一體化壓鑄使鑄件制造周期大幅縮短，通過對壓鑄鋁合金材料進行成分設計與制造工藝優化，可優選出適用于新能源汽車整體壓鑄的材料，將全鋁車身材料回收率提高至95%以上。一體化壓鑄成形工藝即車身部件的鑄鋁化與集成化，大型鋁制零部件通過壓鑄設備一體化壓鑄成形，將傳統汽車制造工藝所涉及沖壓、焊接、涂裝與總裝4個環節的沖壓與焊接合并。用于汽車零部件一體化壓鑄的材料為免熱處理壓鑄鋁合金，其特點是無需經過高溫固溶處理和人工時效，僅通過自然時效即可實現較佳的強度和塑性。免熱處理壓鑄鋁合金主要通過微合金化來調控合金的微觀組織及尺寸形貌，結合固溶強化、細晶強化以及第二相彌散強化對材料進行強化。采用免熱處理鋁合金可改善鑄件的質量，提升合金的力學性能，且節約能源，減少碳排放，使車身結構件在成本和性能方面具有較大的優勢。
1、免熱處理壓鑄鋁合金研究現狀
考慮到一體化壓鑄件的復雜曲面構型與結構尺寸輪廓，需要采用工藝流動性優異的鋁合金，其中Al-Si系鑄造合金由于具有理想的工藝流動性而受到重視。作為首個在汽車領域成功應用的低鐵含量壓鑄鋁合金，Salafont-36通過添加適量的Mn元素，降低Fe含量，有效改善了粘模問題，在合金中形成的球狀Al12Mn3Si2相，可改善材料的延展性；通過添加Sr元素來改善合金的延展性、鑄造性、工藝流動性以及焊接性。德國開發的Castasil-37鋁合金中添加了一定含量的Zr、Mo元素，同時將Mg含量嚴格限制在0.06%(質量分數，下同)以內，成分調控后的Castasil-37合金可產生尺寸更為細小的共晶結構，鑄造性能大幅改善，更適用于車身薄壁壓鑄件高強高韌的性能需求。對C611合金所制鑄件進行涂裝烘烤后屈服強度可進一步提高，其鑄態的力學性能可與T5/T6態的Al-Si系壓鑄鋁合金相當。Aural 5合金鑄態下至少具有8%的伸長率，同時具備良好的熱穩定性與自然時效穩定性，是鉚釘工藝的首選。
近年來，具有良好耐蝕性、較高塑韌性的Al-Mg系壓鑄鋁合金也得到了充分的研究和關注。以Mn和Mg作為主合金元素起固溶強化作用的C446F合金，其力學性能超過T6態的AlSi10MnMg合金鑄件，但該合金凝固范圍較寬，壓鑄時熱裂傾向較大，不適于制造厚薄不均的復雜壓鑄件。美鋁開發的A152(Mg含量為3%左右)、A153(Mg含量為4%左右)合金具有優異的鑄造性能與良好的鉚接性能，其鑄態力學性能與T5/T6態的Al-Si系壓鑄鋁合金相當。由萊茵菲爾德公司開發的Magsimal 59合金與Al-Si系合金相比收縮性更好，同時具有較好的抗疲勞強度、耐腐蝕性、鑄造性能、抗熱裂性能與焊接性能。該公司開發的Fe含量較高的Castaduct 42合金，由約4.2%的 Mg和約1.6%的 Fe組成共晶成分，保證了與Al-Si合金類似的良好鑄造性能， 且鑄態下有良好的塑韌性、焊接性及優異的耐蝕性能。
表1 國外典型免熱處理壓鑄鋁合金性能匯總
表2 國內廠家研發免熱處理壓鑄鋁合金匯總
2、新能源汽車一體化壓鑄鋁合金開發
Mg作為壓鑄Al-Mg合金中除Al外含量最高的元素，在Al中的固溶度可達17.4%,具有良好的固溶強化作用，在提高合金強度的同時不影響合金的韌性，還可提高合金的流動性和抗熱裂傾向，并減輕粘模現象。但過量Mg不僅會發生氧化，還會降低合金的鑄造性能，并與Al形成Al3Mg2相，對合金的力學性能與耐蝕性能產生不利影響。免熱處理壓鑄Al-Mg合金的鑄態組織主要為樹枝晶、大尺寸顆粒狀α1-Al晶粒、細小球狀α2-Al晶粒和共晶組織，見圖1。通過調控元素成分，添加微量元素，可以顯著改善合金的力學性能。Si可與Mg形成Mg2Si共晶相，是Al-Mg系免熱處理壓鑄鋁合金的主強化相，Mg、Si對合金性能影響見圖2。為促進鑄態下合金強度、延展性與耐蝕性的提高，應使Mg和Si全部形成理想的Mg2Si顆粒，因此Mg和Si的質量比應為1.73∶1(對應于Mg2Si的2∶1化學計量比)。為增強合金鑄態下的固溶強化，合金中Mg、Si含量應處于Mg2Si在Al中最大溶解度1.85%附近。
圖1 Al-Mg系免熱處理壓鑄鋁合金微觀組織形貌
圖2 Mg、Si含量對Al-Mg-Si壓鑄鋁合金鑄態力學性能的影響
（2）合金元素對Al-Si系免熱處理壓鑄鋁合金的作用
Si在免熱處理壓鑄Al-Si系合金中含量一般在4.0%～11.5%之間。隨著Si含量提高，α-Al枝晶晶粒不斷得到細化，Mg2Si強化相和共晶Si相數量持續增加，其中共晶Si相的尺寸及形貌顯著影響合金性能，應盡量使共晶Si相呈球狀或纖維狀均勻分布，以此改善合金的強韌性。免熱處理壓鑄Al-Si系合金鑄態組織主要為均勻細小的α-Al枝晶、共晶Si及其他顆粒狀第二相。該合金的強化需調控合金成分與添加細化劑、變質劑，細化初生α-Al相、減小二次枝晶臂間距及改善共晶Si形貌。圖3為添加變質元素Sr和復合添加Sr與細化劑Al-Ti-B后Al-Si-Mg合金的微觀組織凝固示意圖。
圖3 添加Sr和復合添加Sr與Al-Ti-B后Al-Si-Mg合金組織凝固示意圖
（3）稀土元素作用機制
免熱處理壓鑄鋁合金主要通過微合金化調控材料微觀組織進行強化，其主要的強化方式為細晶強化，故在熔煉過程中需添加細化劑與變質劑來改善微觀組織的尺寸及形貌，常用變質元素有Na、Ca、Sr、La、Ce等，其中稀土元素的變質效果具有長效性和重熔性，能使合金的鑄態組織明顯細化。其細化機理為稀土元素在α-Al基體中的固溶度有限，會在二次枝晶表面富集，增大成分過冷度，提高形核率，進而實現晶粒細化。此外，稀土元素會改變共晶Si相晶粒的生長機制，使共晶Si相由板狀、針狀轉變為層狀、纖維狀或球狀。稀土元素添加量過高，易形成粗大的稀土元素化合物相，導致用于改性的稀土元素含量減少，改性效果下降。
(a)w(Eu)=0 (b)w(Eu)=0.3%
圖4 不同Eu含量下的共晶Si相3D形貌圖
3、新能源汽車一體化壓鑄設備研制現狀
新能源汽車大多采用冷室壓鑄機，是一體化壓鑄的核心裝備，根據鎖模力大小可分為小型(<4000kN)、中型(4000～10000kN)和大型(≥10000kN)壓鑄機。由于壓鑄機的鎖模力大小需覆蓋所壓部件的投影面積，故大型車身結構件如后底板、前艙架等需要鎖模力至少為60000kN的壓鑄機，而結構件投影面積越大，所需壓鑄機的鎖模力越大，如壓鑄電池托盤、中底板所需鎖模力為80000～120000kN,壓鑄整個底盤、白車身所需的鎖模力為120000～200000kN。目前，全球具備60000kN以上超大型壓鑄設備生產能力的廠商為瑞士布勒、海天金屬、伊之密、力勁科技及其子品牌IDRA等。一體化壓鑄用大型壓鑄設備的研制情況見表3。未來新能源汽車要采用一體化壓鑄技術，必須大量采購超大型壓鑄設備，因此量產超大型一體化壓鑄設備仍是當前一體化壓鑄技術快速發展的關鍵壁壘之一。
表3 一體化壓鑄用大型壓鑄設備研制現狀
結論與展望
(2)與傳統壓鑄工藝相比，一體化壓鑄成形制造對材料、模具、工藝及裝備均提出了更高的技術要求。在工藝要素方面，包括合金熔化及預處理、澆注凝固方式、噴涂與脫模工藝、高真空壓鑄裝備等提出了更高的技術要求；在生產要素方面，對壓射比壓、充型速度、充型時間、保壓時間與加壓凝固參數控制方面提出了更為苛刻的生產控制要求；在模具生產制造方面，除對模具強度與塑韌性提出更高的技術指標外，還對模具表面質量、抗熱裂、抗高溫氧化及使用壽命等方面提出了更高的要求；在超大型壓鑄裝備方面，為滿足未來一體化壓鑄件在新能源汽車行業的快速普及，實現超大型壓鑄裝備的低成本、高精度、長壽命設計開發與量產制造仍將是未來新能源汽車行業的關注熱點。
(3)當前用于一體化壓鑄免熱處理制造的輕質合金材料仍以Al-Si系與Al-Mg系為主，通過微合金化設計結合固溶強化與細晶強化作為其強韌化作用機理。受材料強度限制，僅可用作中等承載部件的一體化壓鑄制造；未來兼顧靜載強度、涂掛性能、工藝性能、疲勞壽命、耐蝕性能與可回收性的壓鑄鋁合金材料研發將會成為鋁合金材料領域的研究重點。
羅婷瑞 胡惠翔 田艷中（東北大學材料科學與工程學院）
樊振中（中國航發北京航空材料研究院、北京市先進鋁合金材料及應用工程技術研究中心）
王俊虎（京開能源有限公司）
來源：《特種鑄造及有色合金》雜志
