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国外新型铝合金拾零

2019年12月03日 00:00 来源:中国有色金属报

俄罗斯联合铝业公司的低钪AI-Mg合金


俄罗斯在开发含钪铝合金方面的技术居世界前列,已形成AI-Mg-Sc、AI-Zn-Mg-Sc、AI-Zn-Mg-Cu-Sc、AI-Mg-Li-Sc、AI-Cu-Mg-Sc系变形铝合金,但钪含量仅为0.18%~0.5%。


在2016年杜塞尔多夫(Düsseldorf)铝工业展览会上俄罗斯联合铝业公司首次展出了仅含<0.14% Sc的AI-Mg合金圆锭及扁锭,含钪这么低的AI-Mg合金在世界上是首创。下面介绍一下超低钪含量AI-Mg-Sc合金的主要优点:


成本较低


钪是一种价格高昂的稀土金属,合金的含量低,有利于降低产品生产成本。生产含钪的合金的关键技术在制取品质优良的AI-Sc中间合金,而首先是提取纯净的Sc2O3,俄罗斯联合铝业公司在这些方面都取得了突破性的成就,可以用电解法制取AI-2 % Sc中间合金。


力学性能高


含微量钪的AI-Mg系合金的抗拉强度Rm比5083合金的高30%以上,而其屈服强度(RP0.2)则比5083合金的大一倍以上,焊缝抗拉强度也比5083合金的大25%以上,但其伸长率A则比5083合金的约低4%。


良好的可焊性


AI-Mg-Sc合金的可焊性与常规5xxx系合金的相当,热影响区与焊缝的力学性能几乎与基体材料的相等。钪在合金内与AI形成多边形的AI3Sc化合物质点,有极强的晶粒细化作用,其效果比其他任何细化剂的都大,对提高材料力学性能极为有利。


高的抗腐蚀性能


AI-Mg-Sc合金有高的抗腐蚀性能,可长期在海水与海洋环境中工作,它的抗腐蚀性能几乎与5083合金的相当。用它取代5xxx系或6xxx系合金制造航空航天器零部件可取得显著的减量效果,同样也是制造汽车与轨道车辆的上乘材料,工信部已将含钪的铝合金作为优先发展的新材料之一。


中铝材料院于2018年2月与澳大利亚格伦蒂(Clean TeQ)公司、重庆大学铝合金研究室签署了铝-钪合金研发协议。根据协议,三方将开展“产学研用”系统合作,通过一系列加工测试分析,研究格伦蒂公司的含钪添加剂对铝合金组织、室温及高温力学性能、可焊性能和抗腐蚀性能的影响。参与该项目研究的有中、美、澳的顶级合金学者与专家,由两位国家级“千人计划”专家领导技术研发与实验工作。


格伦蒂公司拥有全世界最大钪矿和独有的金属提取与提纯技术;重庆大学铝合金研究室在合金成分设计与析出相变理论、金属材料强韧化机理、形变加工过程微观组织结构演变规律等基础科学领域有着系统深入的研究,积累了丰富的经验和技术优势。


本协议的成功签署无疑将推进中铝材料院在轻质结构材料开发上的技术创新,对中铝集团在铝-钪合金产业布局上具有战略意义,将推动铝-钪合金在中国航空航天器、轻量化汽车上的应用。


钪是铝及铝合金最强有力的晶粒细化剂和有效的再结晶抑制剂,有很好的弥散强化作用,可有效提高铝合金强度、韧性、可焊性和高温力学性能等。


俄罗斯耐热高强度航空航天铝合金


俄罗斯国家技术研究大学莫斯科国立钢铁合金院与俄罗斯联合铝业公司合作,利用新加工和生产工艺研发成功新型耐热铝合金,能确保汽车和航空航天器结构零部件在高温下安全良好运转。他们基于AI-Si系合金在室温下有相当高强度性能,但在200℃时强度就大幅下降的情况,采用选择性激光熔化工艺制造成功一种耐热的高强度铝合金,可用于制造形状复杂且带有最佳几何参数的汽车、航空航天器结构件。


印度诺贝丽斯铝业公司EvercanTM合金


诺贝丽斯铝业公司(Novelis)是全球最大的平轧铝产品(FRPs)企业。2014年11月公司发表公告称,至2017年末公司所生产的罐身带材将全部采用高品质再生EvercanTM合金生产,evercan可译为“永久罐”“长生罐”或“埃弗罐”,表示这种罐全是用循环回收的废铝制造的,在美国循环一次的周期是120天。


