汽车轻量化用铝合金在压力加工中的工艺润滑

2018-10-31林林

石油商技 2018年5期

林林

西南铝业（集团）有限责任公司

我国汽车工业正处于飞速发展阶段,2017年国内机动车保有量已达到3.1亿辆,其中汽车2.17亿辆。在汽车保有量方面,目前全国有53个城市的汽车保有量超过100万辆,24个城市超200万辆,其中有7个城市超300万辆,这7个城市分别是北京、成都、重庆、上海、苏州、深圳和郑州。加速汽车轻量化进程以节约能源、减少排放、降低环境污染尤为重要和迫切。

据世界铝业协会数据表明,汽车自重每减少10%,排放降低5%～6%。欧盟将实现CO2排放控制目标的基础确定为汽车的小型化和轻量化;美国“新一代汽车共同开发计划”(PNGV)将汽车轻量化列为汽车节能减排的三大技术措施之一。2012-2025年美国汽车燃油经济性目标见图1。图1中,燃油经济性评估是以车辆轴距与前后轮间距形成的投影面积为基准进行测算;1 mpg(mile per gallon,英里/加仑)=0.425 km/L,1平方英尺=0.093 m2。

图1 2012-2025年美国汽车燃油经济性目标

我国自主品牌轿车平均比发达国家同类轿车重8%～10%, 商用车平均重10%～15%,平均每百公里油耗比欧洲高23.2%,比日本高37.8%。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确将低能耗汽车列为重点领域和优先发展主题。汽车轻量化符合国家节能减排发展战略和中长期科技发展规划的要求。

实现汽车轻量化主要有两种途径,一是优化汽车结构设计,二是采用轻量化材料。实际应用中是同时采用上述2种方案实现汽车轻量化。轻量化材料主要有超高强度钢、有色金属合金和非金属材料［1］。目前,铝合金是应用最广泛、加工技术最为成熟的汽车轻量化材料,具有明显的技术和性能优势。

汽车轻量化用铝合金的应用及特点

铝及铝合金材料具有很多环保性能:

◇密度小,可使车体质量轻;

◇耐蚀性好,可实现无涂装;

◇美观耐用,容易进行表面处理;

◇易成形,可回收再生等。

与钢相比,以铝代钢制造汽车可使整车重量减轻30%～40%,制造发动机可减重30%,制造轮毂可减重30%,而用铝制造散热器比铜制品轻20%～40%,其轻量化的效果非常明显。

全世界铝材消耗量的12%～15%以上用于汽车制造工业,某些经济发达的国家已超过25%。铝位居普通汽车中金属材料消耗量的第3位,仅次于钢与铸铁,而在全铝车中的用量则攀升到第2位。新能源车由于能源系统的制约,全铝合金结构成为首选方案。汽车轻量化用铸造铝合金、变形铝合金的主要部件系统见表1、表2。

表1 汽车轻量化用铸造铝合金的主要部件系统

表2 汽车轻量化用变形铝合金的主要部件系统

目前,在汽车中铝合金铸件的应用最为显著。从应用位置看,铝合金板材是制造车身的主要材料,在未来市场中最具有潜力和发展前景。铝合金中用于制造汽车车身的材料主要有2000系、5000系、6000系合金,这些铝合金的冲压性能已近似于钢材,某些性能甚至已超过钢材,完全有“能力”替代钢材用于制造汽车车身。

汽车轻量化用变形铝合金大多是高成形性能5000系和可热处理6000系铝合金,主要是用于汽车内板和覆盖件。各个国家和地区结合自身的技术特点和实际,采用的汽车轻量化铝合金不尽相同:欧洲主要采用6016合金,北美主要采用6111合金,日本主要采用6k21合金。蝉联美国汽车销量榜首多年的福特F-150 车型,在2013 年底特律车展展出的升级F-150 车型的车身覆盖件,均采用了6000 系为主的铝合金材料,使得汽车减重达340 kg,燃油经济性提升接近20%。不可否认的是,可热处理的6000系铝合金成为目前研究的热点。部分汽车轻量化用6000系变形铝合金化学成分见表3,部分国家和品牌汽车轻量化用铝合金见表4。

