Tendência leve automotiva acompanhada por liga de alumínio

Figura 1. Alterações na quantidade média de alumínio usado em carros europeus
Hoje, o termo "leve" evoluiu da terminologia da indústria automotiva para o vocabulário de alta frequência nas notícias da mídia. No "Made in China 2025", o peso leve também foi considerado uma direção importante para o desenvolvimento da indústria automobilística. Simplificando, o peso leve é reduzir o peso do veículo o máximo possível, garantindo a força e a segurança do veículo, melhorando assim a potência do veículo, reduzindo o consumo de combustível e a poluição dos escapamentos. Nos últimos anos, à medida que os requisitos de proteção ambiental e conservação de energia se tornaram mais rigorosos, o peso do automóvel tornou-se uma tendência incontrolável no desenvolvimento dos automóveis do mundo. De acordo com a Associação Européia de Alumínio, cada 100 kg de qualidade de carro pode economizar 0,6 L de combustível por 100 quilômetros e reduzir CO2800-900 g. O alumínio tem uma densidade de apenas 1/3 do aço e boa plasticidade e recuperação. É um material leve ideal para automóveis. Durante a primeira crise do petróleo da década de 1970, diante do aumento dos preços do petróleo, as montadoras de todo o mundo tentaram usar ligas de alumínio para fabricar radiadores de aço, cabeçotes e amortecedores. Eficiência do combustível. Desde então, a proporção de ligas de alumínio nos automóveis tem aumentado. De acordo com dados de pesquisa divulgados pela famosa consultoria Ducker Worldwide, o consumo médio de alumínio nos carros europeus triplicou desde 1990, de 50 kg para os atuais 151 kg, e aumentará para 196 kg em 2025.

Figura 2. Proporção de distribuição do alumínio automotivo europeu (140kg) (dados de 2012)
Atualmente, a tendência dos veículos leves está se tornando cada vez mais feroz, e as ligas de alumínio são amplamente usadas em hubs, motores, radiadores e tubos de óleo. A qualidade da carroceria representa cerca de 40% da massa total do carro. Para a redução de peso de todo o carro, o peso da carroceria desempenha um papel importante. De acordo com a European Body Conference de 2016 (EuroCarBody 2016), a taxa de aplicação da liga de alumínio alcançou mais da metade da qualidade de alguns modelos high-end de body-in-white (ou seja, o corpo soldado mas não pintado) ) Por exemplo, a taxa de aplicação de liga de alumínio DB11 da Aston Martin é tão alta quanto 86.1%, a Honda NSX (Acura NSX) de segunda geração é 79.0% e a Land Rover Discovery de quinta geração é 62.9%. No entanto, a aplicação de ligas de alumínio no corpo de modelos comuns ainda é relativamente pequena. Segundo dados da conhecida consultoria Ducker Worldwide, a penetração dos painéis de liga de alumínio nas carroçarias foi de apenas 4% em 2015. Hoje, a carroceria de alumínio ainda é uma tecnologia na ponta da pirâmide e é usada apenas em alguns modelos high-end. O corpo leve é um importante tópico de pesquisa no desenvolvimento de fabricantes leves.

Figura 3. Distribuição da aplicação da liga de alumínio Aston Martin DB11

2. Principais tipos de liga de alumínio para veículos

Atualmente, as ligas de alumínio para automóveis podem ser basicamente divididas em ligas de alumínio fundidas e ligas de alumínio deformadas, entre as quais as ligas de alumínio fundidas são usadas principalmente, representando cerca de 66%. A liga de alumínio deformada pode ser ainda dividida em chapas laminadas (18%), chapas extrudadas (11%) e uma pequena quantidade de peças forjadas (5%). Vale ressaltar que, embora a liga de alumínio fundido em 2016 ainda seja a principal forma de liga de alumínio automotiva, sua participação caiu 8 pontos percentuais em relação a 2012. Pelo contrário, devido ao desenvolvimento de carroceria leve, a parcela de laminados A chapa aumentou significativamente de 13% em 2012 para 18% em 2016. Ao mesmo tempo, a participação de perfis extrudados e forjados não muda muito.