这在全球是首次,可使生产的12盎司标准啤酒罐的再生铝含量达70%,其罐身再生铝含量达90%,而当前全世界生产的制罐铝带的再生铝平均含量仅50%。从2014年财政年度末开始,美国一批制罐企业,诸如雷得哈啤酒公司(Red Hare Brewing Company)、雷得布里克啤酒公司(Red Brick Brewing Company)、南行啤酒公司(Southbound Brewing Company)、第二独立啤酒公司(Second Self Beer Company)、希尔顿啤酒酿造公司(Hilton Head Brewing Company)都承诺选用埃弗合金制造易拉罐罐身。选用埃弗罐身合金不仅有重大的环保意义,而且节能减排效应显著。诺贝丽斯铝业公司不但在全世界率先研制成功埃弗罐身合金,随后又于2015年向全球市场推出独树一帜新研制的埃弗罐盖合金(evercan end)。埃弗合金每循环一次仅烧损约2.5%,在使用过程中几乎没有损耗,除了个别的被当垃圾埋入泥土或被烧掉。


2015年2月末,诺贝丽斯铝业公司称,新近研制的埃弗再生铝合金(EvercyaleTM)是一种再生铝含量很高的合金,用于制造食品易拉罐,已得到一些制罐企业的认可,它由90%旧废料(以社会上回收的废旧铝罐为主)与10%新废料(罐料轧制厂与制罐厂的工艺废料)熔炼而成,没有用重熔铝锭和原铝。


中国自重庆长江电工厂于1986年9月第一条铝罐制造厂投产以来,制罐产业已有30年历史,2015年的罐料产量也已超过60万吨,可是至今还没有一条真正工业意义上的废旧铝罐回收处理与再生成3104合金的生产线,这是我们与工业发达国家的最大差距,亟待补齐这块短板。


诺贝丽斯AdvanzTM 7000高强度铝合金系列


该系列合金是诺贝丽斯铝业于2014年研制成的,是专为汽车的安全组件研发,它的抗拉强度Rm比目前汽车工业广为使用铝合金的大2倍,可用于制造汽车保险杠系统、碰撞环和车门防撞梁等。与当前市场上的高强度钢相比,Novelis AdvanzTM 7000系合金能够在确保乘客安全的同时,进一步减轻汽车的净质量。该系列合金的推出,不但可满足汽车工业对材料强度与安全性方面的要求,而且可满足成型与造型等各方面的要求。现在此合金已通过一些全球汽车制造公司的测试,并已在北美、欧洲和亚洲同时生产Novelis AdvanzTM 7000系合金汽车板材。


诺贝丽斯铝业公司在推出Novelis AdvanzTM系合金板材的同时,还与汉高公司合作研发成功先进的Bonderite N-NT 8453粘接技术,它能够提升汽车结构零部件的粘接强度,显著延长粘接件的使用期限。


诺贝丽斯铝业公司欧洲公司的再生汽车铝合金RC5754诺贝丽斯欧洲公司(Novelis AG,在瑞士)与美洲虎(Jaguar)-路虎(Land Rover)汽车公司合作,于2008年达成一项协议,共同开发废铝(汽车厂生产汽车的铝合金工艺废料与报废汽车回收的废铝)再生汽车板带材的项目,目标是用再生铝合金ABS制造小轿车覆盖钣金件。英国伯明翰汽车公司用这种ABS再生板生产美洲虎汽车覆盖件,诺贝丽斯铝业公司谢尔轧制厂用再生铝合金RC5754生产ABS。伯明翰美洲虎汽车公司及时将铝合金废料发运到瑞士轧制厂。现在此项目已完成,形成了完全的闭路循环,美洲虎汽车公司用RC5754合金ABS制造的Jaguar XE型汽车已于2015年4月起投放欧洲市场,受到一致赞誉。RC5754合金在2016年德国杜塞尔多夫(Düsseldorf)举行的国际铝展览会上获得优秀产品奖。


高档汽车用的一部分零部件用再生铝合金制造是一件大事,朝着资源闭路循环迈出了一大步。利用废铝(以从社会上收购的旧废料为主)生产各项性能都合格的ABS是一项高技术工作,其中废料预处理特别关键。


肯联铝业公司研发出高强度汽车铝合金HSA6


据德刊2017年9月期《铝》报道,肯联铝业公司(Constellium)研究出一种高强度6xxx系汽车铝合金HSA(high-strength alloys的缩写),这类合金用于制造2017年版和2018版汽车,其中包括微型乡下人车(Mini Countryman)。


用肯联铝业公司的新合金HSA6制造汽车防撞系统、白车身结构零部件和电池壳盒元件时,因为用的是外形合理的高精挤压型材,材料壁厚可减薄,与用传统合金相比,零件的质量可下降15%~30%。HSA6合金的抗拉强度Rm超过400N/mm2,比6061-T6、T651合金的310N/mm2高29%,比6N01合金T6状态材料的290N/mm2高38%,与著名的航空高强度铝合金2024-T4材料的470N/mm2相比仅低15%,所以HSA6合金是一种高强度铝合金。同时与传统高强度铝合金相比,它还有优秀的可回收性、可切削性与抗腐蚀性能。