汽车用铝合金在压力加工中的工艺润滑

汽车用变形铝合金主要加工方式和制备过程为铝合金铸造、轧制、挤压、锻压、冲压、铣削、弯曲、焊接、铆接、粘结等工序。汽车轻量化用铝合金材料/零件制造对润滑的要求主要为铸造润滑(冷却与脱模)、挤压润滑、轧制润滑、锻压润滑、冲压润滑、铣削润滑等。

变形铝合金因其质软、易粘伤、易腐蚀的金属特性,在汽车应用中要求铝合金表面零缺陷、不涂装和采用阳极氧化。与钢铁比,铝合金的延伸率低、冲压成形困难,有硬度低、易损伤的工艺性质,因此,汽车用铝合金在压力加工中的工艺润滑就显得尤为重要。

金属塑性加工润滑剂的分类主要包括润滑油、润滑脂、润滑性粉末、薄膜材料(结干膜,电镀、电泳、溅射、离子镀固体润滑膜,陶瓷膜等)和整体材料(金属基、无机非金属基、塑料基自润滑材料等)。在铝合金压力加工中,主要使用油性、水性和固体润滑剂,根据需要不同的加工方式配合不同润滑剂:

◇在轧制(冷轧)和挤压中,主要使用油性润滑剂,在铝合金的切削中也会用到油性润滑剂;

◇在轧制(热轧)、金属切削及部分冲压过程中使用水性润滑剂;

◇固体润滑剂主要用于锻造及部分冲压过程中;

◇铝合金半连续铸造中使用高温油脂润滑［2］。

铝合金热轧加工工艺润滑

热连轧铝及铝合金板带适合采用大铸锭、高速轧制生产高质量冷轧坯料,用于大规模生产制罐料、PS版基、铝箔毛料、ABS汽车铝板等高精度产品［2］。铝热轧时轧件与轧辊处于高温、高压以及高摩擦状态,通常用乳化液进行润滑和冷却。乳化液是影响铝及铝合金咬入、控制板形和防止粘铝、避免色差等表面质量的关键因素。为实现轧件在轧制时的良好咬入,乳化液在热粗轧中要有良好的冷却、稳定性能。可通过控制乳化液喷射量进而控制轧辊温度。现代化热连轧机组多采用乳化液分段分级控制,根据板带材的板形需要控制相应的辊型,乳化液的冷却和润滑性能是影响轧后产品质量的重要因素。铝材热轧终轧温度较高,强烈影响润滑剂的吸附、解析附性能,影响乳化液的润滑效果及老化过程。热连轧过程的前后滑对轧制过程稳定性有较大影响,进而影响到板带厚度精度和板形。因此,对工艺润滑的稳定性要求更加严格。变形铝合金热轧乳液润滑机理见图2。

热轧过程中,乳化液在高温作用下,随温度的升高,从水包油的状态逐渐转换成油包水的状态,最终油包含着添加剂起到润滑作用,水进行冷却。热轧乳化液的润滑性能主要取决于乳化液的粒径与热分离性、乳化油黏度与浓度和润滑添加剂3个方面。

乳化液的热分离性能决定热连轧过程中的润滑效果,乳化液的粒径大小和分布对热分离性能有直接的影响。乳化液的粒径尺寸越小,乳化液越稳定,油、水分离越困难,润滑性能也越差;粒径尺寸越大,则有利于油水两相分离,减少轧辊表面粘铝厚度,减少摩擦因数,增加轧件油膜附着量,提高润滑性能。控制合适的乳化液粒径尺寸,有利于降低轧制力,提高生产效率。乳化液粒径尺寸与轧制力的关系曲线见图3。

表3 部分汽车轻量化用6000系变形铝合金化学成分

表4 部分国家和品牌汽车轻量化用铝合金

乳化油黏度是从乳化液中分离出油相的黏度,对轧件的咬入和轧制润滑效果有重要的影响。轧制压力一定时,压下率随着乳化油黏度的增高而增大［5］。热连轧时,流体动力润滑机制起主要作用。为避免咬入时打滑,乳化油黏度一般应该选择在50～70 mm2/s的范围内。乳化油黏度对压下率的影响见图4。