Figura 4. Comparação de ligas de alumínio automotivas europeias em 2016 e 2012

Liga de alumínio a.Cast

A liga de alumínio fundido é o tipo de liga de alumínio mais utilizado na maioria dos automóveis e é amplamente utilizada em peças estruturais como rodas, peças de motores, chassis, suportes de amortecedores e armações espaciais. Na indústria automotiva, as rodas de liga de alumínio fundido são as peças que mais crescem com taxas mais altas de aluminização. Atualmente, a maioria das rodas de liga de alumínio é fabricada por fundição de baixa pressão usando a liga A356, e algumas rodas de alta qualidade são fabricadas por fundição por extrusão, forjamento ou fiação. O bloco de cilindros e a cabeça do motor exigem boa condutividade térmica e resistência à corrosão, o que é a vantagem da liga de alumínio. Atualmente, um grande número de carros nacionais e estrangeiros usa blocos de cilindros e cabeçotes de alumínio, mas o ferro fundido ainda é usado em alguns lugares onde são necessárias alta resistência e alta resistência. Nos últimos anos, o desenvolvimento de novas ligas Al-Si-Cu-Mg-Fe e o desenvolvimento das tecnologias de fundição correspondentes permitiram que as peças fundidas de liga de alumínio alcancem um desempenho mais alto, promovendo ainda mais a aplicação de ligas de alumínio nos componentes do motor, incluindo motores a diesel. Os métodos de fundição para cabeças de cilindro também são diversos, como fundição por gravidade e fundição de baixa pressão. Além disso, as ligas de alumínio fundido têm sido amplamente utilizadas em peças estruturais, como suportes de amortecedores, baterias de veículos elétricos e armários estruturais. Como esses componentes são principalmente membros de paredes finas com formas complicadas, eles geralmente são fabricados por um método de fundição de alta pressão usando uma liga de Al-Si.

b. liga de alumínio deformada

Comparado com as ligas de alumínio fundido, a parcela média de aplicação de ligas de alumínio deformadas nos automóveis ainda é pequena. De acordo com uma pesquisa da Ducker Worldwide, as ligas de alumínio deformadas representaram apenas 34% de ligas de alumínio automotivas em 2016 (18% para chapas laminadas, 11% para perfis extrudados e 5% para forjados). No entanto, em alguns modelos de ponta que usam um corpo todo em alumínio, a participação do alumínio deformado é muito maior do que a do alumínio fundido. Atualmente, o setor investiu pesadamente na tecnologia de pesquisa e desenvolvimento e aplicação de ligas de alumínio deformadas, incluindo a tecnologia de carroceria de alumínio, e sua proporção aumentou rapidamente. A Ducker Worldwide prevê que, devido ao rápido desenvolvimento da tecnologia de carroceria de liga de alumínio, a aplicação de ligas de alumínio deformadas (especialmente chapas laminadas) em automóveis dará início a um rápido crescimento (como mostra a Figura 1).
A liga de alumínio deformada automotiva inclui principalmente as séries 5xxx (tipo Al-Mg), 6xxx (tipo Al-Mg-Si) e uma pequena quantidade das séries 2xxx (tipo Al-Cg) e 7xxx (Al-Zn- Tipo Mg). Entre elas, a liga da série 5xxx não pode ser tratada e reforçada com calor, e a propriedade de moldagem é excelente. No entanto, após a formação, o ponto de escoamento é prolongado e a superfície é enrugada, o que afeta a qualidade da aparência do produto e, portanto, é usada principalmente para uma forma complicada, como um painel interno. A liga da série 6xxx pode ser tratada termicamente e reforçada pela solução sólida de Mg e Si e pelo envelhecimento da precipitação da fase Mg2Si. A resistência após o revestimento e a secagem é aprimorada e a resistência do dente é alta, o que é adequado para os requisitos do painel externo e da estrutura do corpo. Força, rigidez. Exceto para chapas laminadas, os perfis extrudados também são importantes ligas de alumínio deformadas para automóveis, geralmente adequadas para partes estruturais de seção igual, como pára-choques, caixa de absorção de energia, seção frontal da viga longitudinal dianteira, soleira, seção traseira da viga longitudinal traseira. A resistência média 6xxx é o principal material para perfis extrudados devido à sua alta taxa de extrusão e qualidade da superfície, bem como às propriedades de endurecimento por idade durante a extrusão. As ligas de alumínio 7xxx de alta resistência também são usadas para produzir perfis extrudados onde é necessária alta resistência. Ao mesmo tempo, para melhorar a resistência ao impacto, os perfis dos perfis são principalmente "boca", "dia" e "malha".

