.jpg) 原標題:鋁合金一體化壓鑄技術淺析 摘要: 新能源車企為了降本、減重和提高生產效率，新能源車身已開始采用鋁合金一體化壓鑄技術，特斯拉、蔚來、小鵬等新能源車企已布局一體化壓鑄領域，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源造車的核心裝備。一體化壓鑄技術在生產效率、降本、減重等方面優勢明顯。一體化壓鑄技術核心在于大型壓鑄機的性能、免熱處理材料配方、壓鑄模設計和壓鑄工藝參數優化，鋁合金一體化壓鑄將是新能源車企的標配技術。 2020年中國汽車《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》發布，2025年、2030年、2035年乘用車新車平均油耗將達到4.6、3.2、2.0 L/100 km，節能減排標準持續升級。根據“布勒中國”的數據，汽車質量每減輕10%，最多可節油5%~10%，整車質量每減少100 kg，百公里油耗可以降低0.3~0.6 L，減少CO2 排放8.5 g/km，純電動汽車整車質量每降低10%，平均續航里程將增加5%~8%。因此汽車輕量化成為節能減排領域的重點發展技術，新能源車實現輕量化的主要技術途徑為車身鋁合金一體化壓鑄。
1.鋁合金一體化壓鑄現狀 2019年7月，特斯拉發布新專利“汽車車架的多向車身一體成形鑄造機和相關鑄造方法” 。該方法將一套固定的模具放置在中心，四套可以移動的模具放置在四個不同方向，可移動的模具通過液壓設備分別與中心固定好的模具貼合，共同形成一個封閉的空腔，鋁合金液分別從四個移動模具上的澆注口壓入模具空腔，鋁合金在空腔內流動、凝固，最終形成大型的一體式壓鑄結構零件（圖1）。 圖1 特斯拉一體壓鑄零件 特斯拉是汽車大型部件鋁合金一體化壓鑄的創始者，在一體化壓鑄上的布局可分為三個階段，第一階段：Model S/X采用全鋁車身，按傳統的沖壓、焊接工藝進行整車開發；第二階段：Model Y使用6 000 t壓鑄機生產后地板，將下車體減重10%，制造成本下降40%；第三階段：一體化壓鑄下車體，前、后車身一體化（零件數量由171減少至2個，焊點數量減少超1 600個）和4 680電芯CTC（將電池包集成到車體，直接與座椅連接），車輛減重10%，續航里程增加14%，零件減少370個，成本下降7%，單位投資下降8%，目前已在德州奧斯汀工廠量產。 2020年，特斯拉開始與意大利壓鑄設備商意德拉合作，使用6 000 t級壓鑄單元Giga Press，采用一體成形壓鑄的方式生產Model Y后地板總成。根據特斯拉的布局，加州弗里蒙特工廠布置2臺意大利意德拉IDRA6000 t一體式壓鑄設備，上海布置三臺力勁DCC6000系列一體式壓鑄設備，得州工廠已經布置1臺IDRA 8000 t級壓鑄設備，柏林工廠規劃產能50萬輛，將布置8臺一體式壓鑄設備。四座工廠，14臺一體式壓鑄設備，特斯拉已經將一體式壓鑄技術作為標準工藝進行布局。 大眾計劃在SSP（Scalable Systems Platform，可擴展系統平臺）平臺開始應用一體壓鑄，根據Online EV報道，2022年5月，大眾汽車一體式鋁壓鑄后車身樣件在卡塞爾工廠下線，該樣件采用4 400 t壓鑄機生產，集成了約30多個零件，減重約10 kg。Trinity車型則是基于SSP平臺打造的首批車型之一。 