论汽车轻量化对金属加工行业的影响

摘要

轻金属和合金在防腐蚀和高温处理方面提出了新的挑战。

金属加工介质在应对高速加工、与后道工序的兼容性以及符合法规等方面不得不重新调整配方。
全球竞争，产业整合以及市场需求确保这些趋势将继续发展。

汽车行业发展趋势

汽车行业的发展经受着来自各个方面的压力。过去十年来，为了减轻车辆重量，车辆使用更薄更坚固的材料，这样汽车就越轻，耗油量也会减少；然而代价就是这些材料，如新型高级合金本身价格会更昂贵，而且它们必须能适应更高的工作温度才能被生产制造出来；与钢相比，这些金属和合金在高温下更易氧化。一些企业采用多种战略，将新旧技术，工序和材料结合起来使用。美国好富顿国际公司的汽车行业经理大卫·布戴说：的确是“众口难调”。布戴的主要工作是帮助生产设备制造商们协助生产出正在开发的或预计在2022年或2023年上市的汽车。

布戴说，为了达到美国公司平均燃油经济性（简称CAFE，以燃烧每加仑汽油能跑的英里数值来衡量）的标准，美国的设备制造商为减轻汽车重量采用了各种不同的战略。一些厂商制造更轻型的发动机，一些则制造更轻的结构件如车身面板，来提高CAFE。

设备制造商们正在寻找具有延展性和耐磨性好的材料。“我们注意到在特定的发动机部件中，更多的铝合金含有钛，例如动力总成阀，凸轮轴，销，曲轴以及排气和进气阀等部件，”布戴说。他的同事赵一星博士是资深科学家兼创新团队负责人，他补充说，新型铝合金具有高韧性，更加坚硬。赵博士说，其实航空航天业对钛的应用已经十分广泛，而润滑介质厂商们以前为航空行业开发的产品，越来越多地应用到了其他行业上。

加工介质的发展



随着材料和合金的改变，加工过程也必须随之改变。配方设计师们正在寻找使用寿命长的加工介质来减少停机时间并提高生产力。他们的客户希望加工速度可以更快，但液槽希望可以更小以便减少用量。人人都想制造出低泡且不腐蚀工件的加工液，又能在硬水中保持稳定，同时其添加剂能有效抑制细菌的滋生（当然是符合法规允许使用的抗菌剂）。不仅如此，金属加工液制造商正在开发能与泄漏到加工液中所有杂油兼容的加工介质。

北美和亚洲公司大多使用水基加工介质，但是欧洲公司也开始从使用矿物油转向使用水基加工介质。赵博士说，水基加工介质是比较复杂的，你必须平衡其中所有的组分。加工高强度材料时会产生更多的热量，而比起矿物油，水基加工介质是更好的冷却液。新技术的水溶性加工介质具有更好的清净性能（防止污物颗粒聚集并粘附在金属表面），分散和润湿能力强，这些特点都是加工轻金属所必需的。

高温与高压



适合软金属高速加工的加工液必须具有良好的冷却和润滑性能，以防止摩擦引起的过热。如果温度过高，软金属会膨胀并失去强度。但是，许多新的高强度合金必须加热到较高温度才能制造出来。

麦卡尔说，以前仅用于航空航天工业的铝合金现在已经开始在汽车工业获得使用。6000和7000系列合金通常在260-400℃（500-750°F）的高温条件下形成。这缩小了用于成形的润滑剂种类的范围。麦卡尔说，汽车业必须在高温高压条件下使用润滑油，同时润滑油需要与黏合剂、清洁剂、底漆和焊接兼容。

铝材的氧化



黑色金属在中性至酸性环境中容易被腐蚀，但不会发生在强碱性环境中，因为它们的表面氧化物层在高pH条件下是稳定的。铝很容易形成一层保护氧化物层，但氧化物在中性点两侧的一个相当狭窄的pH区域内是稳定的。通常，金属加工介质的pH值保持在9以上，用来保护昂贵的钢制刀具。但在这个高pH值下，铝零件会腐蚀变色，高碱性液体能迅速地溶解保护性氧化铝层，所以金属加工介质需要添加腐蚀抑制剂。
加工或研磨会去除工件表面氧化层，产生金属新表面，在这个过程中需要使用加工介质来保护金属新表面免于与刀具或切屑直接接触而产生积屑瘤。

