汽車輕量化用鋁合金在壓力加工中的工藝潤滑

林林

西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司

我國汽車工業(yè)正處于飛速發(fā)展階段,2017年國內(nèi)機動車保有量已達到3.1億輛,其中汽車2.17億輛。在汽車保有量方面,目前全國有53個城市的汽車保有量超過100萬輛,24個城市超200萬輛,其中有7個城市超300萬輛,這7個城市分別是北京、成都、重慶、上海、蘇州、深圳和鄭州。加速汽車輕量化進程以節(jié)約能源、減少排放、降低環(huán)境污染尤為重要和迫切。

據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)表明,汽車自重每減少10%,排放降低5%～6%。歐盟將實現(xiàn)CO2排放控制目標的基礎確定為汽車的小型化和輕量化;美國“新一代汽車共同開發(fā)計劃”(PNGV)將汽車輕量化列為汽車節(jié)能減排的三大技術措施之一。2012-2025年美國汽車燃油經(jīng)濟性目標見圖1。圖1中,燃油經(jīng)濟性評估是以車輛軸距與前后輪間距形成的投影面積為基準進行測算;1 mpg(mile per gallon,英里/加侖)=0.425 km/L,1平方英尺=0.093 m2。

圖1 2012-2025年美國汽車燃油經(jīng)濟性目標

我國自主品牌轎車平均比發(fā)達國家同類轎車重8%～10%, 商用車平均重10%～15%,平均每百公里油耗比歐洲高23.2%,比日本高37.8%?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中明確將低能耗汽車列為重點領域和優(yōu)先發(fā)展主題。汽車輕量化符合國家節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略和中長期科技發(fā)展規(guī)劃的要求。

實現(xiàn)汽車輕量化主要有兩種途徑,一是優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設計,二是采用輕量化材料。實際應用中是同時采用上述2種方案實現(xiàn)汽車輕量化。輕量化材料主要有超高強度鋼、有色金屬合金和非金屬材料［1］。目前,鋁合金是應用最廣泛、加工技術最為成熟的汽車輕量化材料,具有明顯的技術和性能優(yōu)勢。

汽車輕量化用鋁合金的應用及特點

鋁及鋁合金材料具有很多環(huán)保性能:

◇密度小,可使車體質(zhì)量輕;

◇耐蝕性好,可實現(xiàn)無涂裝;

◇美觀耐用,容易進行表面處理;

◇易成形,可回收再生等。

與鋼相比,以鋁代鋼制造汽車可使整車重量減輕30%～40%,制造發(fā)動機可減重30%,制造輪轂可減重30%,而用鋁制造散熱器比銅制品輕20%～40%,其輕量化的效果非常明顯。

全世界鋁材消耗量的12%～15%以上用于汽車制造工業(yè),某些經(jīng)濟發(fā)達的國家已超過25%。鋁位居普通汽車中金屬材料消耗量的第3位,僅次于鋼與鑄鐵,而在全鋁車中的用量則攀升到第2位。新能源車由于能源系統(tǒng)的制約,全鋁合金結(jié)構(gòu)成為首選方案。汽車輕量化用鑄造鋁合金、變形鋁合金的主要部件系統(tǒng)見表1、表2。

表1 汽車輕量化用鑄造鋁合金的主要部件系統(tǒng)

表2 汽車輕量化用變形鋁合金的主要部件系統(tǒng)

目前,在汽車中鋁合金鑄件的應用最為顯著。從應用位置看,鋁合金板材是制造車身的主要材料,在未來市場中最具有潛力和發(fā)展前景。鋁合金中用于制造汽車車身的材料主要有2000系、5000系、6000系合金,這些鋁合金的沖壓性能已近似于鋼材,某些性能甚至已超過鋼材,完全有“能力”替代鋼材用于制造汽車車身。

