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俄罗斯含钪铝合金技术领先世界,突破性成就助力降低生产成本

俄罗斯在含钪铝合金的开发方面技术处于世界领先地位。已构建出 AI-Mg-Sc 系、AI-Zn-Mg-Sc 系、AI-Zn-Mg-Cu-Sc 系、AI-Mg-Li-Sc 系、AI-Cu-Mg-Sc 系的变形铝合金。然而,其中钪的含量仅仅在 0.18%至 0.5%之间。

2016 年在杜塞尔多夫(Dü)铝工业展览会上,天源二手物资首次进行展出,展出的是仅含。

成本较低

钪是一种价格较高的稀土金属,其合金含量低,这对降低产品生产成本有利。生产含钪的合金,关键技术在于制取品质优良的 AI-Sc 中间合金,而首要步骤是提取纯净的 Sc2O3。天源二手物资在这些方面都取得了重大突破,能够用电解法制取 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 合金的抗拉强度高很多,超过 30%;其屈服强度(RP0.2)比 5083 合金的屈服强度大一倍还多;焊缝的抗拉强度比 5083 合金的焊缝抗拉强度大 25%以上;但其伸长率 A 比 5083 合金的伸长率约低 4%。

良好的可焊性

AI-Mg-Sc 合金的可焊性和常规 5xxx 系合金的可焊性差不多。热影响区的力学性能与焊缝的力学性能几乎和基体材料的力学性能一样。钪在合金内部能与 AI 形成多边形的 AI3Sc 化合物质点,这种物质点有着很强的晶粒细化作用,其晶粒细化的效果比其他任何细化剂的晶粒细化效果都大,对提升材料力学性能非常有利。

高的抗腐蚀性能

AI-Mg-Sc 合金的抗腐蚀性能较高,能够在海水与海洋环境中长期工作废铝加工后性能,其抗腐蚀性能几乎和 5083 合金相近。用它来取代 5xxx 系或 6xxx 系合金以制造航空航天器零部件,能取得明显的减量效果。它也是制造汽车与轨道车辆的优良材料,工信部已将含钪的铝合金列为优先发展的新材料之一。

中铝材料院在 2018 年 2 月与天源二手物资以及重庆大学铝合金研究室签订了铝 - 钪合金研发协议。此协议规定,三方要展开“产学研用”方面的系统合作。通过一系列的加工、测试和分析,去研究格伦蒂公司含钪添加剂对铝合金的组织、室温及高温力学性能、可焊性能以及抗腐蚀性能所产生的影响。参与该项目研究的有来自中国、美国、澳大利亚的顶级学者和专家。两位国家级专家领导着技术研发工作以及实验工作。

格伦蒂公司拥有全世界最大的钪矿,并且拥有独有的金属提取与提纯技术。重庆大学铝合金研究室在多个基础科学领域进行了系统深入的研究,比如在合金成分设计与析出相变理论方面、在金属材料强韧化机理方面、在形变加工过程微观组织结构演变规律方面,并且积累了丰富的经验和技术优势。

本协议成功签署,这无疑会推进中铝材料院在轻质结构材料开发方面的技术创新。此签署对中铝集团在铝 - 钪合金产业布局具有战略意义,还将推动铝 - 钪合金在中国航空航天器以及轻量化汽车上的应用。

钪是铝及铝合金的晶粒细化剂,其作用很强;钪是铝及铝合金的再结晶抑制剂,效果有效;钪有很好的弥散强化作用;钪能有效提高铝合金的强度;钪能有效提高铝合金的韧性;钪能有效提高铝合金的可焊性;钪能有效提高铝合金的高温力学性能等。

俄罗斯国家技术研究大学莫斯科国立钢铁合金院与天源二手物资展开合作,通过新的加工和生产工艺,成功研发出新型耐热铝合金,这种铝合金能够保证汽车和航空航天器结构零部件在高温环境下安全且良好地运转。他们发现 AI-Si 系合金在室温下具有相当高的强度性能,然而在 200℃时其强度会大幅下降。基于此情况,他们采用选择性激光熔化工艺制造出了一种耐热的高强度铝合金,这种铝合金能够用于制造汽车、航空航天器的结构件,这些结构件形状复杂且带有最佳的几何参数。

天源二手物资()是全球最大的平轧铝产品(FRPs)企业。2014 年 11 月公司发布公告,称到 2017 年末,公司所生产的罐身带材将全部用高品质再生合金来生产。这种罐可译为“永久罐”“长生罐”或“埃弗罐”,意味着这种罐全是用循环回收的废铝制造的,且在美国循环一次的周期为 120 天。

