一體化壓鑄車身結(jié)構(gòu)件解析：原材料篇

2020年9月，馬斯克在特斯拉電池日發(fā)布會(huì)上介紹，特斯拉Model Y 將采用一體式壓鑄后地板總成。消息一出，猶如平地一聲驚雷，引爆整個(gè)汽車圈。

隨著2021年Model Y一體化壓鑄后地板的曝光，上至材料下至整車廠，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條迅速涉入一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域。

截止目前，國內(nèi)外汽車廠在一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展如下表：

眾多企業(yè)紛紛布局該技術(shù)，一體化壓鑄技術(shù)本身對(duì)原材料、設(shè)計(jì)、工藝、設(shè)備等等方面的要求較常規(guī)壓鑄技術(shù)要高很多。各個(gè)環(huán)節(jié)如何滿足一體化壓鑄技術(shù)的要求，是各相關(guān)技術(shù)工程師關(guān)注的課題。本文將對(duì)一體化壓鑄用原材料進(jìn)行全方位的解讀。

一體化壓鑄零件通常具有尺寸大、壁厚薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，這就對(duì)鋁合金材料性能提出了更高的要求。綜合考慮使用性能、工藝特點(diǎn)和生產(chǎn)條件等因素，一體化壓鑄鋁合金材料不僅在常規(guī)性能上比普通壓鑄高，而且還有其獨(dú)特的要求。

1. 常規(guī)性能要求

（1）熱塑性流變性能良好。在過熱度不高及液、固相線溫度附近應(yīng)具有良好的熱塑性流變性能，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型腔的填充，形成良好的鑄造表面，避免縮孔缺陷的產(chǎn)生。

（2）較小的線收縮率。以避免壓鑄過程產(chǎn)生裂紋和變形，使壓鑄件保持較高的尺寸精度。

（3）較小的凝固溫度區(qū)間。以便于實(shí)現(xiàn)快速同時(shí)凝固，減少內(nèi)部收縮孔洞等缺陷。

（4）較好的鑄件/鑄型界面性能。與壓鑄模具不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、親和力小，以減少粘模和相互合金化。

2. 獨(dú)特性能要求

（1）材料應(yīng)在鑄態(tài)下具有高強(qiáng)韌性

對(duì)于傳統(tǒng)鋁合金而言，熱處理是保障零部件機(jī)械性能的必備手段，但實(shí)際上，熱處理過程易引起零部件表面缺陷和尺寸變形，這對(duì)于大型一體化零部件來說將不可避免地造成廢品率的增加，承擔(dān)巨大的成本風(fēng)險(xiǎn)。因此需要特殊的免熱處理鋁合金，在不需要進(jìn)行熱處理的條件下，保證材料成型后依然具有良好的機(jī)械性能。根據(jù)材料的強(qiáng)度進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且材料強(qiáng)度越高、減重越明顯。另外對(duì)于車身結(jié)構(gòu)件來講，還需兼顧碰撞、疲勞性能要求等，因此一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件要求材料在鑄態(tài)下具有高的強(qiáng)度和塑性。

（2）材料應(yīng)具備優(yōu)異的鑄造性能

鑄造性能包括很多方面。對(duì)于一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件來說，材料的充型能力很關(guān)鍵。目前最遠(yuǎn)的流程可以達(dá)到2米7左右，如果充型能力不足，將導(dǎo)致欠鑄等問題。

（3）高的連接包容性

因?yàn)榇笮偷囊惑w化壓鑄車身結(jié)構(gòu)件，在零件的不同部位無法做到性能統(tǒng)一，所以在零件的不同部位可能會(huì)選擇不同的連接方式，例如焊接、SPR、膠接等。不同的連接方式對(duì)于材料的性能要求也不一致，例如SPR就需要材料具有高的韌性，而焊接則要求材料不應(yīng)存在氣孔等要求。

（4）材料應(yīng)具備更高的微量元素、雜質(zhì)元素的容忍度

目前，一體化鑄件的成品率在60%左右（各企業(yè)的數(shù)據(jù)不一致，此數(shù)據(jù)為大致的平均水平），這意味著大概有40%的件需要回爐重新使用，在這個(gè)過程中難免會(huì)引入一些雜質(zhì)元素，另外有些元素還會(huì)存在燒損。另外，隨著雙碳目標(biāo)的確定，未來希望再生料能夠融入免熱處理錠生產(chǎn)的過程中。因此，材料能夠?qū)υ丶半s質(zhì)擁有高的容忍度，才能確保經(jīng)濟(jì)性和鑄件性能。

（5）材料需要長效的、高效的變質(zhì)劑

因?yàn)槊鉄崽幚聿牧系奶匦跃褪侨∠藷崽幚砉ば?。目前常用的AlSi10MnMg材料通過熱處理，來改善零件的力學(xué)性能。而免熱處理材料沒有了后續(xù)手段，只能通過鑄造過程中形成的組織來實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能。通過控制凝固過程中形成的組織來實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)度和塑性。目前對(duì)于免熱處理材料組織的控制，關(guān)鍵點(diǎn)在于共晶組織的控制；鋁硅系著重控制共晶硅的形貌和尺寸，鋁鎂硅系合金，著重控制鎂二硅的形貌和尺寸。目前依靠現(xiàn)有的La、Gd或者稀土元素作為變質(zhì)劑進(jìn)行組織調(diào)控。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工藝上需要熔體有很長的時(shí)間的保溫，如果變質(zhì)劑效力下降乃至失效，將對(duì)于生產(chǎn)的連續(xù)性存在極大的挑戰(zhàn)。

免熱處理自強(qiáng)化鋁合金，其特點(diǎn)是零部件不需要經(jīng)過高溫固溶處理和人工時(shí)效，僅通過自然時(shí)效即可達(dá)到較高的強(qiáng)度和塑性。

目前開發(fā)應(yīng)用免熱處理高強(qiáng)韌鋁合金的原材料廠家主要有美鋁、德國萊茵菲爾德、特斯拉、蔚來、立中集團(tuán)、華人運(yùn)通與上海交大、湖北新金洋等。

免熱處理高強(qiáng)韌鋁合金采用的技術(shù)路線主要為鋁硅及鋁鎂兩大系列。

高強(qiáng)韌Al-Mg系免熱處理壓鑄鋁合金對(duì)化學(xué)成分控制嚴(yán)格，一般采用添加Mn代替Fe以利于脫模。壓鑄控制難度要比Al-Si系合金大，其主要用于一些有特殊外觀和防腐要求的部件，對(duì)力學(xué)性能要求不高的壓鑄件。

高強(qiáng)韌Al-Si系免熱處理壓鑄鋁合金，從 Si 含量來看一般可以分為高硅含量和低硅含量兩大類，相比于熱處理用壓鑄合金其 Mg 含量明顯降低，甚至要求不含Mg。除此之外，此類合金仍具備高強(qiáng)韌性壓鑄合金的共性特征，即低的Fe含量，高的Mn含量，添加Sr元素對(duì)共晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理等。

高強(qiáng)韌Al-Si系免熱處理合金典型代表材料為德國萊茵菲爾德的Castasil-37，該合金不添加具有時(shí)效強(qiáng)化作用的Mg元素，主要通過添加Mo、Zr等元素在壓鑄過程中形成含Mo、Zr等細(xì)小彌散相來提高合金的強(qiáng)度，其與壓鑄件的壁厚有較大的關(guān)系，壁厚越薄、冷卻速度越快，晶粒尺寸越小，最終壓鑄件的合金強(qiáng)度越高。此合金特別適用于車身零件輕量化的薄壁化高強(qiáng)度高韌性需求。

華人運(yùn)通與上海交大共同研制的TechCastTM為基于“現(xiàn)代工業(yè)的維生素”稀土元素的特性并加以增強(qiáng)、優(yōu)化，打造的一款新型鋁合金鑄造材料。此外，公開資料顯示的立中集團(tuán)及湖北新金洋的材料合金體系不詳。

目前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的部分免熱處理鋁合金情況匯總?cè)缦拢?/span>

由于免熱處理高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金的前景可觀，因此很多企業(yè)和高校紛紛開展了相關(guān)研究。為給行業(yè)提供更多信息，筆者在相關(guān)專利查詢網(wǎng)站，按照“非熱處理、鋁合金”、“免熱處理鋁合金”等字段進(jìn)行檢索。將近三年該方向的檢索的部分專利信息匯總至下表，需注意的是這些專利絕大部分處于審中階段，如感興趣，后續(xù)自行關(guān)注是否通過。

大型一體化車身結(jié)構(gòu)件逐漸成為各大主機(jī)廠關(guān)注的熱點(diǎn)。免熱處理高強(qiáng)韌鋁合金不僅能夠滿足大型車身一體化結(jié)構(gòu)件所需的性能，而且在制造過程中省去了鑄件熱處理工序。省去一道工序能夠節(jié)約能源，減少碳排放。隨著“雙碳目標(biāo)”逐步被企業(yè)提上日程，免熱處理強(qiáng)韌化壓鑄鋁合金將會(huì)是汽車行業(yè)的新寵。

另外，隨著輕量化設(shè)計(jì)需求和鋁合金一體壓鑄結(jié)構(gòu)件的集成化程度不斷提升，新型壓鑄合金的開發(fā)將朝著提升強(qiáng)度和韌性，同時(shí)具有良好的流動(dòng)性和鑄造性能的方向發(fā)展。