汽車輕量化用變形鋁合金大多是高成形性能5000系和可熱處理6000系鋁合金,主要是用于汽車內(nèi)板和覆蓋件。各個國家和地區(qū)結(jié)合自身的技術特點和實際,采用的汽車輕量化鋁合金不盡相同:歐洲主要采用6016合金,北美主要采用6111合金,日本主要采用6k21合金。蟬聯(lián)美國汽車銷量榜首多年的福特F-150 車型,在2013 年底特律車展展出的升級F-150 車型的車身覆蓋件,均采用了6000 系為主的鋁合金材料,使得汽車減重達340 kg,燃油經(jīng)濟性提升接近20%。不可否認的是,可熱處理的6000系鋁合金成為目前研究的熱點。部分汽車輕量化用6000系變形鋁合金化學成分見表3,部分國家和品牌汽車輕量化用鋁合金見表4。

汽車用鋁合金在壓力加工中的工藝潤滑

汽車用變形鋁合金主要加工方式和制備過程為鋁合金鑄造、軋制、擠壓、鍛壓、沖壓、銑削、彎曲、焊接、鉚接、粘結(jié)等工序。汽車輕量化用鋁合金材料/零件制造對潤滑的要求主要為鑄造潤滑(冷卻與脫模)、擠壓潤滑、軋制潤滑、鍛壓潤滑、沖壓潤滑、銑削潤滑等。

變形鋁合金因其質(zhì)軟、易粘傷、易腐蝕的金屬特性,在汽車應用中要求鋁合金表面零缺陷、不涂裝和采用陽極氧化。與鋼鐵比,鋁合金的延伸率低、沖壓成形困難,有硬度低、易損傷的工藝性質(zhì),因此,汽車用鋁合金在壓力加工中的工藝潤滑就顯得尤為重要。

金屬塑性加工潤滑劑的分類主要包括潤滑油、潤滑脂、潤滑性粉末、薄膜材料(結(jié)干膜,電鍍、電泳、濺射、離子鍍固體潤滑膜,陶瓷膜等)和整體材料(金屬基、無機非金屬基、塑料基自潤滑材料等)。在鋁合金壓力加工中,主要使用油性、水性和固體潤滑劑,根據(jù)需要不同的加工方式配合不同潤滑劑:

◇在軋制(冷軋)和擠壓中,主要使用油性潤滑劑,在鋁合金的切削中也會用到油性潤滑劑;

◇在軋制(熱軋)、金屬切削及部分沖壓過程中使用水性潤滑劑;

◇固體潤滑劑主要用于鍛造及部分沖壓過程中;

◇鋁合金半連續(xù)鑄造中使用高溫油脂潤滑［2］。

鋁合金熱軋加工工藝潤滑

熱連軋鋁及鋁合金板帶適合采用大鑄錠、高速軋制生產(chǎn)高質(zhì)量冷軋坯料,用于大規(guī)模生產(chǎn)制罐料、PS版基、鋁箔毛料、ABS汽車鋁板等高精度產(chǎn)品［2］。鋁熱軋時軋件與軋輥處于高溫、高壓以及高摩擦狀態(tài),通常用乳化液進行潤滑和冷卻。乳化液是影響鋁及鋁合金咬入、控制板形和防止粘鋁、避免色差等表面質(zhì)量的關鍵因素。為實現(xiàn)軋件在軋制時的良好咬入,乳化液在熱粗軋中要有良好的冷卻、穩(wěn)定性能?？赏ㄟ^控制乳化液噴射量進而控制軋輥溫度?，F(xiàn)代化熱連軋機組多采用乳化液分段分級控制,根據(jù)板帶材的板形需要控制相應的輥型,乳化液的冷卻和潤滑性能是影響軋后產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。鋁材熱軋終軋溫度較高,強烈影響潤滑劑的吸附、解析附性能,影響乳化液的潤滑效果及老化過程。熱連軋過程的前后滑對軋制過程穩(wěn)定性有較大影響,進而影響到板帶厚度精度和板形。因此,對工藝潤滑的穩(wěn)定性要求更加嚴格。變形鋁合金熱軋乳液潤滑機理見圖2。

