的意义。

  2020年9月22日,习主席在第75届联合国大会上,向世界承诺中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和(简称“双碳”目标)。“双碳”目标为我国汽车行业发展重新定义了绿色低碳转型的目标路径与可持续发展的使命愿景,当下发展新能源汽车势在必行。近年来我国对原油的需求与日俱增,国内能源自给自足的供求格局早已被打破,每年需要进口大量原油来满足国内需要。2021年我国原油产量约为1.99亿吨,进口量则是达到了5.13亿吨,远超国内产量。据悉早在2019年我国原油对外依存度便突破70%,远超了50%的国际警戒线。国家层面为了应付环保和石油危机需要,国家多部门积极颁发新能源汽车相关政策政策,鼓励使用新能源汽车,提倡减少或放弃燃烧传统的汽油或柴油驱动内燃机 [1] 。2021年新能源汽车全年销量超过350万辆,说明了新能源汽车市场已经从政策驱动转向市场拉动。比亚迪官宣3月起停止燃油汽车的整车生产 [2] ,1~5月,新能源汽车市场累计销量达到200.3万辆,同比增长111.2%,市场占有率达到21.0%。其中,纯电动车销量为158.6万辆,同比增长1倍;插电式混合动力汽车销量为41.6万辆,同比增长1.7倍 [3] 。新能源汽车“一枝独秀”、大势所趋,对高度依赖汽车产业压铸业来说无疑是一个利好消息。

  最近几年是压铸行业高速发展的关键时期,随着一体化压铸成型技术迎来了突破性进展,压铸生产正朝着大型化和集成化方向快速前进。一体化压铸成型技术契合国家“双碳” 目标。当前一体压铸颠覆汽车百年制程,行业迎来黄金时代,一体压铸成型工艺正推动着汽车生产工艺迎来革命性飞跃,一体压铸成型工艺将是“汽车车身工程的一场革命”与“压铸界前所未有的一场变革”,也迎来了一体压铸铝合金材料创新与发展的新机遇。

  2.1 压铸件在汽车上应用情况压铸与其他制造工艺相比,压铸成形工艺生产效率高、尺寸精度高、力学性能优良、材料利用率高、批量化生产经济效益较佳。目前在汽车工业中铸造铝合金的用量约占总用铝量的80%左右,而其中的65%为压铸件,例如发动机缸体、减震塔、变速器壳体、离合器壳体、电池包壳体等。发动机零部件用铝制造的减重效果最为明显,通常可减轻30%以上。铝合金材料凭借其高比强度、高比强塑积及优秀的防腐性能等优势,具有广泛的应用性,在汽车上的用量逐年增加[4-6]。随着“双碳”目标推进,新能源汽车成为未来汽车发展的方向,比亚迪从今年3月起停止燃油汽车的整车生产,加速了全国新能源汽车发展。汽车行业加速迭代升级、产量连年攀升,新能源汽车更多的结构部件需要采用压铸成形工艺来进行制造,也为压铸行业及压铸铝材的发展带来了新的市场和新的机遇。

  2.2 一体成型压铸件优势特斯拉对Model Y车型生产制造进行改进,将Model Y车型大部分框架组装成一个大件。一体式压铸后地板总成的Model Y所有零件一次压铸成型,应用了新合金材料,一体压铸的地板总成不再热处理,制造时间由传统工艺的1~2小时缩减至 3~5分钟。意味着以冲压、焊装为主导的整车制造模式将被彻底颠覆。一体化压铸降低成本约40%,车重降低10%,续航里程可增加14%。普通电动车电池容量80kWh,用一体压铸车身减重并续航里程不变,电池容量减少约10kWh[7]。一体式压铸制造过程极简,一个零件,不需要开发过多的工装设备,制造精度可控,维护成本极低。压铸材料回收容易,回收利用率极高。

  一体化压铸风靡全球。据中信证券发布研究报告称,特斯拉一体化压铸技术应用加速,其Model Y应用之后,Cybertruck车型有望跟进。而国内的造车新势力以及海外大众、沃尔沃和奔驰等汽车品牌纷纷跟进这一技术趋势,一体化压铸已是大势所趋 [8]。

