Xu hướng ô tô nhẹ đi kèm với hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm: lực lượng chính để sản xuất ô tô nhẹ 1

Hình 1. Những thay đổi về lượng nhôm trung bình được sử dụng trong ô tô châu Âu
Ngày nay, thuật ngữ "nhẹ" đã phát triển từ thuật ngữ của ngành công nghiệp ô tô thành từ vựng tần số cao trong tin tức truyền thông. Trong “Made in China 2025”, trọng lượng nhẹ cũng được coi là hướng đi quan trọng cho sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô. Nói một cách đơn giản, độ nhẹ là giảm trọng lượng của xe nhiều nhất có thể mà vẫn đảm bảo sức bền và độ an toàn của xe, từ đó nâng cao sức mạnh của xe, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải. Trong những năm gần đây, khi các yêu cầu về bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng ngày càng khắt khe hơn, trọng lượng nhẹ ô tô đã trở thành một xu hướng không thể ngăn cản trong sự phát triển ô tô của thế giới. Theo Hiệp hội Nhôm Châu Âu, cứ 100kg chất lượng ô tô có thể tiết kiệm 0,6L nhiên liệu trên 100 km và giảm CO2800-900g. Nhôm có tỷ trọng chỉ bằng 1/3 thép và có độ dẻo và thu hồi tốt. Nó là một vật liệu nhẹ lý tưởng cho ô tô. Trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ đầu tiên của những năm 1970, trước tình hình giá dầu tăng cao, các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đã cố gắng sử dụng hợp kim nhôm để làm thép tản nhiệt, đầu xi lanh và cản. Tiết kiệm nhiên liệu. Kể từ đó, tỷ trọng hợp kim nhôm trong ô tô ngày càng tăng. Theo dữ liệu nghiên cứu được công bố bởi công ty tư vấn nổi tiếng Ducker Worldwide, mức tiêu thụ nhôm trung bình trên ô tô châu Âu đã tăng gấp ba lần kể từ năm 1990, từ 50kg lên 151kg hiện tại và sẽ tăng lên 196kg vào năm 2025.

Hợp kim nhôm: lực lượng chính để sản xuất ô tô nhẹ 2

Hình 2. Tỷ lệ phân phối nhôm ô tô Châu Âu (140kg) (số liệu năm 2012)
Hiện nay, xu hướng sử dụng các phương tiện nhẹ ngày càng trở nên gay gắt hơn, và hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi trong các trung tâm, động cơ, bộ tản nhiệt và ống dẫn dầu. Chất lượng thân xe chiếm khoảng 40% tổng khối lượng của xe. Đối với việc giảm trọng lượng của toàn bộ ô tô thì trọng lượng của thùng xe đóng một vai trò quan trọng. Theo Hội nghị thân xe châu Âu 2016 (EuroCarBody 2016), tỷ lệ ứng dụng của hợp kim nhôm đã đạt hơn một nửa chất lượng của một số mẫu body-in-trắng cao cấp (tức là thân xe được hàn nhưng không sơn ). Ví dụ, tỷ lệ ứng dụng hợp kim nhôm DB11 của Aston Martin cao tới 86.1%, Honda NSX thế hệ thứ hai (Acura NSX) là 79.0% và Land Rover Discovery thế hệ thứ 5 là 62.9%. Tuy nhiên, ứng dụng của hợp kim nhôm trên thân của các mô hình thông thường vẫn còn tương đối ít. Theo dữ liệu từ công ty tư vấn nổi tiếng Ducker Worldwide, mức thâm nhập của các tấm hợp kim nhôm trong thùng xe chỉ là 4% vào năm 2015. Ngày nay, thân xe hoàn toàn bằng nhôm vẫn là một công nghệ ở đỉnh của kim tự tháp, và nó chỉ được sử dụng trên một số dòng máy cao cấp. Cơ thể nhẹ là một chủ đề nghiên cứu quan trọng trong sự phát triển của các nhà sản xuất nhẹ.

Hợp kim nhôm: lực lượng chính để sản xuất ô tô nhẹ 3

Hình 3. Phân phối ứng dụng hợp kim nhôm Aston Martin DB11

2. Các loại hợp kim nhôm chính cho xe

Hiện nay, hợp kim nhôm cho ô tô về cơ bản có thể được chia thành hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng, trong đó hợp kim nhôm đúc chủ yếu được sử dụng, chiếm khoảng 66%. Hợp kim nhôm bị biến dạng có thể được chia thành tấm cuộn (18%), tấm ép đùn (11%) và một lượng nhỏ các bộ phận rèn (5%). Điều đáng chú ý là mặc dù hợp kim nhôm đúc năm 2016 vẫn là dạng chính của hợp kim nhôm ô tô nhưng thị phần của nó đã giảm 8 điểm phần trăm so với năm 2012. Ngược lại, do sự phát triển của thân xe nhẹ nên thị phần của cán tấm tăng đáng kể từ 13% trong năm 2012 lên 18% vào năm 2016. Đồng thời, tỷ trọng của cấu hình đùn và rèn không thay đổi nhiều.