Figura 5. Caixa absorvente de energia do tipo “Dia” para perfis extrudados (antes da colisão à esquerda e após a colisão à direita)

3. O desafio e direção de desenvolvimento da liga de alumínio automotiva

As ligas de alumínio desempenham um papel importante na onda leve do carro, mas também enfrentam desafios importantes. De fato, o peso leve não é apenas reduzir o peso, mas equilibrar o desempenho, a segurança, o custo e o peso do veículo. Atualmente, a resistência do núcleo das ligas de alumínio automotivas ainda é de alto custo, o que torna a aplicação da carroceria totalmente em alumínio limitada apenas aos modelos de ponta e temporariamente incapaz de expandir para um grande número de modelos econômicos. A limitação de desempenho das ligas de alumínio também é um fator importante que restringe seu desenvolvimento. Em algumas partes, ele ainda não pode substituir o aço. Ao mesmo tempo, a tecnologia de conexão de ligas de alumínio, especialmente a tecnologia de união de materiais múltiplos de ferro fundido-alumínio, aço-alumínio, magnésio-alumínio, etc., também é um fator importante na aplicação de ligas de alumínio em automóveis. O novo A8 D5 da Audi "descartou" o corpo todo em alumínio que está em uso há mais de 20 anos e usou um aço de alta resistência com peso considerável. Afetado por isso, o modelo D5 ganhou 51KG a mais que o modelo anterior, mas a rigidez torcional do corpo aumentou em 24%, a segurança foi bastante aprimorada e o custo foi bastante reduzido.
No âmbito do sexto programa-quadro, a UE organizou 38 unidades em nove países e regiões em 2004-2009 para implementar o projeto conjunto de pesquisa e desenvolvimento de órgãos super leves (SuperLight-Car). A experiência deste projeto mostra que o desenvolvimento futuro de ligas de alumínio automotivas deve se concentrar no desenvolvimento de novas ligas de alto desempenho e novas tecnologias de produção. O trabalho de P&D também precisa integrar recursos. As montadoras vão liderar a cooperação com matérias-primas, fornecedores de peças e instituições de pesquisa científica relacionadas para explorar conjuntamente tecnologias leves avançadas e promover o estabelecimento de uma cadeia industrial leve.
Principais materiais de referência:
1.Hirsch, J. (2014). Desenvolvimento recente em alumínio para aplicações automotivas. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 24 (7), 1995-2002.
2.Hirsch, J. (2011). Alumínio com design inovador para veículos leves. Transações de Materiais, 52 (5), 818-824.
3. Lahaye, C., Hirsch, J., Bassan, D., Criqui, B., Sahr, C., Goede, M. e Volkswagen, AG (2008). Contribuição do alumínio para o design BIW leve e multi-material do superlight-car [C]. Em HIRSCH J, SKROTZKI B, GOTTSTEIN G. Anais da 11ª Conferência Internacional sobre Ligas de Alumínio. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (pp. 2363-2373).
Conteúdo 4.Aluminum nos carros. Ducker Worldwide, https://www.ducker.com/
5. Alumínio em carros, desbloqueando o potencial de peso leve. Associação Europeia do Alumínio, https://www.european-aluminium.eu/
Os dados foram analisados por meio de entrevistas semiestruturadas e entrevistas semiestruturadas. Carro super leve - construção leve graças a um design de materiais múltiplos e integração de funções, European Transport Research Review, 1: 5-10.
7.2016 European Body Conference (EuroCarBody) informações.

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