原標(biāo)題：極氪汽車：淺述壓鑄鋁合金行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

壓力鑄造（簡稱壓鑄）是在高壓作用下，使液態(tài)或半固態(tài)金屬以較高的速度充填壓鑄型腔（壓鑄模具），并在壓力下成形和凝固而獲得鑄件。壓鑄件尺寸精度高，一般相當(dāng)于6~7級，甚至可達(dá)4級；表面粗糙度低；強度和硬度較高，強度比砂型鑄造提高了25%~30%，尺寸穩(wěn)定，互換性好；可壓鑄薄壁復(fù)雜的鑄件，生產(chǎn)效率高，壓鑄模具壽命長，當(dāng)壓鑄鋁合金時，可以達(dá)到8~20萬次，因此壓鑄工藝被廣泛應(yīng)用于光伏、5G通訊及汽車領(lǐng)域。

鋁及鋁合金密度低（接近2.7g/cm³），約為鐵或銅的1/3；導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，僅次于銀、銅和金；耐蝕性好：鋁的表面易自然生產(chǎn)一層致密牢固的Al2O3保護膜，能很好地保護基體不受腐蝕。通過鈍化、噴粉、涂裝等可獲得良好產(chǎn)品，因此特別適合壓鑄工藝生產(chǎn)。本研究通過收集國內(nèi)外資料及行業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，闡述了鋁合金及鑄件的發(fā)展趨勢，旨在為其應(yīng)用提供參考。

圖文結(jié)果

表1 美國壓鑄鋁合金化成成分(%)

表2 歐盟壓鑄鋁合金化學(xué)成分(%)

表3 中國壓鑄鋁合金化學(xué)成分(%)

可以看出，各種標(biāo)準(zhǔn)的鋁合金材料成分具有相似性，可以根據(jù)使用要求選擇合金材料。常規(guī)的壓鑄鋁合金，對伸長率、熱導(dǎo)率沒有特殊的要求，主要用于汽車、摩托車發(fā)動機零部件，如發(fā)動機覆蓋件、油底殼、缸體、變速器殼體等。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，通訊基站用壓鑄鋁合金越來越多（見圖1），主要用于生產(chǎn)散熱器殼體。由于傳統(tǒng)的ADC12鋁合金的熱導(dǎo)率只有100W/（m·K），壓鑄材料一般選擇ENAC44300，以提高零件的熱導(dǎo)率；此外，可采用200~350℃的T5熱處理。除了5G通信領(lǐng)域之外，光伏行業(yè)也對壓鑄鋁合金的需求越來越大，代表零部件為逆變器殼體，見圖2。“光伏+儲能”已成為多國光伏開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)配置。在搭配儲能以后，將為光伏帶來長期、可持續(xù)的發(fā)展動力。預(yù)計2025年全球光伏新增裝機370GW，屆時儲能逆變器的新增需求約為74GW。專家預(yù)測，到2025年，世界能量供給來源中的2%來自于光伏發(fā)電，到2055年，光伏發(fā)電將會輸送更多的能量，約占總能源供給的25%，到2150年將超過50%。這類鋁合金除了對導(dǎo)熱有需求之外，為了應(yīng)對意外爆炸不產(chǎn)生碎片，對伸長率也有一定的要求，通常要求在5%以上。散熱領(lǐng)域主要的零部件見圖3。主要包含ADS殼體、DC轉(zhuǎn)換器、基站散熱器、光伏逆變器、充電機、車載散熱器和車燈散熱器等。

圖1 5G通信基站散熱殼體

圖2 逆變器散熱殼體

圖3 導(dǎo)熱壓鑄鋁合金代表零件

導(dǎo)熱領(lǐng)域適用鋁合金材料見表4，和ADC12合金相比，為了保證熱導(dǎo)率，要去除雜質(zhì)合金元素，特別是對熱導(dǎo)率影響比較大的元素，如Ti、Mn、Zr、Mg等，各元素對熱導(dǎo)率的影響見圖4。另外，T5熱處理（200~350℃）可以消除壓鑄過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，提高材料的熱導(dǎo)率（見圖5）。圖6為高導(dǎo)熱壓鑄鋁合金材料統(tǒng)計?？梢钥闯觯辖鹪睾吭降?，熱導(dǎo)率越高，為了獲得200W/（m·K）左右的熱導(dǎo)率，Si的含量通常在2%左右，或者使用Ni元素作為主要合金元素，或者用半固態(tài)工藝。

表4 高導(dǎo)熱鋁合金主要元素(%)

圖4 合金元素對熱導(dǎo)率的影響

圖5 傳統(tǒng)壓鑄合金熱導(dǎo)率

圖6 高導(dǎo)熱壓鑄鋁合金統(tǒng)計

傳動汽車結(jié)構(gòu)件主要有橫梁、B柱、縱梁、減震塔等，見圖7。根據(jù)車身鏈接安全和鏈接的要求，這類產(chǎn)品通常需要更高的伸長率，一般要求12%以上；對應(yīng)的壓鑄鋁合金材料主要為萊茵鋁業(yè)形發(fā)的Silafont-36（AlSi10MnMg），其不同狀態(tài)下性能見表5，在EN1706對應(yīng)牌號為ENAC 43500，該合金用Mn替代Fe元素，解決壓鑄粘模的問題，同時，Mn元素對合金的伸長率副作用不明顯。經(jīng)過T7熱處理后，最終伸長率達(dá)到12%以上。但是由于T7熱處理的溫度為450~480℃，壓鑄內(nèi)部的微小氣孔膨脹，產(chǎn)生氣泡，同時，固溶過程高溫到低溫過程造成產(chǎn)品變形，給產(chǎn)品的外觀輪廓及尺寸帶來困擾，造成成本大幅度增加。

圖7 傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)件

表5 Silafont-36(AlSi10MnMg)不同狀態(tài)下的性能

根據(jù)國海證券的調(diào)研報告，2022年特斯拉Model Y的后底板和前機艙高度集成，零件數(shù)量從171個零件縮減為2個（圖8），焊接點位可以減少1600多個。由于這類產(chǎn)品的尺寸比較大，在熱處理過程中容易變形，尺寸得不到很好保證。因此，一體式大型壓鑄件無法通過熱處理調(diào)節(jié)性能，Silafont-36（AlSi10MnMg）無法在這類產(chǎn)品中應(yīng)用。為了解決這個問題，新型免熱處理材料的研發(fā)已迫在眉睫；材料成為發(fā)展一體式壓鑄的基礎(chǔ)。目前，整車廠蔚來、小米等都在布局材料方面的專利，零部件壓鑄企業(yè)，如文燦、鴻圖等，原材料提供商，如帥翼馳、申源創(chuàng)、中鋁國際、日輕金屬、蘇州慧金等有相應(yīng)的專利儲備，高校，如清華大學(xué)，上海交通大學(xué)等都在積極參與（見圖9）。

圖8 特斯拉一體式壓鑄前機艙和后底板示意圖

圖9 免熱處理材料合金牌號統(tǒng)計

圖10 免熱處理材料合金元素分析

免熱處理合金中Si含量在6%~9%之間，從相圖中可以看出，Si含量越低，液相線的溫度越高，造成鋁液的流動性下降。其次，由于Si含量降低，液相線溫度和固相線溫度的溫度差拉大，壓鑄產(chǎn)品在凝固過程中產(chǎn)生縮孔的概率也大幅度提升，工藝難度大大提高；此外，Si含量降低，凝固收縮率變大，造成脫模阻力加大，給脫模及尺寸控制帶來困難。為了解決這些問題，采用三段式抽真空技術(shù)，見圖11，既保證了產(chǎn)品遠(yuǎn)端的成形，同時又保證了伸長率。三段式抽真空的原理為，當(dāng)沖頭剛過鋁液口時，壓室真空通道、液壓閥真空通道、排氣板真空通道全部打開，開始抽真空。此時，沖頭移動速度處于低速階段，一般速度控制在0.15~0.3 m/s之間；當(dāng)沖頭到壓室抽真空點后，壓室抽真空通道關(guān)閉；沖頭繼續(xù)向前移動，當(dāng)啟動高速速度位置前100mm位置，見圖12。為了避免液壓真空閥堵塞，關(guān)閉液壓閥，進入高速充填階段。當(dāng)壓射結(jié)束時，排氣板真空通道關(guān)閉。三段式真空過程，壓室真空和液壓閥真空的通道的優(yōu)點在于截面積大，可以在短時間內(nèi)將模具內(nèi)的真空度降低。但是壓射開始時，模具間隙位置（如推桿間隙），會有空氣進入，此時，排氣板真空通道一直打開，有效平衡了模具漏氣，讓整個壓射過程都處于比較高的真空度下，通常真空度在5kPa以內(nèi)。

圖11 三段式壓鑄抽真空示意圖

圖12 壓鑄速度-位移曲線示意圖

結(jié)論

不管是新型高導(dǎo)熱鋁合金，還是免熱處理壓鑄鋁合金，提高熱導(dǎo)率和伸長率，都需要降低合金元素的含量，讓合金元素的種類盡可能少，才能滿足性能的需求。壓鑄鋁合金除了滿足產(chǎn)品性能之外，為了保證壓鑄工藝及產(chǎn)品外觀品質(zhì)，新型合金材料還應(yīng)該具備以下性能：①在固相線溫度附近具有好的熱塑性，以實現(xiàn)復(fù)雜型腔的充型，避免縮孔；②收縮率低，避免壓鑄過程產(chǎn)生裂紋和變形，提高尺寸精度；③較小的凝固區(qū)間（液相線和固相線之間的溫度差），減少縮孔產(chǎn)生；④良好的高溫強度，避免開模時拉裂；⑤較好的鑄件/模具界面性能，避免和模具反應(yīng)，緩解粘模；⑥良好的理化性能，在高溫熔融狀態(tài)下，不容易吸氣、氧化，滿足長時間保溫需求。

壓鑄產(chǎn)品的發(fā)展趨勢向集成化、大型化發(fā)展；隨著產(chǎn)品特性的發(fā)展，性能個性化的需求，壓鑄鋁合金向低合金化方向發(fā)展；高真空壓鑄成為解決新型壓鑄鋁合金材料的工藝難題的重要手段。

作者

宋成猛 侯東鋒 王健 祝娟娟
浙江極氪汽車研究開發(fā)有限公司
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