Hợp kim nhôm: lực lượng chính để sản xuất ô tô nhẹ 4

Hình 4. So sánh hợp kim nhôm ô tô của Châu Âu năm 2016 và 2012

a. hợp kim nhôm đúc

Hợp kim nhôm đúc là loại hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các loại ô tô, và được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận kết cấu như bánh xe, bộ phận động cơ, khung gầm, giá đỡ giảm xóc và khung không gian. Trong ngành công nghiệp ô tô, bánh xe hợp kim nhôm đúc là bộ phận phát triển nhanh nhất với tỷ lệ nhôm hóa cao hơn. Hiện nay, hầu hết các bánh xe hợp kim nhôm được sản xuất bằng cách đúc áp suất thấp sử dụng hợp kim A356, và một số bánh xe cao cấp được sản xuất bằng cách đúc đùn, rèn khuôn hoặc kéo sợi. Cả khối xi lanh và đầu xi lanh của động cơ đều yêu cầu phải dẫn nhiệt tốt và chống ăn mòn, đây là ưu điểm của hợp kim nhôm. Hiện nay, một số lượng lớn xe ô tô trong và ngoài nước sử dụng khối xi lanh và đầu xi lanh bằng nhôm, nhưng gang vẫn được sử dụng ở một số nơi cần độ bền cao và khả năng chống chịu cao. Trong những năm gần đây, sự phát triển của hợp kim Al-Si-Cu-Mg-Fe mới và sự phát triển của công nghệ đúc tương ứng đã cho phép các vật đúc hợp kim nhôm đạt được hiệu suất cao hơn, thúc đẩy hơn nữa việc ứng dụng hợp kim nhôm trong các thành phần động cơ, bao gồm cả động cơ diesel. Phương pháp đúc cho đầu xi lanh cũng rất đa dạng, chẳng hạn như đúc trọng lực và đúc áp suất thấp. Ngoài ra, hợp kim nhôm đúc đã được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận kết cấu như giá đỡ giảm xóc, bộ ắc quy xe điện và tủ kết cấu. Vì các thành phần này hầu hết là các thành viên có thành mỏng với hình dạng phức tạp, chúng thường được sản xuất bằng phương pháp đúc áp suất cao sử dụng hợp kim Al-Si.

b. hợp kim nhôm định hình

So với hợp kim nhôm đúc, tỷ lệ ứng dụng trung bình của hợp kim nhôm biến dạng trong ô tô vẫn còn nhỏ. Theo một cuộc khảo sát của Ducker Worldwide, hợp kim nhôm biến dạng chỉ chiếm 34% trong hợp kim nhôm ô tô vào năm 2016 (18% đối với tấm cuộn, 11% đối với thanh ép đùn và 5% đối với rèn). Tuy nhiên, ở một số mẫu máy cao cấp sử dụng thân máy hoàn toàn bằng nhôm, tỷ lệ nhôm bị biến dạng cao hơn nhiều so với nhôm đúc. Hiện nay, ngành công nghiệp này đã đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ hợp kim nhôm biến dạng trong đó có công nghệ nhôm toàn thân, và tỷ trọng của nó đã tăng lên nhanh chóng. Ducker Worldwide dự đoán rằng do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thân xe bằng hợp kim nhôm, việc ứng dụng hợp kim nhôm biến dạng (đặc biệt là các tấm cuộn) trong ô tô sẽ mở ra tốc độ phát triển nhanh chóng (như trong Hình 1).
Hợp kim nhôm biến dạng ô tô chủ yếu bao gồm loạt 5xxx (loại Al-Mg), loại 6xxx (loại Al-Mg-Si), và một lượng nhỏ loạt 2xxx (loại Al-Cg) và loại 7xxx (Al-Zn- Loại Mg). Trong số đó, hợp kim dòng 5xxx không thể được xử lý nhiệt và tăng cường, và đặc tính đúc là tuyệt vời. Tuy nhiên, sau khi tạo hình, điểm chảy kéo dài và bề mặt bị nhăn, ảnh hưởng đến chất lượng bề ngoài của sản phẩm, do đó chủ yếu được sử dụng cho hình dạng phức tạp như bảng trong. Hợp kim dòng 6xxx có thể được nhiệt luyện và tăng cường bởi dung dịch rắn của Mg và Si và sự kết tủa già cỗi của pha Mg2Si. Độ bền sau khi phủ và sấy khô được cải thiện và khả năng chống vết lõm cao, phù hợp với các yêu cầu của bảng điều khiển bên ngoài và khung thân. Sức mạnh, độ cứng. Ngoại trừ tấm cuộn, thanh ép đùn cũng là hợp kim nhôm biến dạng ô tô quan trọng, thường thích hợp cho các bộ phận kết cấu có tiết diện bằng nhau, chẳng hạn như cản, hộp hấp thụ năng lượng, phần trước của dầm dọc phía trước, ngưỡng cửa, phần sau của dầm dọc phía sau. Độ bền trung bình 6xxx là vật liệu chính cho các cấu hình đùn do tốc độ đùn cao và chất lượng bề mặt, cũng như các đặc tính cứng tuổi trong quá trình đùn. Hợp kim nhôm 7xxx có độ bền cao cũng được sử dụng để sản xuất các cấu hình đùn khi yêu cầu độ bền cao. Đồng thời, để nâng cao cường độ va đập, các mặt cắt của biên dạng chủ yếu là “miệng”, “ngày” và “lưới”.