热轧硬铝合金时,乳化液浓度较低(油的质量分数为0.8%～1.5%);热轧软铝合金时,乳化液浓度较高(油的质量分数为1.0%～2.0%)。

铝材热轧乳化油中润滑添加剂主要是油性剂和极压剂,但是对铝材热精轧而言,考虑到温度的影响和铝的自身特性,油性剂在轧制过程中起的作用更大,所以应该添加以油性剂为主的润滑添加剂。考虑到铝热连轧对工艺润滑的要求较高,在润滑添加剂的用量选择上,以选择常用添加剂的1.5～2.0倍的含量为最佳。

铝合金冷轧加工工艺润滑

铝合金冷轧中工艺润滑对合金的表面质量和生产效率起着重要的影响。铝合金冷轧工艺润滑是寻找一种铝合金冷轧加工设备和加工工艺合理匹配的最佳工作状态,可综合提高、改善轧制油的润滑承载能力。润滑轧制油黏度适中,适合高速大压下量的铝板、带、箔的粗、中、精轧制,轧件质量好。在实际生产应用中,要求润滑轧制油产品的挥发性好,易清除,无腐蚀性,不产生退火油斑等。

图2 变形铝合金热轧乳液润滑机理［3］

图3 乳化液粒径尺寸与轧制力的关系曲线［4］

图4 乳化油黏度对压下率的影响［5］

与热轧工艺不同,在铝合金板材冷轧时金属材料的变形抗力大,表面质量要求高,摩擦的影响更为显著。通过优选添加剂、合理调配轧制油中添加剂的比例,能够改善铝合金冷轧加工过程中的工艺润滑,达到降低轧制力、增大压下量、减少工艺道次、减少铝粉的产生,从而最终达到提升生产效率、降低生产成本、提高表面质量的效果。不同冷轧轧制速度对1100合金铝板表面磨损的影响见表5,不同润滑条件下冷轧压下率对1100合金板表面磨损量的影响见图5,5%QH005轧制油冷轧压下率对油膜厚度的影响见图6。

为提高加工效率,相比窄幅轧机,宽幅轧机在加工过程中压下量更大,板面容易出现拉伤等质量问题。相比普通铝合金板材,汽车用铝板对表面质量要求更高,很多汽车厂家对汽车板材提出零缺陷要求。为应对宽幅大压下量的要求,润滑剂需要更大的油膜强度,保证在高温下油膜不破裂。据介绍,北京杰润科技有限公司针对汽车板加工中的工艺润滑进行了深入的研究工作,研制出了WT-12p等系列产品。

铝合金锻造加工工艺润滑

铝合金锻造加工,从工作温度方面,可将锻造分为冷锻、温锻和热锻。铝合金锻造润滑剂是起到降低铝合金的锻造负荷,防止模具卡死,减少模具磨损,并具有降温和脱模的作用。铝合金在锻造加工中,模具的有效润滑有利于金属在模具中流动和成形,可以保证锻件充满型腔,降低合金锻造力,并提高模具寿命。

铝合金锻造对润滑剂的要求包括:

表5 不同冷轧轧制速度对1100合金铝板表面磨损的影响[6]

图6 5%QH005轧制油冷轧压下率对油膜厚度的影响［6］

◇均匀地浸润金属的表面,防止局部润滑不足;

◇使用过程不应有润滑剂残渣,润滑剂残渣可能聚集在模具深处不易排出,从而影响锻件质量;

◇润滑剂不能腐蚀模具;

◇对模具有冷却作用;

◇适合自动进样装置的使用以及良好的环境友好性能。

目前,石墨在锻造类的润滑剂中使用广泛。石墨的润滑性能好,价格低廉,但是石墨润滑剂颗粒小,容易分散,易产生水气、烟尘和油烟,会污染环境,对人体伤害很大［7］。常用的铝合金锻造用石墨润滑剂见表6。常用锻造石墨润滑剂高温摩擦系数见图7,改进润滑剂与传统润滑剂摩擦系数见图8。

