铝的商业化生产于汽车的诞生在同一年,从此,它们就结下了不解之缘,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(charlesMartinHall)与法国大学生埃罗(Paul-LouisHeroalt)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·本茨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年世界博览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(DeDionBoutou)汽车的曲柄箱是用铝制的,开始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,有的汽车的车身也用铝代替了木材。1903年戈登·贝内思·纳皮尔(GordonBenethNapier)汽车采用铝汽车柱。1904年问世的兰彻斯特车(Lancheester)的后轴架由铝合金铸造。

1923年英国著名的汽车设计师波美罗(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2/3。上世纪30年代由于钢材价格比铝低得多,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了限制,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,这时铝的80%以上都用于制造飞机及其他军工产品。二战后,铝在汽车中的应用又开始受到重视,同时铝由买方市场走上了卖方市场,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、进气管、发动机头、发动机缸体、散热器、传动系统零件、轮毂等。

20世纪60年代每辆汽车的平均用铝量为27.2kg,到90年代中期的平均含量上升到113kg,约占汽车自身质量的8%。2005年美国轿车每使用0.454kg铝制零件,车自身质量可下降1.021kg,目前美国汽车工业的用铝量已占全部铝消费的11.5%以上。21世纪初,德国大众推出全铝的奥迪A8汽车,它是铝含量达550kg/辆;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全部铝化,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,而散热器的质量又比铜轻50%。汽车轻量化是发展方向尽量多用铝是最佳措施

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做出了巨大贡献,另一方面又排放了大量温室气体,制造污染、破坏环境。因此汽车工业的发展面临着三大问题,即节约能源、保护环境与提高安全、舒适、美观性。这些性能的改善除了在设计方面加以改进外,最主要的是采用轻质的新材料取代钢材、铸铁、重有色金属制造零部件,加速汽车轻量化进程,因为在设计方面的减重潜力已不居首位,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的最佳途径,铝有明显的减重效果,显著的节能效果,大幅度减少温室气体与其他有害气体的排放,能提高车的平衡性、乘坐舒适性和安全性。采用镁制零部件的节能减排效果虽然比铝的大,但铝的综合性能与性价比仍比镁优越,所以在汽车制造中镁在可预见的时期内还不能较多的替代铝。

美国曾一次又一次的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6.9L/100km(在标准公路上行驶)。小轿车在标准公路上行驶时,车自身质量消耗能源占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。

汽车产量持续高速攀升组建铝材中心迫在眉睫

铝在北美生产的轿车与卡车中的应用以前所未有的速度增加,2009年汽车的轻金属用量占其自身质量的8.6%,2020年轿车与轻型卡车的轻金属用量占其自身质量或能达到11%。2009年轻型汽车的平均自身质量为1448kg,其中铝合金占7.8%,到2020年全世界汽车的平均用铝量可达136kg/辆。

全世界的轻型汽车的铝含量在不断地攀升,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18款)的轻合金含量为182kg/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年日本汽车工业用铝量约1700kt,2009年约为1760kt。据笔者预测,2015年日本汽车的铝消费量可达1900kt,同年中国汽车工业的用铝量约在2500kt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因国家不同而不同,铸件及压铸件占80%,其中压铸件占71.5%;轧制材占9.7%;挤压材占9.2%;锻件占1.1%。也就是说,铸造产品占80%,也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,加工材的用量的增长速度会稍大于铸造合金。

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207万辆,2009年约1371.9万辆,这9年的年平均增长率为24%,成为世界产销第一大国,自此以后,第一大国的局面是不可逆转的,2010年的产量可达1600万辆,2015年可达3300万辆。汽车用铝量中国尚无权威机构作过统计,据笔者估计,2009年的用铝量约为1600kt。含出口零部件的用铝量,如轮毂等,2009年仅轮毂的用铝量约为600kt,其中出口约310kt;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,因为单台车铝合金含量增长率更快一些,2010年汽车铝含量会超过4500kt,这是指汽车的净用铝量,如果按采购铝材及生产的铸件、压铸件的毛料计算,用铝量将超过5300kt。

在中国汽车2009年消费的1600kt铝中,加工铝材的用量约320kt;2015年加工汽车铝材用铝约970kt,其中平板带材约495.6kt、挤压材463.2kt、锻件11.2kt,不但量大,而且是高品质的高技术的,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和组装。

我们知道,凡是世界上大的铝业公司不管是跨国的非跨国的,只要本国的汽车产量大,都会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、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。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(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(AlcoaSMA)2009年建成的2300mm的BWG的涂漆、退火、纯拉伸矫直、剪切等生产线,海德鲁铝业公司格雷文布罗伊轧制厂的精整线相比还是有相当大的差距的。汽车铝加工材在中国的消费量当比美国、日本及德国的量都会大一些。因为中国不但乘人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,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。

无论是从长远还是就近期来看,组建汽车铝材中心都是必要的,成立这样的中心首先要有一批高素质的人才,其次是要有必要的设备。在设备方面,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,缺的是精整设备,需要有集纯拉伸矫直、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的要求:原轧制状态的,即用普通研磨辊轧制的,表面有沿轧制方向分布的磨轧线痕迹;有明显EDT辊轧制织构痕的(电火花加工辊轧制的);不锈钢色调的;TAF(薄阳极氧化膜处理的),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,或经过精密裁切得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,有些铝业公司现在就是这么干的。铝业公司向汽车厂派出工程师参与铝制零部件的设计也是行之有效的发展趋势之一。

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,推广铝在汽车中的应用。希望有关部门制订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。规划是必要的,仅有规划是不够的。谁主宰汽车铝材生产市场领域,谁就会成为铝加工业的旗舰。