  2.3 一体压铸带来铝材增量与其他发展随着汽车轻量化的持续发展,铝合金广泛应用于汽车,包括车身覆盖件的铝板、动力总成、底盘、车身结构件等铝压铸件。一体化压铸快速发展引来了业界的预测纷纷,说法不一,仅供参考,说明一体化压铸具有发展前景可观。据预测,2022年我国铸件产量可达1.10亿吨。据AstuteAnalytica研究,以产值计,预计在2022~2030年的预测期内,全球铝铸件市场的复合年增长率为6.8%。2021年全球铝铸件市场产值为613亿美元,预计到2030年将达到1086亿美元。以数量计,预计铝铸件市场在预测期内的复合年增长率为6.1% [9]。据测算,2030年,全球范围内一体压铸的渗透率有望达到30%,保守估计单车配套价值量有望达到10000元,行业空间在2400亿以上。随着一体压铸技术的加速渗透,一方面将带动相关汽车零部件企业快速发展,另一方面也利好国内相关新材料企业,对合金材料提出了新的要求。从产业链看,在零部件、设备和材料环节,自主供应商均进展较快,量产速度全球领先 [10]。据预测,一体压铸将在未来近些年内迎来的万亿级市场。其包含以下三个方面:2016年全球乘用车用铝为796万吨,随着新能源汽车发展和一体压铸应用,铝材产量将搭上新能源汽车实现快速发展,到2025年将达到1496万吨,2030年可达到2420万吨 [11]。如果以15000元/吨保守价位,是压铸用铝占1/10,预计2030年全球乘用车车辆用铝市场规模达3630亿元;在一体压铸前4000T压铸机为大,推行一体压铸后大型压铸机是6000T~9000T,现在已有12000T超大型压铸机问世。如果2030年全球汽车产量达1亿辆,新能源汽车渗透率50%,即5000万辆新能源汽车,按照一体压铸程度60%估算,每辆新能源汽车有前、中、后底盘,电池包,电机电控壳体,副车架,后盖,还有四个车门等。5000万辆传统汽车按一体化压铸程度20%~30%估算,大型压铸机每年生产12万套配件估算,2030年估算需要大型压铸机2800套,每套以8000万元计价,大型压铸机预计2030年全球市场容量约为2240亿。根据上述的基本推算,2030年新能源车和传统车将需要3.4亿件压铸件,每件按均价1500~2000元估算,预计2030年全球乘用车零部件一体压铸规模为5100~6800亿元。上述三方面估算已经上万亿元级规模,还有模具工装、生产前、中、后期的辅机、辅料等等也是一个大市场 [12](均以RMB计算)。

  传统压铸的汽车减震塔需要对产品进行固溶处理加过时效稳定化处理(T7热处理),使产品在长期服役的条件下形状和尺寸变化能够保持在规定范围内,才能维持它的较稳定性能 [13]。对于传统铝合金而言,热处理是保障压铸零部件机械性能的必备手段。由于一体化压铸件的产品外形太大,热处理过程易引起汽车零部件变形、尺寸变化和表面缺陷是不可避免。虽然通过一些整形手段可以改善一定的尺寸精度和缺陷,但也会造成废品率的增加,导致加工成本上升。对于一体化压铸必须开发有一款材料与之配合才行,即免热处理铝合金材料使大型一体化压铸结构件成为可能,其材料具有应有的强度和韧性,满足车身的需求;冲型力要好,满足成型的需求,生产效率高;防止材料与模具进行反应,不能粘模(压铸合金的粘模倾向取决于铝合金在液态及固液两相区时与压铸模具材料);在高温熔融状态下,吸气和氧化现象要比较小,表面光滑度好。除了性能之外,还要重量轻成本较低、应用范围广泛,一体化压铸件主要用于新能源汽车上,提高耐续航能力,就得控制成本,满足大批量应用条件,也要保证汽车的安全性。

  采用免热处理压铸铝合金制备的超大型一体化车身结构件成为各大主机厂关注的热点。目前,免热处理铝合金材料开发的单位为数不多。海外企业开发的美铝(美国)、莱茵菲尔德(德国)和特斯拉自行开发等,国内也有一些企业开发和推广免热处理铝合金材料,蔚来汽车、立中集团、华人运通与上海交大、湖北新金洋等院校和企业。

  特斯拉是自行开发的免热处理铝合金,并申请专利。其名称Die Cast Aluminum Alloys for Structural Components是一款用于结构部件的压铸铝合金,属于免热处理铝合金材料。这款材料还不需要进一步加工,特斯拉用于一体化压铸件上,不仅能降低生产成本,还能提高生产效率,同时满足一体化设计要求,使其整体强度有所提高,对产能也有一个很好的保证,促进特斯拉提高效益。