根據Auto-evolution消息，沃爾沃宣布投資200億瑞典克朗對旗下托斯蘭達工廠進行現代化改造，其中包括一體化壓鑄技術。也將在托斯蘭達建立年產能達5.5萬噸鑄鋁廠，最終計劃在所有旗下工廠引入一體壓鑄技術，預計在2025年實現一體壓鑄汽車量產。 2022年1月，奔馳發布全新概念車VISIONEQXX。車身的后部及前部減震塔頂應用了和特斯拉同樣的仿生工程結構部件，整個車身由3塊組成：前后分別有一塊一體壓鑄鑄件，中間有一套結構電池組。這樣的設計可減輕車身15%~20%的重量，VISION EQXX能耗達到10 kW·h/100 km以下，實際用電里程超過1 000 km。 國內新勢力中，2021年12月，蔚來在ET5發布會上宣布將開始采用一體鑄造工藝，ET5使用超高強度鋼鋁混合車身，使車身后地板重量降低30%，后備箱空間增加7 L，整車抗扭剛度高達34 000 N·m/deg。 在2021年業績發布會上，小鵬汽車宣布將于2023年發布兩個新平臺及其首款車型，并使用超大一體化壓鑄新工藝。小鵬汽車武漢產業基地項目預計2022年10月投產，其中包括一體化壓鑄工藝車間。小鵬汽車武漢工廠還將引進一套以上超大型壓鑄島及自動化生產線。 2022年2月25日，高合汽車與拓普集團合作開發的7200 t一體化超大壓鑄后艙成功下線。該部件應用了上海交通大學的合金材料，實現了15%~20%的減重，整個開發周期縮短了三分之一，該壓鑄機是汽車零部件領域已知最大的一體化鋁合金壓鑄件。國內多家供應商加快引入大型壓鑄設備和免熱處理材料研制的步伐，進軍一體化壓鑄行業。具體情況見表1。
表1 國內一體壓鑄規模 2.一體化壓鑄技術壁壘 目前一體化壓鑄技術壁壘主要體現在四個方面：大型壓鑄機，免熱處理鋁合金材料配方、壓鑄模具設計、真空壓鑄工藝。 2.1 大型壓鑄機 大型壓鑄機行業進入門檻高，對理論、經驗及制造工藝有很高的要求，同時，大型壓鑄機的開發周期非常長，前期投入大，造價高（1臺壓鑄機平均需要1億元人民幣）。一體化壓鑄要求壓鑄機鎖模力至少大于6000 t（傳統高壓壓鑄的鎖模力通常在5000 t以下）。2021年10月，瑞士布勒公司推出Carat840/920超大型兩模板壓鑄機（圖2），鎖模力高達92000 kN，兩套Carat 840壓鑄島交付沃爾沃公司托斯蘭達工廠，實現一體化壓鑄。意大利意德拉IDRA公司（力勁子公司）開發的OL6200CS壓鑄機，該壓鑄機長19.5 m、寬5.9 m、高5.32 m，大小相當于一塊羽毛球場地，平臺的有效尺寸長和寬2.35 m，工作臺空間可以放下長寬高尺寸在2 m以內的任何零件，可以提供最大6218 t的鎖模力。根據瑞士布勒公司在2011年申請的專利，其能夠將鑄造模具之間形成空腔，向空腔中注入鋁液，經抽真空在模腔中產生負壓，能夠有效消除鑄造紊流產生的氣孔，有助于提高壓鑄零件的內部致密性。國內壓鑄機廠力勁在全球壓鑄機市場的占有率超過40%，率先開發出6000 t壓鑄機（圖3），目前已開發出12000 t壓鑄機。海天金屬2021年4月在重慶美利信全球首發HDC8800 t壓鑄機，可實現包括新能源汽車在內的車身、底盤等大型結構件一體化。伊之密公司7000 t壓鑄機也即將總裝。
圖2 布勒Carat8400壓鑄機