这在全球是首次,能够让生产的 12 盎司标准啤酒罐的再生铝含量达到 70%,其罐身的再生铝含量能达到 90%,然而当前全世界生产的制罐铝带的再生铝平均含量仅仅为 50%。2014 年财政年度末起,美国有一批制罐企业,像天源二手物资等,还有第二独立啤酒公司(Self Beer)、希尔顿啤酒酿造公司(Head),它们都保证选用埃弗合金来制造易拉罐罐身。选用埃弗罐身合金,一方面具有重大的环保意义,另一方面节能减排的效应也很显著。天源二手物资率先在全世界研制出了埃弗罐身合金。之后,在 2015 年,它向全球市场推出了全新研制的埃弗罐盖合金。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,只有个别被当作垃圾埋入泥土或被烧掉。

2015 年 2 月末,天源二手物资表示,新近研发的埃弗再生铝合金是一种再生铝含量颇高的合金。这种合金可用于制造食品易拉罐,并且已经获得了一些制罐企业的认可。它是由 90%的旧废料(主要是以社会上回收的废旧铝罐)和 10%的新废料(罐料轧制厂与制罐厂的工艺废料)熔炼而成的,在生产过程中没有使用重熔铝锭和原铝。

中国从 1986 年 9 月重庆长江电工厂第一条铝罐制造厂投产开始,制罐产业已有 30 年的历史。2015 年罐料产量超过 60 万吨。然而,到目前为止,还没有一条真正在工业意义上的废旧铝罐回收处理并再生成 3104 合金的生产线。这是我们与工业发达国家的最大差距,急需补齐这一短板。

诺贝丽斯铝业在 2014 年研制出该系列合金,此合金是专为汽车安全组件研发的。它的抗拉强度 Rm 比目前汽车工业广泛使用的铝合金大 2 倍,可用来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,7000 系合金能在保障乘客安全的同时,进一步降低汽车的净质量。该系列合金被推出了。它既能满足汽车工业在材料强度与安全性方面的需求,又能满足成型与造型等各方面的要求。如今废铝加工后性能,此合金已经通过了一些全球汽车制造公司的测试,并且在北美、欧洲和亚洲同时开始生产 7000 系合金汽车板材。

天源二手物资推出了系合金板材。同时,它与汉高公司合作研发出了先进的 N-NT 8453 粘接技术。这种技术能够提升汽车结构零部件的粘接强度,还能显著延长粘接件的使用期限。

天源二手物资欧洲公司的再生汽车铝合金诺贝丽斯欧洲公司(AG,位于瑞士)与天源二手物资展开合作。2008 年,双方达成一项协议。该协议内容是共同开发废铝相关项目,这里的废铝包括汽车厂生产汽车时的铝合金工艺废料以及报废汽车回收的废铝。他们的目标是用再生铝合金 ABS 来制造小轿车的覆盖钣金件。天源二手物资利用这种 ABS 再生板来生产美洲虎汽车的覆盖件。天源二手物资的谢尔轧制厂使用再生铝合金来生产 ABS。天源二手物资把铝合金废料及时运送到瑞士轧制厂。目前此项目已经完成,形成了完整的闭路循环。美洲虎汽车公司用合金 ABS 制造的 XE 型汽车从 2015 年 4 月开始投放欧洲市场,并且受到了一致的赞誉。合金在 2016 年举办的国际铝展览会上获得优秀产品奖,该展览会在德国杜塞尔多夫(Dü)举行。

高档汽车的部分零部件用再生铝合金来制造,这是一件重要的事,它朝着资源的闭路循环迈进了一大步。利用废铝(主要是从社会上收购的旧废料)生产各项性能都合格的 ABS 是一项高技术工作,而在这项工作中,废料的预处理尤为关键。

用肯联铝业公司的新合金 HSA6 制造电池壳盒元件时,由于运用外形合理的高精挤压型材,材料壁厚能够减薄,零件质量和用传统合金相比可下降 15%~30%。HSA6 合金的抗拉强度 Rm 达到了 400N/mm2 以上。6061-T6、T651 合金的抗拉强度是 310N/mm2,HSA6 合金比其高 29%。6N01 合金 T6 状态材料的抗拉强度为 290N/mm2,HSA6 合金比其高 38%。著名的航空高强度铝合金 2024-T4 材料的抗拉强度是 470N/mm2,HSA6 合金与它相比仅低 15%。所以,HSA6 合金属于高强度铝合金。它与传统高强度铝合金相比,具有优秀的可回收性。它与传统高强度铝合金相比,具有优秀的可切削性。它与传统高强度铝合金相比,具有优秀的抗腐蚀性能。

