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鋁的商業化生產與汽車的誕生在同一年,從此,它們就結下了不懈之緣,難舍難分,互相促進;汽車工業的發展促進了鋁工業的發展,反之亦然。1886年美國大學生霍爾(Charles Martin Hall)與法國大學生埃羅(Paul-Louis Heroalt)幾乎同時在大洋彼岸獨立發明鋁的熔鹽電解法提取工藝,至今全球生產的鋁都是按他們的原理制備的。1886年,卡爾·奔馳發明世界第一輛不用馬拉的三輪車,拉開了當今文明世界的序幕;1889年世界
世博會展出德國奔馳公司制造的世界首輛汽油發動的汽車,宣告汽車時代的到來。
1897年克拉克(Clark)三輪車和1898年問世的德·丁昂·布頓(De Dion Bouton)汽車的曲柄箱是用鋁制的,開創了鋁在汽車中應用的先河。1901年第二屆紐約汽車展上出現了一批鋁制汽車零配件,有的汽車車身已用鋁代替了
木材。1903年戈登·貝內思·納皮爾(Gordon Beneth Napier)汽車采用鋁汽車柱。1904年問世的蘭徹斯特車(Lanchester)的后軸架由
鋁合金鑄造。
1923年英國著名的汽車設計師布波美羅(L.H.Pormeroy)設計的一款汽車,用了相當多的鋁
合金零部件,其自身質量僅相當于標準汽車的三分之二。上世紀30年代由于
鋼材價格比鋁價格低得多,能源充裕,鋁在汽車中的應用進程放緩。第二次世界大戰期間,鋁是一種軍需戰略物資,鋁在民用方面的應用受到限制;同時,由于飛機制造及其他軍工產品需求的增加,鋁工業得到迅猛發展,特別是美國鋁工業的發展尤為突出,這時80%以上的鋁都用于制造飛機及其他軍工產品。戰后,鋁在汽車中的應用又開始受到重視,同時鋁由買方市場轉為賣方市場,鋁業公司開始尋求鋁的應用新領域,極力擴大鋁的應用范圍,鋁在汽車中的應用領域越來越廣。20世紀70年代,汽車開始使用鋁保險杠、進氣歧管、發動機頭、發動機缸體、
散熱器、傳統系統零件和輪轂等。
上世紀60年代,每輛汽車的平均用鋁量為27.2千克,到90年代中期,平均含量上升到113千克,約占車自身質量的8%。2005年美國轎車每使用一磅(0.454千克)鋁制零件,車的自身質量可下降1.021千克;目前,美國汽車工業的用鋁量已占美國全部鋁消費量的11.5%強。21世紀初,德國推出了全鋁的奧迪A8車,是鋁含量最多的小轎車,每輛用鋁550千克;美國福特汽車公司的AIV車的車身也是全鋁的。所謂全鋁轎車,是指在目前的設計、制造技術條件下,可用鋁合金制造的零部件都已鋁化,而汽車的價格是合理的,可以承受的,可進行商業化批量生產,各項性能全面提升。由于
真空釬焊技術的發展,1986年美國生產的轎車有一半裝上了鋁散熱器,2008年的鋁化率已超過80%;因為鋁的價格比銅低,鋁散熱器的質量又比銅輕50%。
一、汽車輕量化是發展方向
汽車、軌道車輛、飛機、船舶是當代社會人類賴以生產和發展的四大交通運輸工具,它們一方面為人類文明與社會進步作出巨大貢獻,另一方面又排放大量溫室氣體,制造污染,破壞生態環境。因此,汽車工業的發展面臨著三大問題,即三大挑戰:節約能源,保護環境,提高安全、舒適、美觀性。汽車性能的改善除在設計方面加以改進外,最主要的是采用輕質
新材料取代鋼材、
鑄鐵、重
有色金屬制造的零部件,加速汽車輕量化進程,因為在設計方面的減重潛力不居首位,而可用的新材料有鋁、鎂、鈦、高
強度鋼、
復合材料等。
實踐證明,盡量多地采用鋁是解決汽車輕量化最有效與最佳的途徑。鋁有明顯的減重效果和顯著的節能效果,可大幅度減少溫室氣體與其他有害氣體的排放,還能提高車的平衡性、乘坐舒適和安全性。采用鎂制零部件的節能減排效果雖然比鋁大,但鋁的綜合性能與性價比仍比鎂大與優越。所以,在汽車制造中鎂在可預見的時間內還不可能較多地替代鋁。
美國曾一次又一次地頒布汽車的能效指標,2010年初美國能源部制訂了小轎車新的能效標準,要求其燃油效率達到6.9升/100公里(在標準公路上行駛)。小轎車在標準公路上行駛時,車的自身質量消耗的能源占85%左右,這充分說明汽車輕量化的重要性與迫切性,也說明鋁在汽車制造中有著巨大的市場潛力。
二、汽車產量持續調整攀升
鋁在北美生產的轎車與卡車中的應用以曾所未有的速度增加。2009年汽車的
輕金屬用量占其自身質量的8.6%,而1990年僅為5.1%,到2020年可達11%。2009年輕型汽車的平均自身質量為1448千克,其中鋁含量占7.8%,按每輛車的年平均增長率2.3千克計算,到2020年全世界汽車的平均用鋁量可達1 36千克/輛。
北美是小轎車與輕型卡車用鋁量的世界先鋒,2008年約有50款車的鋁含量超過其自身質量的10%。本田(Honda)和寶馬(BMW)用鋁量最多,每輛車的平均鋁含量超過154千克。自2006年以來,通用汽車公司(GM)、豐田汽車公司(Toyota)、現代汽車公司(Hyundai)和大眾汽車公司(Volkswagen)也增加了在北美銷售的轎車鋁含量。
全世界其他地區與國家生產的輕型汽車的鋁含量也在不斷攀升,特別是歐洲與日本,據杜克公司(Duker)估計,有67款汽車(歐洲49款、日本1 8款)的輕
金屬含量為182千克/輛,中國汽車的用鋁量也在快速上升,杜克公司預計2020年中國汽車工業的用鋁量將超過日本。2008年日本汽車工業的用鋁量約170萬噸,2009年約116萬噸。據筆者預測2015年日本汽車的鋁消費量可達190萬噸,同年中國汽車工業的用鋁量可在250萬噸左右(含出口鋁合金零部件),遠超過日本。
通常,汽車工業用鋁的結構如下:
鑄件及
壓鑄件80%,其中
壓鑄件占71.5%;
軋制材9.7%;
擠壓材9.2%;
鍛件1.1%。國家不同,汽車產品的結構也會不同,用鋁結構也會略有不同。總體來說,鑄造產品占80%,用加工
鋁材制造的零部件只不過約占20%。不過隨著用鋁量的增加,加工材用量的增長速度會稍大于
鑄造鋁合金。
汽車工業是中國的支柱產業之一,正在高速持續發展。2000年汽車總產量為207萬輛,2009年為1371.9萬輛,這9年的年平均增長率是24%,成為世界產銷第一大國;自此以后,第一大國的局面不可逆轉的,2010年產量可達1600萬輛,2015年可達3300萬輛。汽車用鋁量中國尚無權威組織作過統計、發表過翔實數據,筆者估算,2009年用量約160萬噸,含出口零部件的用鋁量,如輪轂等;2009年輪轂的用鋁量約60萬噸,其中出口約31萬噸。今后一段相當長的時間內,中國汽車用鋁量的年平均增長率將大于汽車本身的增長率1.5個百分點,因為單臺車鋁含量增長率更快一些。2010年中國汽車用鋁量會超過450萬噸(含出口鋁制零部件),這是指汽車的凈用鋁量,如果按采購的鋁材及生產的鑄件、壓鑄件的
毛料計算,用鋁量應該超過530萬噸。
