新能源汽车用一体化压铸铝合金研究现状与发展趋势

原标题：东北大学&北京航材院：新能源汽车用一体化压铸铝合金研究现状与发展趋势

从轻量化、低成本、环保等方面综合来看，铝合金是汽车制造业轻量化的首选材料之一，开发汽车用铝合金材料对提升我国汽车产业的国际竞争力具有积极作用。汽车用铝合金主要分为变形铝合金与铸造铝合金，其中锻铝件占1%～3%,铸铝件占80%左右，其余为加工型材，而在汽车用铸造铝合金中，压铸件占比高达80%。但由于传统压铸过程中液态金属充填速度快，流动不稳定的特点，铸件易产生气孔、针孔等缺陷，在高温固溶处理时易引起工件表面起泡，复杂结构压铸件在淬火时极易产生严重的变形甚至开裂，故通过热处理难以调控压铸件的力学性能。对于复杂结构件，采用传统的压铸工艺生产成本高、制造周期长，难以适应如今汽车行业对轻量化、低成本、低碳排放的技术发展要求。

一体化压铸使铸件制造周期大幅缩短，通过对压铸铝合金材料进行成分设计与制造工艺优化，可优选出适用于新能源汽车整体压铸的材料，将全铝车身材料回收率提高至95%以上。一体化压铸成形工艺即车身部件的铸铝化与集成化，大型铝制零部件通过压铸设备一体化压铸成形，将传统汽车制造工艺所涉及冲压、焊接、涂装与总装4个环节的冲压与焊接合并。用于汽车零部件一体化压铸的材料为免热处理压铸铝合金，其特点是无需经过高温固溶处理和人工时效，仅通过自然时效即可实现较佳的强度和塑性。免热处理压铸铝合金主要通过微合金化来调控合金的微观组织及尺寸形貌，结合固溶强化、细晶强化以及第二相弥散强化对材料进行强化。采用免热处理铝合金可改善铸件的质量，提升合金的力学性能，且节约能源，减少碳排放，使车身结构件在成本和性能方面具有较大的优势。

图文结果

1、免热处理压铸铝合金研究现状

考虑到一体化压铸件的复杂曲面构型与结构尺寸轮廓，需要采用工艺流动性优异的铝合金，其中Al-Si系铸造合金由于具有理想的工艺流动性而受到重视。作为首个在汽车领域成功应用的低铁含量压铸铝合金，Salafont-36通过添加适量的Mn元素，降低Fe含量，有效改善了粘模问题，在合金中形成的球状Al12Mn3Si2相，可改善材料的延展性；通过添加Sr元素来改善合金的延展性、铸造性、工艺流动性以及焊接性。德国开发的Castasil-37铝合金中添加了一定含量的Zr、Mo元素，同时将Mg含量严格限制在0.06%(质量分数，下同)以内，成分调控后的Castasil-37合金可产生尺寸更为细小的共晶结构，铸造性能大幅改善，更适用于车身薄壁压铸件高强高韧的性能需求。对C611合金所制铸件进行涂装烘烤后屈服强度可进一步提高，其铸态的力学性能可与T5/T6态的Al-Si系压铸铝合金相当。Aural 5合金铸态下至少具有8%的伸长率，同时具备良好的热稳定性与自然时效稳定性，是铆钉工艺的首选。

近年来，具有良好耐蚀性、较高塑韧性的Al-Mg系压铸铝合金也得到了充分的研究和关注。以Mn和Mg作为主合金元素起固溶强化作用的C446F合金，其力学性能超过T6态的AlSi10MnMg合金铸件，但该合金凝固范围较宽，压铸时热裂倾向较大，不适于制造厚薄不均的复杂压铸件。美铝开发的A152(Mg含量为3%左右)、A153(Mg含量为4%左右)合金具有优异的铸造性能与良好的铆接性能，其铸态力学性能与T5/T6态的Al-Si系压铸铝合金相当。由莱茵菲尔德公司开发的Magsimal 59合金与Al-Si系合金相比收缩性更好，同时具有较好的抗疲劳强度、耐腐蚀性、铸造性能、抗热裂性能与焊接性能。该公司开发的Fe含量较高的Castaduct 42合金，由约4.2%的 Mg和约1.6%的 Fe组成共晶成分，保证了与Al-Si合金类似的良好铸造性能， 且铸态下有良好的塑韧性、焊接性及优异的耐蚀性能。

表1 国外典型免热处理压铸铝合金性能汇总

表2 国内厂家研发免热处理压铸铝合金汇总

2、新能源汽车一体化压铸铝合金开发

（1）合金元素对Al-Mg系免热处理压铸铝合金的作用

Mg作为压铸Al-Mg合金中除Al外含量最高的元素，在Al中的固溶度可达17.4%,具有良好的固溶强化作用，在提高合金强度的同时不影响合金的韧性，还可提高合金的流动性和抗热裂倾向，并减轻粘模现象。但过量Mg不仅会发生氧化，还会降低合金的铸造性能，并与Al形成Al3Mg2相，对合金的力学性能与耐蚀性能产生不利影响。免热处理压铸Al-Mg合金的铸态组织主要为树枝晶、大尺寸颗粒状α1-Al晶粒、细小球状α2-Al晶粒和共晶组织，见图1。通过调控元素成分，添加微量元素，可以显著改善合金的力学性能。Si可与Mg形成Mg2Si共晶相，是Al-Mg系免热处理压铸铝合金的主强化相，Mg、Si对合金性能影响见图2。为促进铸态下合金强度、延展性与耐蚀性的提高，应使Mg和Si全部形成理想的Mg2Si颗粒，因此Mg和Si的质量比应为1.73∶1(对应于Mg2Si的2∶1化学计量比)。为增强合金铸态下的固溶强化，合金中Mg、Si含量应处于Mg2Si在Al中最大溶解度1.85%附近。

图1 Al-Mg系免热处理压铸铝合金微观组织形貌

图2 Mg、Si含量对Al-Mg-Si压铸铝合金铸态力学性能的影响

（2）合金元素对Al-Si系免热处理压铸铝合金的作用

Si在免热处理压铸Al-Si系合金中含量一般在4.0%～11.5%之间。随着Si含量提高，α-Al枝晶晶粒不断得到细化，Mg2Si强化相和共晶Si相数量持续增加，其中共晶Si相的尺寸及形貌显著影响合金性能，应尽量使共晶Si相呈球状或纤维状均匀分布，以此改善合金的强韧性。免热处理压铸Al-Si系合金铸态组织主要为均匀细小的α-Al枝晶、共晶Si及其他颗粒状第二相。该合金的强化需调控合金成分与添加细化剂、变质剂，细化初生α-Al相、减小二次枝晶臂间距及改善共晶Si形貌。图3为添加变质元素Sr和复合添加Sr与细化剂Al-Ti-B后Al-Si-Mg合金的微观组织凝固示意图。

图3 添加Sr和复合添加Sr与Al-Ti-B后Al-Si-Mg合金组织凝固示意图

（3）稀土元素作用机制

免热处理压铸铝合金主要通过微合金化调控材料微观组织进行强化，其主要的强化方式为细晶强化，故在熔炼过程中需添加细化剂与变质剂来改善微观组织的尺寸及形貌，常用变质元素有Na、Ca、Sr、La、Ce等，其中稀土元素的变质效果具有长效性和重熔性，能使合金的铸态组织明显细化。其细化机理为稀土元素在α-Al基体中的固溶度有限，会在二次枝晶表面富集，增大成分过冷度，提高形核率，进而实现晶粒细化。此外，稀土元素会改变共晶Si相晶粒的生长机制，使共晶Si相由板状、针状转变为层状、纤维状或球状。稀土元素添加量过高，易形成粗大的稀土元素化合物相，导致用于改性的稀土元素含量减少，改性效果下降。

(a)w(Eu)=0 (b)w(Eu)=0.3%图4 不同Eu含量下的共晶Si相3D形貌图

3、新能源汽车一体化压铸设备研制现状

新能源汽车大多采用冷室压铸机，是一体化压铸的核心装备，根据锁模力大小可分为小型(<4000kN)、中型(4000～10000kN)和大型(≥10000kN)压铸机。由于压铸机的锁模力大小需覆盖所压部件的投影面积，故大型车身结构件如后底板、前舱架等需要锁模力至少为60000kN的压铸机，而结构件投影面积越大，所需压铸机的锁模力越大，如压铸电池托盘、中底板所需锁模力为80000～120000kN,压铸整个底盘、白车身所需的锁模力为120000～200000kN。目前，全球具备60000kN以上超大型压铸设备生产能力的厂商为瑞士布勒、海天金属、伊之密、力劲科技及其子品牌IDRA等。一体化压铸用大型压铸设备的研制情况见表3。未来新能源汽车要采用一体化压铸技术，必须大量采购超大型压铸设备，因此量产超大型一体化压铸设备仍是当前一体化压铸技术快速发展的关键壁垒之一。

表3 一体化压铸用大型压铸设备研制现状

结论与展望

(1)新能源汽车行业的蓬勃发展为国内一体化压铸铝合金材料研发和超大型一体化压铸设备制造提供了行业发展驱动，“节能减排”与“新能源化”汽车产业的国家政策扶持为合金材料开发、工艺装备制造、汽车产业升级换代及国际市场开拓提供了稳定高效的发展前景。

(2)与传统压铸工艺相比，一体化压铸成形制造对材料、模具、工艺及装备均提出了更高的技术要求。在工艺要素方面，包括合金熔化及预处理、浇注凝固方式、喷涂与脱模工艺、高真空压铸装备等提出了更高的技术要求；在生产要素方面，对压射比压、充型速度、充型时间、保压时间与加压凝固参数控制方面提出了更为苛刻的生产控制要求；在模具生产制造方面，除对模具强度与塑韧性提出更高的技术指标外，还对模具表面质量、抗热裂、抗高温氧化及使用寿命等方面提出了更高的要求；在超大型压铸装备方面，为满足未来一体化压铸件在新能源汽车行业的快速普及，实现超大型压铸装备的低成本、高精度、长寿命设计开发与量产制造仍将是未来新能源汽车行业的关注热点。

(3)当前用于一体化压铸免热处理制造的轻质合金材料仍以Al-Si系与Al-Mg系为主，通过微合金化设计结合固溶强化与细晶强化作为其强韧化作用机理。受材料强度限制，仅可用作中等承载部件的一体化压铸制造；未来兼顾静载强度、涂挂性能、工艺性能、疲劳寿命、耐蚀性能与可回收性的压铸铝合金材料研发将会成为铝合金材料领域的研究重点。

本文作者：罗婷瑞 胡惠翔 田艳中东北大学材料科学与工程学院樊振中中国航发北京航空材料研究院北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心王俊虎京开能源有限公司

本文来源：《特种铸造及有色合金》杂志