熱軋過程中,乳化液在高溫作用下,隨溫度的升高,從水包油的狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換成油包水的狀態(tài),最終油包含著添加劑起到潤滑作用,水進行冷卻。熱軋乳化液的潤滑性能主要取決于乳化液的粒徑與熱分離性、乳化油黏度與濃度和潤滑添加劑3個方面。

乳化液的熱分離性能決定熱連軋過程中的潤滑效果,乳化液的粒徑大小和分布對熱分離性能有直接的影響。乳化液的粒徑尺寸越小,乳化液越穩(wěn)定,油、水分離越困難,潤滑性能也越差;粒徑尺寸越大,則有利于油水兩相分離,減少軋輥表面粘鋁厚度,減少摩擦因數(shù),增加軋件油膜附著量,提高潤滑性能?？刂坪线m的乳化液粒徑尺寸,有利于降低軋制力,提高生產(chǎn)效率。乳化液粒徑尺寸與軋制力的關系曲線見圖3。

表3 部分汽車輕量化用6000系變形鋁合金化學成分

表4 部分國家和品牌汽車輕量化用鋁合金

乳化油黏度是從乳化液中分離出油相的黏度,對軋件的咬入和軋制潤滑效果有重要的影響。軋制壓力一定時,壓下率隨著乳化油黏度的增高而增大［5］。熱連軋時,流體動力潤滑機制起主要作用。為避免咬入時打滑,乳化油黏度一般應該選擇在50～70 mm2/s的范圍內(nèi)。乳化油黏度對壓下率的影響見圖4。

熱軋硬鋁合金時,乳化液濃度較低(油的質(zhì)量分數(shù)為0.8%～1.5%);熱軋軟鋁合金時,乳化液濃度較高(油的質(zhì)量分數(shù)為1.0%～2.0%)。

鋁材熱軋乳化油中潤滑添加劑主要是油性劑和極壓劑,但是對鋁材熱精軋而言,考慮到溫度的影響和鋁的自身特性,油性劑在軋制過程中起的作用更大,所以應該添加以油性劑為主的潤滑添加劑?？紤]到鋁熱連軋對工藝潤滑的要求較高,在潤滑添加劑的用量選擇上,以選擇常用添加劑的1.5～2.0倍的含量為最佳。

鋁合金冷軋加工工藝潤滑

鋁合金冷軋中工藝潤滑對合金的表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著重要的影響。鋁合金冷軋工藝潤滑是尋找一種鋁合金冷軋加工設備和加工工藝合理匹配的最佳工作狀態(tài),可綜合提高、改善軋制油的潤滑承載能力。潤滑軋制油黏度適中,適合高速大壓下量的鋁板、帶、箔的粗、中、精軋制,軋件質(zhì)量好。在實際生產(chǎn)應用中,要求潤滑軋制油產(chǎn)品的揮發(fā)性好,易清除,無腐蝕性,不產(chǎn)生退火油斑等。

圖2 變形鋁合金熱軋乳液潤滑機理［3］

圖3 乳化液粒徑尺寸與軋制力的關系曲線［4］

圖4 乳化油黏度對壓下率的影響［5］

與熱軋工藝不同,在鋁合金板材冷軋時金屬材料的變形抗力大,表面質(zhì)量要求高,摩擦的影響更為顯著。通過優(yōu)選添加劑、合理調(diào)配軋制油中添加劑的比例,能夠改善鋁合金冷軋加工過程中的工藝潤滑,達到降低軋制力、增大壓下量、減少工藝道次、減少鋁粉的產(chǎn)生,從而最終達到提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高表面質(zhì)量的效果。不同冷軋軋制速度對1100合金鋁板表面磨損的影響見表5,不同潤滑條件下冷軋壓下率對1100合金板表面磨損量的影響見圖5,5%QH005軋制油冷軋壓下率對油膜厚度的影響見圖6。