  帅翼驰新材料公司作为国内率先布局非热处理车身结构件铝合金企业,帅翼驰是引进美铝的一款免热处理铝合金材料,其EZCASTTM系列免热处理铝合金,早在上世纪90年代开发成功,并成功应用于奥迪A8的全铝车身的结构件上;经过10多年的市场应用和不断的优化改进,逐步形成可以按客户对零件机械性能要求进行定制生产的合金系列。这款合金材料开发时间比较长,整理出较多的优点。高强韧免处理、热稳定性好、成本较低、效率高、并且可铆接和可焊接等优点,满足所有一体压铸要求的各方面需求。EZCASTTM系列中最有代表性是C611铝合金,具有较好的铸造性能和机械性能,其应用广泛 [14]。

  2021年10月18日,蔚来宣布其成功开发了可用于制造大型压铸件的免热处理材料。这是中国车企首次自主研发的较好全新材料,并验证并应用于大型结构件上,全新材料将会应用在蔚来第二代平台车型上。作为国内率先研发和独立设计全铝车身的车企,蔚来一直在致力于提高车身压铸部件的集成化水平,以达到更好的设计和制造效率,此次免热处理材料的成功发布,是蔚来目前获得的阶段性成果。免热处理材料的成功面市,将为蔚来推动低碳减排和车身结构设计持续创新打下更为坚实的基础 [15]。蔚来强调的合金的强度,同时对于耐久性能和抗冲击性能也有比较高的要求,看来车企的要求和材料开发商之间需求点还不是完全一样的。

  2021年11月1日,立中四通轻合金集团股份有限公司发布的接待投资者调研活动公告称,其研发出免热处理铝合金材料用于一体化压铸,成为新材料领域的一次突破。近年来,立中一直专注于铸造铝合金及再生铝行业核心技术,成功研发出免热处理合金材料具有优异性能,强度高,满足大尺寸、薄型件的冲型,流动性好优点,申请了专利 [16],实现了汽车零部件在一体化、大尺寸、薄壁、结构复杂和热处理易变形的新能源汽车结构件“铝代钢”材料的替代。在减少铝铸件制作成本和热处理成本的同时,对于推动汽车轻量化、节能减排和增加新能源汽车的续航能力等发挥至关重要的作用 [17]。集团近日表示,免热处理合金已实现了市场应用,用于生产某高端新能源汽车电池包以及电池包支架等结构件 [18]。

  2021年12月20日,华人运通、高合汽车宣布,与上海交通大学轻合金国家工程中心在新材料新工艺开发、低碳轻合金产业化应用等达成战略合作,并已在技术开发层面取得实质性进展,双方全球首发 TechCast TM超大铸件用低碳铝合金,将在高合汽车后续车型上大批量采用。双方基于稀土元素的特性并加以增强、优化,打造出 TechCastTM这一新型铝合金铸造材料,经过多轮研发攻关和零件验证,在材料开发、性能优化、制造工艺和系统集成验证等方面实现了100%全流程正向开发,材料性能指标优异,该材料的流动性高于同级别材料15%以上,强塑积高30%以上,达到了国际领先水平。材料有望在一体式大型压铸车身薄壁结构件、门盖内板、电池包壳体等超大铸件上发挥出重要作用,并在高合汽车的后续车型上大批量采用 [19]。

  2020年初,华劲铝业旗下的华劲新材料研究院联合南通鸿劲工程技术中心,正式将一体化汽车结构件免热处理铝合金新材料列为重点研发攻关项目。经过2年多的集中攻关,目前已系统掌握了轻量化高强高韧免热处理铝合金新材料的关键制备技术。经知名新能源汽车开展小批量在零件级别本体取样验证,符合一体化大型汽车结构件免热处理铝合金材料的使用需求,此举将为公司未来拓展新能源汽车高韧性铝合金新材料奠定坚实的基础。免热处理高强高韧压铸铝合金材料性能将进一步迭代升级,更进一步拓展压铸铝合金在新能源汽车产业的应用场景,持续为新能源汽车革命贡献材料力量[20]。