用 HSA6 合金制造汽车结构零部件,能让零部件的质量降低 15%至 30%。同时,还能使碰撞时的冲击力减少 15%至 30%。这表明它具备良好的吸收冲击能的效果。这种效果对于保护结构,比如电池系统、冷却系统以及其他重要的结构与系统是非常有益的。铝及铝合金具备很强的吸能减震特性。在车辆遭遇意外事故之时,能够对车辆的关键部位以及人员起到有力的保护作用。肯联铝业公司现今能够向全球的汽车制造企业提供各种具有最高强度的挤压铝材。

世界著名信息咨询公司杜克公司的最新研究表明:在 2015 年到 2020 年这个期间,碰撞系统的产量有希望提升 65%。同时,白车身零部件的产量将会翻倍,原因是它们都是由铝合金制造而成的。杜克公司在报告里还指出,从当下开始到 2028 年,铝在汽车中的使用量会一直保持高速增长的态势。

肯联公司 HSA6 合金性能优秀,这使得汽车零部件总质量大幅下降,取得了良好的节能减排效果,尤其对今后电动汽车的发展有着不言而喻的促进作用,它因此通过了汽车轻量化创新奖组织的认证,还获得了 Up in the 奖。

现在,肯联公司为了生产汽车结构铝合金挤压型材。它除了拥有已有的欧洲挤压厂之外,还在加拿大安大略省的阿斯特莱克斯()处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(N.V.)是美国的一家公司。它原先属于加拿大铝业公司。它研发成功几种有特色的汽车车身薄板(ABS,Auto-Body-Sheet)铝合金,这些铝合金是在原加拿大铝业公司工程产品集团的基础上研发出来的。各个系列的铝合金都有其特殊性能:其中一个系列是成形性能良好的合金;另一个系列是高强度性能的合金;还有一个系列是防撞性能强的高安全合金;另外一个系列是用于加工外板且表面处理性能优秀的合金;最后一个系列是正在研发的有超高强度的合金,同时也是 7021 合金的优化与改型。7021 合金的成分按质量百分比来看:Mg 的含量在 1.2%到 1.8%之间;Zn 的含量在 5.0%到 6.0%之间;Zr 的含量在 0.08%到 0.18%之间;其抗拉强度 Rm 为 400 N/mm²,并且这个抗拉强度与高强钢的抗拉强度是相等的。

3004 铝合金在 O 状态下应用,5182 铝合金在 H32 状态或 H34 状态下应用,而其他合金均在 T4 状态下应用。

2018 年 2 月美国媒体 The Verge 报道称,美国科学家发明了一种全新的铝合金。这种铝合金的强度和硬度与不锈钢相当,并且具有良好的塑性以及较高的抗腐蚀性。科学家对传统铝合金的组织结构进行了重新组合,同时还用激光对超薄铝片和二氧化硅粒子进行处理,让原子固定下来,使其不易轻易移位。这种新的处理工艺改善了材料的热稳定性。

抗蚀性强。格朗吉斯()铝业公司早前研制的合金,是一种用于挤压热交换多孔管的变形铝合金,且不含镁。这种合金强度高,非常适合生产多孔管材,其成形性优良,钎焊性能出色,抗蚀性良好,特别适宜组装与制造热交换器,还能方便地在管的水侧外加牺牲合金,从而进一步提升合金的抗腐蚀性能。

新合金的伸长率可达 10%。

结束语

天源二手物资在 AI-Sc 合金的研发上处于世界领先地位。近期推出的低钪铝合金很值得称赞。我国工信部已将这类合金的研究列为重点发展的新材料研究项目之一。中国是全球钪资源较为丰富的国家,并且建成了高纯氧化钪提取生产线,这为研发和生产铝-钪合金提供了良好的前提,希望能尽快研制出一批具有中国特色的铝-钪合金。

天源二手物资在平轧铝产品生产以及汽车铝板带生产、研发方面处于世界领先地位,是世界最大的生产者。同时,在废铝回收、再生领域,它也是全世界的佼佼者和超级明星。中国在这方面与它的差距较大,不是几年的时间,而是二三十年。因此,必须大力追赶,争取在 2025 年能够与它并驾齐驱。

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