轻微的腐蚀会导致铝件有黄色或金色的变色，即使是选择使用了正确的金属加工介质，但这一般只出现在使用了较长时间的工作液，其中的腐蚀抑制添加剂差不多已消耗殆尽时发生。如果使用仅适合于黑色金属的加工介质来加工铝件时往往会导致更严重的腐蚀，并产生灰色或黑色的变色现象。即便是使用正确的金属加工液，如果某些添加剂（例如三嗪杀菌剂）的池边添加量较多，使加工介质的pH值升得过高，也会在加工时导致铝件腐蚀。

适应性问题

一些加工介质配方被宣传为拥有多种用途，适用于广泛的金属加工领域。 “这是一个追求平衡的做法，”麦卡尔说。您可以针对一种金属或一种配方进行优化操作，但“用户不愿意在工厂里存储太多不同的加工介质”。因此，这是简化库存和优化性能之间的折衷做法。麦卡尔说：“如果这项加工很关键，那么你只能在特定类型的操作中使用特定的加工介质。”
加工介质不仅必须与工件（其可以进行各种表面处理，包括高强度钢上的镀锌涂层）兼容，而且还与它们接触的各种刀具材料和模具涂层相兼容。



图为好富顿化学师斯科特·莱特（Scott Lay）在最先进福吉谷实验室视察40吨冲压机制造的先进高强度钢杯，公司则用它来评估新技术。（图由好富顿国际提供）

环境因素

推动轻金属发展的主要因素是车用燃料对于经济性需求的提高，有利于环保。环境因素也会影响加工介质的配方。目前就有“微量润滑”（MQL）的趋势，取代“大量润滑”。这种方法通常需要改变制造设备以及加工介质。

干式加工在许多操作中已被证明是成功的，但是对于需要冷却和润滑的操作仍需要金属加工介质，以减少刀具磨损，并通过减少残余应力，尺寸误差和表面光洁度差异来生产出更高质量的零件。加工介质还允许机器以更快的速度运行而不会产生过多的热量。

环境因素也会影响添加剂的使用。例如，传统的EP添加剂，包括硫、氯和磷添加剂，可以与钢反应，但不一定能与有色金属、镀锌钢和刀具涂层发生反应。设备商工厂已经不再使用含氯的加工液，但是在一些重负荷的加工中，比如一些不锈钢的加工，含氯的加工介质很难被替代。

斯林克曼说，监管要求因地区而异。我们必须对我们的产品线进行全面的审查，以确保产品符合标准。为了跟上监管变化，同时减少重新调整配方的工作量，在开发产品的时候，我们要找到在多个不同区域都被允许使用的原材料。

卡莫迪指出，好富顿的许多客户都希望在世界各地的大部分或全部地区使用这些产品，但是有时需要做专门的区域配方来适应水质等各方面的差异。

展望未来

麦克卢尔说，竞争和监管共同推动金属加工介质的改革。加工介质配方的变化不仅受到零部件制造商新要求的驱动，也受到化工公司研发实验室新产品的推动。

预计未来五年全球私人汽车和轻型商用车需求将增长5.5％。中小型燃料电池需求将同时增长，部分原因是新材料，如轻量化的铝和钛合金，正在试图减轻重量和提高燃料效率。技术进步的同时也需要提高金属加工介质的性能，延长刀具寿命，在保证加工质量的前提下，降低综合使用成本。

随着V8发动机到V6和I4发动机的小型化以及涡轮增压的加入，汽车的减重趋势仍在继续。较小的涡轮增压汽油发动机会产生更多的热量，这提高了发动机罩下的温度。几年前，有厂商用热塑性塑料代替钢制发动机部件，但现在一些常用的热塑性塑料并不能总是经济地处理这些高散热性的小发动机所产生的高热量。因此，铝和镁被认为是性价比更高的替代品。

用各种新材料和新工艺整合成高效可靠的车辆，这是行业所面临的复杂挑战。不过汽车行业的金属加工介质的研发专家们显然已经为此做好了充分的准备。

本文转载自Nancy McGuire博士于2017年11月发表于《摩擦学与润滑剂专刊》的论文，转载时有删减。