為提高加工效率,相比窄幅軋機,寬幅軋機在加工過程中壓下量更大,板面容易出現(xiàn)拉傷等質(zhì)量問題。相比普通鋁合金板材,汽車用鋁板對表面質(zhì)量要求更高,很多汽車廠家對汽車板材提出零缺陷要求。為應對寬幅大壓下量的要求,潤滑劑需要更大的油膜強度,保證在高溫下油膜不破裂。據(jù)介紹,北京杰潤科技有限公司針對汽車板加工中的工藝潤滑進行了深入的研究工作,研制出了WT-12p等系列產(chǎn)品。

鋁合金鍛造加工工藝潤滑

鋁合金鍛造加工,從工作溫度方面,可將鍛造分為冷鍛、溫鍛和熱鍛。鋁合金鍛造潤滑劑是起到降低鋁合金的鍛造負荷,防止模具卡死,減少模具磨損,并具有降溫和脫模的作用。鋁合金在鍛造加工中,模具的有效潤滑有利于金屬在模具中流動和成形,可以保證鍛件充滿型腔,降低合金鍛造力,并提高模具壽命。

鋁合金鍛造對潤滑劑的要求包括:

表5 不同冷軋軋制速度對1100合金鋁板表面磨損的影響[6]

圖6 5%QH005軋制油冷軋壓下率對油膜厚度的影響［6］

◇均勻地浸潤金屬的表面,防止局部潤滑不足;

◇使用過程不應有潤滑劑殘渣,潤滑劑殘渣可能聚集在模具深處不易排出,從而影響鍛件質(zhì)量;

◇潤滑劑不能腐蝕模具;

◇對模具有冷卻作用;

◇適合自動進樣裝置的使用以及良好的環(huán)境友好性能。

目前,石墨在鍛造類的潤滑劑中使用廣泛。石墨的潤滑性能好,價格低廉,但是石墨潤滑劑顆粒小,容易分散,易產(chǎn)生水氣、煙塵和油煙,會污染環(huán)境,對人體傷害很大［7］。常用的鋁合金鍛造用石墨潤滑劑見表6。常用鍛造石墨潤滑劑高溫摩擦系數(shù)見圖7,改進潤滑劑與傳統(tǒng)潤滑劑摩擦系數(shù)見圖8。

在環(huán)保壓力下,需研制開發(fā)非石墨類的潤滑劑。目前最迫切需要研制開發(fā)的是環(huán)保型的熱鍛潤滑劑。鋁合金熱模鍛溫度范圍約為360～480℃,模具預熱的溫度250～420 ℃。據(jù)資料介紹,采用硬脂酸鈣為潤滑材料、乙醇為載體制備的環(huán)保型無石墨潤滑劑,與傳統(tǒng)潤滑劑相比,摩擦系數(shù)明顯降低,鍛件表面光潔,潤滑劑殘留少、對環(huán)境污染小。

鋁合金沖壓加工工藝潤滑

鋁合金沖壓的加工形式包括剪切沖裁、彎曲、拉伸及其他成形加工。沖壓潤滑劑的特點有:減少工件和模具間的磨損,能夠承受巨大壓力,避免工件開裂;有良好的附著性,能夠形成均勻的油膜,降低摩擦系數(shù);容易從工件表面清洗;不破壞模具或工件的金屬性能;同時,具有優(yōu)異的環(huán)境友好性。

表6 常用的鋁合金鍛造用石墨潤滑劑

圖7 常用鍛造石墨潤滑劑高溫摩擦系數(shù)［8］

圖8 改進潤滑劑與傳統(tǒng)潤滑劑摩擦系數(shù)比較［8］

鋁合金沖壓成形過程一般分為壓邊階段(全膜潤滑)和板料穩(wěn)定變形階段(邊界潤滑)。在沖壓過程中,鋁合金表面形成的氧化膜相對基體比較脆硬,容易黏在磨具表面,容易劃傷模具表面［9］。實際沖壓過程中,需要使用潤滑劑對鋁件表面進行處理,改善沖壓性能,降低開裂情況的發(fā)生。

鋁合金沖壓成形潤滑劑的要求包括:

◇潤滑性。要求與金屬表面有很好的附著性,形成均勻分布的潤滑層,摩擦系數(shù)小,并能形成堅固的薄膜,并能承受較大的壓力。

◇冷卻性。沖壓等加工中產(chǎn)生熱量如摩擦熱、鋁合金板材塑性變形熱等影響工件性能和表面質(zhì)量。

◇可清洗性。潤滑劑容易從工件上被清洗掉,利于后工序的加工。

◇穩(wěn)定性。潤滑劑性能穩(wěn)定,易存放。

◇無公害性。沖壓加工時,不產(chǎn)生臭味和有害氣體,對人體皮膚沒有損傷。有足夠高的閃點,沒有發(fā)生火災的危險。對環(huán)境無污染。

潤滑劑對鋁合金板成形的影響,主要體現(xiàn)在能否有效隔離板料與模具、提高板料成形極限及模具壽命。需要潤滑劑有合適的黏度,既保證潤滑膜有一定厚度、較小的流動剪切應力,還要與板料表面有較強的黏附能力,在高壓工況下不被擠出,保證潤滑膜的完整性,提供穩(wěn)定的潤滑能力。

鋁合金板沖壓潤滑劑的類型為3類:

◇液體潤滑劑。液體潤滑劑一般分為油性和水性2種產(chǎn)品。相比傳統(tǒng)油性沖壓產(chǎn)品,水性沖壓產(chǎn)品具有安全性能高、相對使用量較少的優(yōu)點。

◇固體潤滑劑。只要是剪切強度比被加工金屬流動剪切強度低的固體物質(zhì)均可為固體潤滑劑,如MoS2/WS2、石墨等。其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系的層狀結(jié)構(gòu),分子層間的作用力很弱,極易沿著分子層面產(chǎn)生相對滑動。

◇液-固型潤滑劑。對于鋁合金板沖壓加工,用得最多的是液-固型潤滑劑,通常以懸浮液、溶膠、膏、覆膜等形式存在。

MoS2與石墨的層狀結(jié)構(gòu)見圖9油基-納米添加劑潤滑鋁合金板成形摩擦機理見圖10。

圖10 油基-納米添加劑潤滑鋁合金板成形摩擦機理［11］

目前,受環(huán)保方面的影響,國外在金屬成形潤滑方面,越來越多地使用水基潤滑劑,特別是歐洲、日本等發(fā)達國家。歐洲國家已經(jīng)研制可降解型沖壓潤滑劑。

圖9 MoS2與石墨的層狀結(jié)構(gòu)［10］

鋁合金切削加工工藝潤滑

鋁合金的切削包括車、磨、刨、銑、鉆等。根據(jù)鋁合金的性質(zhì),要求切削潤滑劑具有如下特點:

◇良好的表面加工效果,即使在難度較高的加工條件下仍可延長刀具的使用壽命。

◇良好的潤滑性能,并能保持較低的泡沫。

◇采用生物穩(wěn)定技術,有效對抗細菌和真菌,確保長使用壽命,遏制加工液腐敗。

◇適應不同的水質(zhì)環(huán)境,即使在硬水下,也能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

◇環(huán)境友好性,對操作者及環(huán)境無損害。

切削液在金屬切削加工中起到良好的冷卻、潤滑、清洗和防銹作用,可延長刀具使用壽命、改善工件表面質(zhì)量、提高加工效率、降低生產(chǎn)成本。對于鋁合金材料,金屬切削液要控制合金材料的表面的白斑或黑色腐蝕點等發(fā)生。潤滑劑生產(chǎn)廠家要幫助加工企業(yè)應對日益嚴苛的環(huán)保要求,提供長壽命、少維護的產(chǎn)品。切削液的生產(chǎn)廠家要在廢液處理上研制獨創(chuàng)技術。

Bluebe潤滑油是美國航空航天制造業(yè)專為耐熱耐腐蝕的鋁合金、鈦合金等材料開發(fā)的環(huán)保型植物切削液［12］。國內(nèi)廠家研制的CGPCUT OH210P產(chǎn)品也可以用在航天航空用的鋁合金材料加工中,同樣具備良好的環(huán)境友好性。美國Bluebe潤滑油部分性能指標見表7。