圖3 力勁K6000壓鑄機 2.2 免熱處理高壓鑄造合金 免熱處理合金是指通過特殊的合金配方，在完成壓鑄成形后，鑄件無需熱處理即可獲得理想的力學性能，能避免在熱處理（高溫固溶和時效處理）過程中造成工件變形。截至2021年，國內外企業包括美國美鋁、德國萊茵、特斯拉、上海交大、蔚來汽車、立中集團等都在開發推廣免熱處理材料，免熱處理材料讓一體壓鑄成為可能。 美國鋁業公司產品為EZCAST系列C611免熱處理AI-Si系壓鑄鋁合金，由美國鋁業在20世紀90年代開發成功，應用在奧迪A8的全鋁車身上。帥翼馳集團與美國鋁業簽訂獨家代理協議，代理美鋁高強韌免熱處理鑄造鋁合金。此外，德國萊茵金屬公司也開發出Al-Si系和Al-Mg系免熱處理高強韌合金，如Castasil-37壓鑄鋁合金；加拿大鋁業公司則開發有Aural-2和Aural-3等壓鑄鋁合金材料。立中集團研發的LDHM-02免熱處理合金材料已獲得相關專利，并形成批量供貨。根據立中集團子公司申請中的最新相關專利《一種高強韌免熱處理鋁合金材料及制備方法》，該公司開發的鋁合金材料屈服強度達130 MPa，抗拉強度達到250 MPa，伸長率大于10%，滿足客戶使用需求，立中集團已與文燦達成戰略合作。2021年12月，上海交大輕合金中心與華人運通高合汽車達成戰略合作，全球首發Tech CastTM超大鑄件用低碳鋁合金，將在高合汽車后續車型上大批量采用。 免熱處理合金材料成分、工藝復雜，具備較高的技術壁壘，其中合金材料成分設計是免熱處理合金開發的核心技術壁壘。常用壓鑄鋁合金為 Al-Si系、Al-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg系，主要成分配比影響合金強度、硬度等力學性能，同時影響流動性、凝固性等鑄造性能。 SJTU-A-Mg-Si-Mn合金是上海交通大學開發的一種免熱處理壓鑄合金，其目的是在保持材料良好韌性的前提下提升屈服強度。目前的Al-Si系和Al-Mg系合金普遍具備中等的強度與韌性，隨著鋁合金壓鑄結構件的集成化與輕量化需求的不斷提升，新型壓鑄合金的開發應朝著提升屈服強度或韌性，同時具有良好的鑄造流動性的方向發展。 2.3 壓鑄模具 一體化壓鑄對模具強度及韌性要求更高，要求具有抗沖擊韌性和回火穩定性、良好的導熱和抗疲勞性、熱膨脹系數小、抗高溫氧化性。壓鑄需要高速充型與高速凝固，在壓鑄模溫度、真空度、成形方案、工藝參數及后處理要求更高。一體壓鑄需要大型的模具，模具更復雜，模具設計比較困難，模具設計要設計排氣和集渣系統，需要運用CAE仿真技術模擬充型過程，排氣不暢會導致零件產生氣孔而廢品。零件壓鑄后冷卻時，尺寸會收縮，需要準確仿真鑄件的冷卻過程，在最后冷卻部位設置補縮冒口，同時避免出現熱孤島，否則零件在冷卻收縮過程中會產生縮孔、疏松和裂紋缺陷。模具設計廠家必須具備壓鑄充型模擬分析能力，一體化壓鑄模具國內只有幾家能做，比如廣州型腔、寧波臻至、飛旺、北侖賽維達、象山合力，北侖臻致等。一套模具每年可以支撐6~8萬套產能，每套模具單價接近1000萬元。國內首套6 800 t超大型一體化鋁合金壓鑄模具在鴻圖科技成功試制。模具由廣州型腔模具自主研制，模重超過140 t。廣東鴻圖的汽車底盤一體化結構件產品，采用自主研發的高強韌免熱處理鋁合金材料，鑄件尺寸約長1.7 m、寬1.5 m、高0.7 m，澆注重量約100 kg，是目前最大的鋁合金高強度兼顧韌性壓鑄件之一。