在环保压力下,需研制开发非石墨类的润滑剂。目前最迫切需要研制开发的是环保型的热锻润滑剂。铝合金热模锻温度范围约为360～480℃,模具预热的温度250～420 ℃。据资料介绍,采用硬脂酸钙为润滑材料、乙醇为载体制备的环保型无石墨润滑剂,与传统润滑剂相比,摩擦系数明显降低,锻件表面光洁,润滑剂残留少、对环境污染小。

铝合金冲压加工工艺润滑

铝合金冲压的加工形式包括剪切冲裁、弯曲、拉伸及其他成形加工。冲压润滑剂的特点有:减少工件和模具间的磨损,能够承受巨大压力,避免工件开裂;有良好的附着性,能够形成均匀的油膜,降低摩擦系数;容易从工件表面清洗;不破坏模具或工件的金属性能;同时,具有优异的环境友好性。

表6 常用的铝合金锻造用石墨润滑剂

图7 常用锻造石墨润滑剂高温摩擦系数［8］

图8 改进润滑剂与传统润滑剂摩擦系数比较［8］

铝合金冲压成形过程一般分为压边阶段(全膜润滑)和板料稳定变形阶段(边界润滑)。在冲压过程中,铝合金表面形成的氧化膜相对基体比较脆硬,容易黏在磨具表面,容易划伤模具表面［9］。实际冲压过程中,需要使用润滑剂对铝件表面进行处理,改善冲压性能,降低开裂情况的发生。

铝合金冲压成形润滑剂的要求包括:

◇润滑性。要求与金属表面有很好的附着性,形成均匀分布的润滑层,摩擦系数小,并能形成坚固的薄膜,并能承受较大的压力。

◇冷却性。冲压等加工中产生热量如摩擦热、铝合金板材塑性变形热等影响工件性能和表面质量。

◇可清洗性。润滑剂容易从工件上被清洗掉,利于后工序的加工。

◇稳定性。润滑剂性能稳定,易存放。

◇无公害性。冲压加工时,不产生臭味和有害气体,对人体皮肤没有损伤。有足够高的闪点,没有发生火灾的危险。对环境无污染。

润滑剂对铝合金板成形的影响,主要体现在能否有效隔离板料与模具、提高板料成形极限及模具寿命。需要润滑剂有合适的黏度,既保证润滑膜有一定厚度、较小的流动剪切应力,还要与板料表面有较强的黏附能力,在高压工况下不被挤出,保证润滑膜的完整性,提供稳定的润滑能力。

铝合金板冲压润滑剂的类型为3类:

◇液体润滑剂。液体润滑剂一般分为油性和水性2种产品。相比传统油性冲压产品,水性冲压产品具有安全性能高、相对使用量较少的优点。

◇固体润滑剂。只要是剪切强度比被加工金属流动剪切强度低的固体物质均可为固体润滑剂,如MoS2/WS2、石墨等。其晶体结构为六方晶系的层状结构,分子层间的作用力很弱,极易沿着分子层面产生相对滑动。

◇液-固型润滑剂。对于铝合金板冲压加工,用得最多的是液-固型润滑剂,通常以悬浮液、溶胶、膏、覆膜等形式存在。

MoS2与石墨的层状结构见图9油基-纳米添加剂润滑铝合金板成形摩擦机理见图10。

图10 油基-纳米添加剂润滑铝合金板成形摩擦机理［11］

目前,受环保方面的影响,国外在金属成形润滑方面,越来越多地使用水基润滑剂,特别是欧洲、日本等发达国家。欧洲国家已经研制可降解型冲压润滑剂。

图9 MoS2与石墨的层状结构［10］

铝合金切削加工工艺润滑

铝合金的切削包括车、磨、刨、铣、钻等。根据铝合金的性质,要求切削润滑剂具有如下特点:

◇良好的表面加工效果,即使在难度较高的加工条件下仍可延长刀具的使用寿命。

◇良好的润滑性能,并能保持较低的泡沫。

◇采用生物稳定技术,有效对抗细菌和真菌,确保长使用寿命,遏制加工液腐败。

◇适应不同的水质环境,即使在硬水下,也能保持稳定状态。

◇环境友好性,对操作者及环境无损害。

切削液在金属切削加工中起到良好的冷却、润滑、清洗和防锈作用,可延长刀具使用寿命、改善工件表面质量、提高加工效率、降低生产成本。对于铝合金材料,金属切削液要控制合金材料的表面的白斑或黑色腐蚀点等发生。润滑剂生产厂家要帮助加工企业应对日益严苛的环保要求,提供长寿命、少维护的产品。切削液的生产厂家要在废液处理上研制独创技术。

Bluebe润滑油是美国航空航天制造业专为耐热耐腐蚀的铝合金、钛合金等材料开发的环保型植物切削液［12］。国内厂家研制的CGPCUT OH210P产品也可以用在航天航空用的铝合金材料加工中,同样具备良好的环境友好性。美国Bluebe润滑油部分性能指标见表7。

表7 美国Bluebe润滑油部分性能指标

传统切削液中使用的基础油多为矿物油,但矿物油生物降解能力差,其生物降解能力仅能达到40%。合成酯具有优异的生物降解性、润滑性、水解稳定性、氧化稳定性、硬水稳定性和良好的低温特性,能够提供多功能性以提高金属加工切削液的效能。常用的切削液极压添加剂为含硫、磷、氯等有机化合物,但含硫、磷化合物在水溶液中会助长微生物的繁殖,影响切削液的使用寿命;含氯极压剂易引起金属腐蚀,并且污染环境。

聚酯具有高润滑性能和负荷承载能力。聚酯有固有的润滑性,优异的热安定性、氧化安定性和水解安定性,以及与其他润滑油基础油及添加剂、弹性体、金属及部件的相容性。

铝合金的化学活性较强,在切削加工时铝合金工件表面容易受到腐蚀,从而出现失光、变黑或长白斑等现象。新型非磷非硅型铝缓蚀剂具有优异的缓蚀能力和乳化作用,安全、环保、可生物降解,对各种铝合金都具有十分优异的缓蚀效果。乳化剂可降低油-水之间的界面张力,吸附在油相和水相,防止被乳化粒子的结合,保持切削液稳定。脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸(简称醚羧酸)是一类抗硬水的阴离子表面活性剂。

铝合金压力加工润滑剂的研究展望

对于铝合金加工变形过程中的润滑,传统的油基、水基和固态润滑剂尽管能满足使用要求,特别是纳米润滑剂的添加极大地改善了润滑性能,但因铝材表面质量有待提高,且润滑剂不环保,使用越来越受到限制。

润滑剂的使用在材料成形和其他的领域有着很广泛的应用。润滑剂的使用伴随了铝加工从铸造制坯到最终制成零部件的全过程,矿物油为基础的润滑剂给环境保护带来沉重的负担,给企业带来高昂的成本,“绿色”润滑是铝加工行业的期盼。研究开发出既具有好的承载能力,又具有理想的耐久性的润滑材料,是今后润滑剂研究发展的趋势。预测未来的铝合金压力加工润滑剂的发展方向如下:

◇结合润滑摩擦学基本原理与金属塑性加工的工艺特点,建立新型润滑模型。铝合金成形过程受力状态复杂,不仅要考虑铝材易黏附的特性,还要考虑模具、铝材的几何形状、表面形貌、润滑状态的影响,研究润滑添加剂分子在吸附层中作用行为的微观机制和流变润滑效应等,建立铝合金压力加工新型润滑模型。

◇重点研发水基液-固润滑剂。分析金属发生塑性流动时润滑界面的运动学特征,研究常用添加剂分子在金属表面吸附的热力学关系,加大对纳米润滑粒子摩擦机理的研究,开发具有滚动摩擦的纳米添加剂,转变润滑模式。