用HSA6合金制造汽车结构零部件,除可使零部件的质量下降15%~30%外,还可使碰撞时的冲击力减少15%~30%,这就是说它有很好的吸收冲击能的效果,这对于保护结构如电池系统、冷却系统及其它重要的结构与系统非常有益。铝及铝合金是一种很强的吸能减震材料,在车辆发生意外事故时,可对车辆的关键部位与人员起到有力保护作用。肯联铝业公司现在可向全球汽车制造企业提供最高强度的各种挤压铝材。


据世界著名信息咨询公司——杜克公司的最新研究:在2015~2020年期间,碰撞系统产量有望提升65%,而白车身零部件的产量会翻一番,因为它们都是用铝合金制造的。杜克公司在报告中还指出,从现在起至2028年,铝在汽车中的用量会一直持续高速增长。


由于肯联公司HSA6合金的优秀性能,使汽车零部件总质量大幅下降,取得了很好的节能减排效果,特别对今后电动汽车的发展将起不言而喻的促进作用,使它通过了Altair Enlighten Awards汽车轻量化创新奖组织的认证,并获得Runner Up in the Enabling Technology奖。


现在,为了生产汽车结构铝合金挤压型材,肯联公司除了已有的欧洲挤压厂外,还在加拿大安大略省的阿斯特莱克斯(Astrex)建设了一个新的合资汽车结构铝合金挤压厂。


肯联铝业公司(Constellium N.V.)是一家美国公司,该公司原属于加拿大铝业公司。它在原加拿大铝业公司工程产品集团基础上研发成功几种有特色的汽车车身薄板(ABS,Auto-Body-Sheet)铝合金,各有各的特殊性能:FormalexTM系列是成形性能良好合金;StrongalexTM系列是高强度性能合金;SecuralexTM系列是防撞性能强的高安全合金;SurfalexTM系列是用于加工外板,有优秀的表面处理性能;UltralexTM系列是正在研发的有超高强度的合金,也是7021合金的优化与改型。7021合金的成分为(质量%):Mg 1.2~1.8,Zn 5.0~6.0,Zr 0.08~0.18,抗拉强度Rm=400 N/mm2,与高强钢的相等。


ABS的冷轧率一般要求达到85%。ABS用的常规铝合金还有:2002、2117、2036、2037、2038、3004、5052、5182、6009、6010、6015、6016、6111等。除3004、5182铝合金在O状态下,5052合金在H32、H34状态下应用外,其他合金均在T4状态应用。


硬度媲美不锈钢的高强度铝合金


据2018年2月美国媒体The Verge报道,美国科学家发明一种全新的铝合金,它的强度、硬度与不锈钢的相当,还有良好的塑性与高的抗腐蚀性。科学家对传统铝合金的组织结构进行了重新组合,还用激光对超薄铝片和二氧化硅粒子进行处理,使原子固定起来,不得轻易移位。这种新的处理工艺不仅提高了材料的力学性能,而且改善了它的热稳定性。


美国铝业公司的超强化表面处理的高强度铝合金2013年美国铝业公司向市场推出一种经“Prostrength超强化表面处理的高强度铝合金,这是一种高强度航空航天合金,其抗拉强度高达500N/mm2,其薄板经“Prostrength”表面处理与阳极氧化处理后用于制造手机、3C产品、IT产品等的外壳及零部件,表面锃亮,色泽柔和诱人,经久耐用,抗蚀性强。


挪威格朗吉斯铝业公司的无镁管材合金


格朗吉斯(GRANGES)铝业公司早些时候研制的FA7929合金,是一种无镁的挤压热交换多孔管用的变形铝合金,其强度高,特别适合于生产多孔管材,成形性优良,钎焊性能优秀,抗蚀性好,特别适合于组装与制造热交换器,可方便地在管的水侧外加牺牲合金,以进一步改善合金的抗腐蚀性能。


该公司还于2016年研发出一种新的汽车铝合金,用于制造2017年版汽车零部件,其力学性能接近7xxx系合金。传统6xxx系铝合金的屈服强度Rp0.2=320N/mm2~330N/mm2,而新合金则大于350N/mm2,而且伸长率可达10%。


结束语


俄罗斯联合铝业公司在研发AI-Sc合金方面居世界领先水平,近期推出的低钪铝合金尤其值得点赞,我国工信部已将此类合金的研究作为重点发展的新材料研究之一,中国是全球钪资源丰富的国家,并建成了高纯氧化钪提取生产线,为研发与生产铝-钪合金提供了优越的前提,希望能尽快研制出一批有中国特色的铝-钪合金。


诺贝丽斯铝业公司是世界最大的平轧铝产品生产者与汽车铝板带生产、研发的领跑者,它在废铝回收、再生领域更是全世界的佼佼者与超级明星,中国在这方面与它的差距不是几年而是二三十年,必须花大力气迎头赶上,争取在2025能与它并驾齐驱。

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