表7 美國Bluebe潤滑油部分性能指標

傳統(tǒng)切削液中使用的基礎油多為礦物油,但礦物油生物降解能力差,其生物降解能力僅能達到40%。合成酯具有優(yōu)異的生物降解性、潤滑性、水解穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、硬水穩(wěn)定性和良好的低溫特性,能夠提供多功能性以提高金屬加工切削液的效能。常用的切削液極壓添加劑為含硫、磷、氯等有機化合物,但含硫、磷化合物在水溶液中會助長微生物的繁殖,影響切削液的使用壽命;含氯極壓劑易引起金屬腐蝕,并且污染環(huán)境。

聚酯具有高潤滑性能和負荷承載能力。聚酯有固有的潤滑性,優(yōu)異的熱安定性、氧化安定性和水解安定性,以及與其他潤滑油基礎油及添加劑、彈性體、金屬及部件的相容性。

鋁合金的化學活性較強,在切削加工時鋁合金工件表面容易受到腐蝕,從而出現(xiàn)失光、變黑或長白斑等現(xiàn)象。新型非磷非硅型鋁緩蝕劑具有優(yōu)異的緩蝕能力和乳化作用,安全、環(huán)保、可生物降解,對各種鋁合金都具有十分優(yōu)異的緩蝕效果。乳化劑可降低油-水之間的界面張力,吸附在油相和水相,防止被乳化粒子的結(jié)合,保持切削液穩(wěn)定。脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸(簡稱醚羧酸)是一類抗硬水的陰離子表面活性劑。

鋁合金壓力加工潤滑劑的研究展望

對于鋁合金加工變形過程中的潤滑,傳統(tǒng)的油基、水基和固態(tài)潤滑劑盡管能滿足使用要求,特別是納米潤滑劑的添加極大地改善了潤滑性能,但因鋁材表面質(zhì)量有待提高,且潤滑劑不環(huán)保,使用越來越受到限制。

潤滑劑的使用在材料成形和其他的領域有著很廣泛的應用。潤滑劑的使用伴隨了鋁加工從鑄造制坯到最終制成零部件的全過程,礦物油為基礎的潤滑劑給環(huán)境保護帶來沉重的負擔,給企業(yè)帶來高昂的成本,“綠色”潤滑是鋁加工行業(yè)的期盼。研究開發(fā)出既具有好的承載能力,又具有理想的耐久性的潤滑材料,是今后潤滑劑研究發(fā)展的趨勢。預測未來的鋁合金壓力加工潤滑劑的發(fā)展方向如下:

◇結(jié)合潤滑摩擦學基本原理與金屬塑性加工的工藝特點,建立新型潤滑模型。鋁合金成形過程受力狀態(tài)復雜,不僅要考慮鋁材易黏附的特性,還要考慮模具、鋁材的幾何形狀、表面形貌、潤滑狀態(tài)的影響,研究潤滑添加劑分子在吸附層中作用行為的微觀機制和流變潤滑效應等,建立鋁合金壓力加工新型潤滑模型。

◇重點研發(fā)水基液-固潤滑劑。分析金屬發(fā)生塑性流動時潤滑界面的運動學特征,研究常用添加劑分子在金屬表面吸附的熱力學關系,加大對納米潤滑粒子摩擦機理的研究,開發(fā)具有滾動摩擦的納米添加劑,轉(zhuǎn)變潤滑模式。

◇研究潤滑界面上有機極性分子與界面金屬原子間的作用機理,在鍛造、沖壓、拉伸等模具表面應用干膜潤滑,加強對金屬基納米固體潤滑涂層的研究,開發(fā)能夠自適應的、智能的固體潤滑涂層。

◇開發(fā)“綠色”環(huán)保的新型潤滑劑。深入研究鋁合金壓力加工潤滑劑的摩擦作用機理,針對綠色潤滑劑的分子結(jié)構(gòu)特征和摩擦化學機理,制備對環(huán)境友好潤滑油的抗氧劑、添加劑等。