  2022年1月13日湖北新金洋资源股份公司发布公告,公司在高强韧免热处理压铸铝合金的研发上取得重要突破。新金洋表示,通过合金成分优化设计、原材料精细化预处理、熔体精炼纯净化和变质处理等全流程把控,压铸后合金性能稳定。其中:抗拉强度280MPa、屈服强度130MPa、延伸率13%,各项性能指标优良。目前该产品在公司内部已完成多批次的稳定性验证,并交付客户小批量生产试用。这次获得突破的高强韧压铸铝合金是新金洋瞄准汽车轻量化市场大型一体化结构件发展趋势的一款拳头产品,有利于进一步扩大压铸铝合金在汽车市场的应用,助力交通领域在安全的前提下节能减排和绿色发展 [21]。

  免热处理高强高韧压铸铝合金材料的开发应用及迭代升级将进一步拓宽压铸铝合金在新能源汽车行业的应用场景,为一体式压铸提高更好地材料支持。上海交通大学轻合金中心近期研发了针对一体式压铸免热处理压铸铝合金材料,根据汽车上不同部位零部件的要求与压铸成型需求,开发了JDA系列免热处理压铸铝合金材料。JDA1b合金用于一体化超大铸件的免热处理压铸铝合金,经过多轮研发攻关和零件验证,在材料开发、性能优化、制造工艺和系统集成验证等方面实现了100%全流程正向开发,在材料压铸性能、力学性能、制造性能、环境耐久性能等指标上表现优异。此材料流动性高于同级别材料15%以上、强塑积高出30%以上,保证了整车碰撞等性能达到更高维度 [22]。

  广东鸿图公司自主研发的免热处理铝合金材料已获得国家授权发明专利(专利号:ZL0.X,授权公告号CN105316542B)。该专利材料性能及使用成本对比国内外同类产品均处于领先水平,并已应用于一体化压铸产品开发试制。广东鸿图公司的12000T超大型智能压铸设备目前正处于设备设计开发阶段,进展顺利,预计将于今年8月投入使用并进行产品试制。首批试制的产品是动力电池托盘,产品长度超过两米 [23]。

  上海永茂泰汽车科技股份有限公司在一体化大型压铸方面积极布局原生铝合金生产基地,与上海交大轻合金精密成型国家工程研究中心、沈阳航空航天大学等单位合作,重点研发生产免热处理铝合金材料用于一体化超大型压铸件(新能源汽车车身、底盘等),并向新能源汽车企业推广应用。目前,公司正在自主或合作研发高热导率铝合金材料、免热处理高强高韧铝合金材料、免热处理高延伸率铝合金材料、高强度一体化压铸铝合金材料,产品具有更高的延伸率,抗拉强度、屈服强度,部分材料目前处于向汽车零部件客户送样、试制阶段 [24]。

  当然,免热处理高强高韧压铸铝合金材料研发是一项创新型的工作,需要得到压铸模具、压铸设备和相关技术的支持,铝合金材料与设备、模具、工艺组成的是一个整体。可以结合铸造CAE仿真分析软件,可以在模拟凝固冷却后的组织及缺陷,如晶粒大小、枝晶、成份分布、夹杂、偏析、气孔、缩松等基础上,通过仿真计算出铸件的各钟力学性能,并通过实验验证等保证开发一体压铸材料成分、工艺、组织、性能的准确性和实用性 [25]。

  如今在压铸行业,无论是上游压铸主机、免热处理材料、超大型模具、自动化及周边设备厂家,还是下游压铸厂、整车厂,自上而下争先恐后地投身于“大型一体化压铸”大潮中来,形成了行业欣欣向荣之势。免热处理高韧性合金解决大型一体化结构件的变形和热处理等问题,可以节省生产工序,节约能源,使其车身成本和性能具有较大优势,免热处理强韧化压铸铝合金将会是汽车行业的新宠。特斯拉是一体化压铸技术引领者,其他车企是追赶者,新势力造车企业对于产品力突破的渴望,传统车企的技术提升需求,将会加速一体化压铸普及。免热处理铝合金材料还将会有性能更优,价格更低的材料问世,“一体化压铸成型工艺与装备”列入国家重点研发计划[26],国家层面给予了高度关注与支持。随着新能源汽车发展,将极大带动免热处理铝合金与铝量发展,为一体化压铸发展服好务,共同促进新能源汽车向着节能、减排方向发展。

  [7]陶永亮,娄梦妮.新能源汽车销量促进压铸产业及一体化压铸发展[J].铸造设备与工艺,2022(2):52-55.