2009年中國汽車消費的160萬噸鋁中,加工鋁材的用量約32萬噸;2015年中國預計加工汽車鋁材用鋁量約97萬噸,其中
平板帶材約495600噸、擠壓材463200噸、鍛件11200噸,不但量大,而且是高品質高技術產品,屬鋁材中的“精英”,既要求有良好的冶金組織與優秀的綜合性能,又必須達到極為嚴格的尺寸偏差,適合于高速自動化線的生產與組裝。
我們知道,凡是世界上大的鋁業公司,不管是跨國的還是非跨國的,只要本國的汽車產量大,都把汽車鋁材視為高技術高附加值產品,成立了汽車鋁材部或組建了汽車鋁材中心,如美國鋁業公司、加拿大鋁業公司(力拓加鋁公司)、諾威力鋁業公司、海德魯鋁業公司、薩帕鋁業公司以及日本的神戶鋼鐵公司、古河鋁業公司與日本輕金屬公司等,由中心負責汽車加工鋁材的研究、開發、生產與技術服務。
中國已凌世界汽車產銷量絕頂,很快也會成為全球汽車鋁材用量大國,可是中國至今尚未有躋身世界先進水平專業汽車
板帶生產線。雖然西南鋁業(集團)有限責任公司于2010年5月建成了一條汽車板帶生產線,但與美鋁薩馬拉冶金廠(Alcoa SMA)2009年建成的2300毫米的BWG
涂漆、
退火、純拉仲矯直、
剪切等生產線及海德魯鋁業公司格雷文布羅伊軋制廠(Grevenbroich)的精整線相比,還有相當大的差距。汽車
鋁加工材在中國的消費量應該比美國、日本及德國的量都會大一些,因為中國不但在客車的鋁材用量在增加,而且廂式車廂體的鋁化率甚低,尚未進入起步階段,而北美、歐洲、日本的鋁化率都在92%以上。必須注意,提高廂式車的鋁化率對節能減排與建設
低碳經濟有著重要意義。
無論從長遠還是就近期來看,組建汽車鋁材中心都是必要的。成立中心,首先要有一批高素質的人才,其次要有必要的
設備。在設備方面,我國主機(熱
軋機與
冷軋機)在數量與裝機水平方面都不缺,都是世界一流的;我國缺的是精整設備,需要有集純拉仲矯直、退火、
脫脂、清洗、切邊、縱剪、橫剪、
噴漆、涂層等于一體的生產線,應有激光精密剪裁設備。
汽車對
鋁板帶表面狀態有嚴格的各種各樣要求:原軋制狀態的,即用普通
研磨輥軋制,表面有沿軋制方向分布的磨軋線印痕;有明顯EDT輥軋制織構痕的(電火花加工輥軋制);有
不銹鋼色調的;有薄
陽極氧化膜處理(thin anoclised film,簡稱TAF)的,不但提高了材料的抗
腐蝕性能,而且擴大了材料的表面積,增大了結合面積,因而
粘接強度有所提高。
向汽車制造廠提供可供組裝的鋁制零部件,如輪轂、保險杠等,或經過精密裁切的可直接上沖制線的
板材,是向汽車廠供應鋁制零部件與加工材的發展方向;有些鋁業公司現在已經這么干了。鋁業公司向汽車廠派出工程師,參與鋁制零部件的設計,行之有效,也是發展趨勢之一。
三、中國組建汽車鋁材中心不容遲疑
中國到了組建汽車鋁材中心的時候了!再不能遲疑了,宜早不宜晚。希望有
熱連軋線的企業與有大型熱軋機的企業不妨對此問題考慮一下。汽車鋁材是個大市場,是個增長性的大市場,是一個高精鋁材市場,誰先投資與花大力氣進入這個市場,誰就會先受益。
汽車鋁材中心的主要任務是:研發汽車新型鋁合金,開發汽車鋁制零部件新加工工藝,推廣鋁在汽車中的廣用。希望有關部
門制定強有力的汽車輕量化措施,特別是廂式車的輕量化,促進低碳經濟與低碳社會的進程。
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