文燦集團首批9 000 t大型一體化后底板壓鑄汽車零部件在天津成功下線，模具由寧波賽維達提供。目前，賽維達和合力科技已在研發12 000~20 000 t一體式車身結構件模具。 2.4 壓鑄工藝 一體化壓鑄實為真空壓鑄工藝加入高真空控制系統，需要高精度傳感器控制抽真空過程。工藝流程為合模、澆注、真空開啟、型腔抽真空排氣、壓射、開模、取件、噴涂、再次合模等。在壓鑄過程中，由高精度真空傳感器控制真空罐、澆注排氣閥和型腔排氣閥，并通過參數設定來觸發四個接觸點：澆注真空開始、澆注真空結束、型腔真空開始和型腔真空結束。壓鑄的高速充型易導致壓室或型腔中的氣體無法完全排出，氣體卷入金屬液會以氣孔的形式存在于鑄件中，無法焊接，降低力學性能，所以一體壓鑄必須配置型腔抽真空系統。壓鑄工藝對生產合格件十分重要，對不同的零件結構，壓鑄工藝參數需要長時間調試和摸索，正確的壓射模式、壓鑄參數有利于減少鑄件的缺陷，壓鑄中的氣體大多數來自金屬液在壓室中的預充填階段，需要反復優化慢壓射參數，避免金屬液在壓鑄過程中卷入氣體。對于合金熔煉和除氫處理，熔化過程中需要采用高純電解金屬配料以避免金屬雜質污染；熔煉時為防止金屬液氧化及偏析，需要快速熔化，熔化后需要對鋁液除氫、除渣凈化處理，一般通氮氣或氬氣除氫，除氫時間10~15 min，與AlSi10MnMg相當，保溫時間不宜過長，以避免變質劑Sr燒損，熔化溫度（730±10） ℃，不得超過780 ℃。澆注方式一般采用底注，避免鑄件夾雜缺陷，脫模劑的噴涂時間、噴涂角度和范圍、噴涂量、吹氣角度及脫模劑的選型（發氣量小、揮發性好）均需要驗證，合模前在型腔中不可有殘留水分。壓鑄溫度700~710 ℃，比AlSi10MnMg約高20 ℃。模具需要采用專用模溫機控制模具溫度，模具溫度一般控制在120~180 ℃。壓鑄過程中要及時啟動抽真空系統，沖頭封住澆注口后立即開始快速抽真空，壓室充滿前必須達到真空度要求，盡量延長抽真空時間，真空閥盡可能延遲閉合，抽真空過程對一體化壓鑄零件質量至關重要，抽真空閥基本依賴進口。特斯拉最早的一體壓鑄合格率65%~72%，毛利率可達到30%，2022年2月鑄件質量標準修改后，合格率達到80%以上。 3.結論 鋁合金一體化壓鑄工藝是汽車結構件制造中重大變革技術，過去50年間，汽車車身制造工藝始終以鈑金沖壓后采用機器人焊接為主，一體壓鑄技術使汽車車身制造工藝發生重大變革，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源領域造車的核心裝備。在“雙碳”目標推進下，一體化壓鑄技術在生產效率、降本、輕量化等方面優勢明顯。鋁合金一體化壓鑄設計與制造是一項全方位集成技術，技術壁壘高，包括軟件開發與運用、零部件結構設計、免熱處理材料開發、壓鑄成形工藝、壓鑄單元能力和大型模具設計都需要技術創新。尤其是模具設計與制造除了要考慮鑄造材料的流動性、熱平衡、模具壽命、零件成形工藝性與質量保證，還要考慮零件后續加工工藝優化等。“一體化壓鑄成型工藝與裝備”已列入國家重點研發計劃。隨著新能源汽車行業的不斷發展，將極大帶動鋁合金一體化壓鑄技術的發展，鋁合金一體化壓鑄將成為新能源車企優選的制造工藝。
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