Hợp kim nhôm: lực lượng chính để sản xuất ô tô nhẹ 5

Hình 5. Hộp hấp thụ năng lượng kiểu “Day” cho các cấu hình đùn (trước va chạm ở bên trái và sau va chạm ở bên phải)

3. Thách thức và hướng phát triển của hợp kim nhôm ô tô

Hợp kim nhôm đóng một vai trò quan trọng trong làn sóng xe hơi nhẹ, nhưng chúng cũng phải đối mặt với những thách thức quan trọng. Thực tế, trọng lượng nhẹ không chỉ là giảm trọng lượng mà còn là cân bằng giữa hiệu suất, độ an toàn, chi phí và trọng lượng của xe. Hiện tại, sức đề kháng cốt lõi của hợp kim nhôm ô tô vẫn còn cao, điều này khiến việc ứng dụng toàn bộ thân xe bằng nhôm chỉ giới hạn ở các mẫu xe cao cấp và tạm thời không thể mở rộng ra một số lượng lớn các mẫu xe kinh tế. Giới hạn hiệu suất của hợp kim nhôm cũng là một yếu tố quan trọng hạn chế sự phát triển của nó. Trên một số bộ phận, nó vẫn không thể thay thế thép. Đồng thời, công nghệ nối hợp kim nhôm, đặc biệt là công nghệ ghép đa vật liệu gang-nhôm, thép-nhôm, magie-nhôm, ... cũng là một yếu tố chính dẫn đến việc ứng dụng hợp kim nhôm trong ô tô. Chiếc A8 D5 mới của Audi đã “loại bỏ” phần thân hoàn toàn bằng nhôm đã sử dụng hơn 20 năm và sử dụng loại thép cường độ cao với trọng lượng đáng kể. Bị ảnh hưởng bởi điều này, mô hình D5 đã tăng thêm 51KG so với mô hình trước đó, nhưng độ cứng xoắn của cơ thể đã tăng lên 24%, độ an toàn đã được tăng cường đáng kể và chi phí đã giảm đáng kể.
Theo Chương trình khung thứ sáu, EU đã tổ chức 38 đơn vị ở chín quốc gia và khu vực trong năm 2004-2009 để thực hiện dự án chung nghiên cứu và phát triển thân xe siêu nhẹ (SuperLight-Car). Kinh nghiệm của dự án này cho thấy rằng việc phát triển hơn nữa hợp kim nhôm ô tô cần tập trung vào việc phát triển các hợp kim hiệu suất cao mới và công nghệ sản xuất mới. Công việc R&D cũng cần tích hợp các nguồn lực. Các nhà sản xuất ô tô sẽ đi đầu trong việc hợp tác với các nhà cung cấp nguyên liệu, phụ tùng và các tổ chức nghiên cứu khoa học liên quan để cùng khám phá các công nghệ nhẹ tiên tiến và thúc đẩy thành lập chuỗi công nghiệp nhẹ.
Các tài liệu tham khảo chính:
1.Hirsch, J. (2014). Sự phát triển gần đây trong nhôm cho các ứng dụng ô tô. Giao dịch của Hiệp hội kim loại màu Trung Quốc, 24 (7), 1995-2002.
2.Hirsch, J. (2011). Nhôm trong thiết kế xe hơi trọng lượng nhẹ sáng tạo. Giao dịch Vật liệu, 52 (5), 818-824.
3. Lahaye, C., Hirsch, J., Bassan, D., Criqui, B., Sahr, C., Goede, M., & Volkswagen, AG (2008). Sự đóng góp của nhôm vào thiết kế ánh sáng đa vật liệu - Trọng lượng BIW của siêu xe hơi [C]. Trong HIRSCH J, SKROTZKI B, GOTTSTEIN G. Kỷ yếu Hội nghị quốc tế lần thứ 11 về hợp kim nhôm. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (trang 2363-2373).
4.Nội dung nhôm trong ô tô. Ducker Worldwide, https://www.ducker.com/
5.Aluminium trong ô tô, mở ra tiềm năng trọng lượng nhẹ. Hiệp hội nhôm Châu Âu, https://www.european-aluminium.eu/
6.Goede, M., Stehlin, M., Rafflenbeul, L., Kopp, G., & Beeh, E. (2009). Kết cấu xe siêu nhẹ - siêu nhẹ nhờ thiết kế đa vật liệu và tích hợp chức năng, Tạp chí Nghiên cứu Giao thông Châu Âu, 1: 5-10.
Thông tin về Hội nghị Cơ quan Châu Âu (EuroCarBody) tháng 7.2016.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *