原標題：東北大學&北京航材院：新能源汽車用一體化壓鑄鋁合金研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

從輕量化、低成本、環(huán)保等方面綜合來看，鋁合金是汽車制造業(yè)輕量化的首選材料之一，開發(fā)汽車用鋁合金材料對提升我國汽車產(chǎn)業(yè)的國際競爭力具有積極作用。汽車用鋁合金主要分為變形鋁合金與鑄造鋁合金，其中鍛鋁件占1%～3%,鑄鋁件占80%左右，其余為加工型材，而在汽車用鑄造鋁合金中，壓鑄件占比高達80%。但由于傳統(tǒng)壓鑄過程中液態(tài)金屬充填速度快，流動不穩(wěn)定的特點，鑄件易產(chǎn)生氣孔、針孔等缺陷，在高溫固溶處理時易引起工件表面起泡，復雜結構壓鑄件在淬火時極易產(chǎn)生嚴重的變形甚至開裂，故通過熱處理難以調(diào)控壓鑄件的力學性能。對于復雜結構件，采用傳統(tǒng)的壓鑄工藝生產(chǎn)成本高、制造周期長，難以適應如今汽車行業(yè)對輕量化、低成本、低碳排放的技術發(fā)展要求。

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(yōu)化，可優(yōu)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(tǒng)汽車制造工藝所涉及沖壓、焊接、涂裝與總裝4個環(huán)節(jié)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(jīng)過高溫固溶處理和人工時效，僅通過自然時效即可實現(xiàn)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(diào)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(zhì)量，提升合金的力學性能，且節(jié)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(yōu)勢。

圖文結果

1、免熱處理壓鑄鋁合金研究現(xiàn)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(yōu)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(fā)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(zhì)量分數(shù)，下同)以內(nèi)，成分調(diào)控后的Castasil-37合金可產(chǎn)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(tài)的力學性能可與T5/T6態(tài)的Al-Si系壓鑄鋁合金相當。Aural 5合金鑄態(tài)下至少具有8%的伸長率，同時具備良好的熱穩(wěn)定性與自然時效穩(wěn)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(tài)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(fā)的A152(Mg含量為3%左右)、A153(Mg含量為4%左右)合金具有優(yōu)異的鑄造性能與良好的鉚接性能，其鑄態(tài)力學性能與T5/T6態(tài)的Al-Si系壓鑄鋁合金相當。由萊茵菲爾德公司開發(fā)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(fā)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(tài)下有良好的塑韌性、焊接性及優(yōu)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(nèi)廠家研發(fā)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(fā)

（1）合金元素對Al-Mg系免熱處理壓鑄鋁合金的作用

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?，F(xiàn)象。但過量Mg不僅會發(fā)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(chǎn)生不利影響。免熱處理壓鑄Al-Mg合金的鑄態(tài)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(diào)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(tài)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(zhì)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(tài)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(tài)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(shù)量持續(xù)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(tài)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(diào)控合金成分與添加細化劑、變質(zhì)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(zhì)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(diào)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(zhì)劑來改善微觀組織的尺寸及形貌，常用變質(zhì)元素有Na、Ca、Sr、La、Ce等，其中稀土元素的變質(zhì)效果具有長效性和重熔性，能使合金的鑄態(tài)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(xiàn)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(zhuǎn)變?yōu)閷訝睢⒗w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(xiàn)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(jù)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(chǎn)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(chǎn)超大型一體化壓鑄設備仍是當前一體化壓鑄技術快速發(fā)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(xiàn)狀

結論與展望

(1)新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展為國內(nèi)一體化壓鑄鋁合金材料研發(fā)和超大型一體化壓鑄設備制造提供了行業(yè)發(fā)展驅(qū)動，“節(jié)能減排”與“新能源化”汽車產(chǎn)業(yè)的國家政策扶持為合金材料開發(fā)、工藝裝備制造、汽車產(chǎn)業(yè)升級換代及國際市場開拓提供了穩(wěn)定高效的發(fā)展前景。

(2)與傳統(tǒng)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(chǎn)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(shù)控制方面提出了更為苛刻的生產(chǎn)控制要求；在模具生產(chǎn)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(zhì)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(yè)的快速普及，實現(xiàn)超大型壓鑄裝備的低成本、高精度、長壽命設計開發(fā)與量產(chǎn)制造仍將是未來新能源汽車行業(yè)的關注熱點。

(3)當前用于一體化壓鑄免熱處理制造的輕質(zhì)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(fā)將會成為鋁合金材料領域的研究重點。

本文作者：
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(fā)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

本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志