2024年11月29日，上汽集團(tuán)創(chuàng)新研究開發(fā)總院發(fā)布全球首款量產(chǎn)的基于鎂合金半固態(tài)注射成型工藝的電驅(qū)鎂合金殼體以及應(yīng)用該方案的新能源汽車三合一電驅(qū)動(dòng)總成。該產(chǎn)品采用牌號(hào)為AZ91D的鎂合金材料，殼體總重量為13.7kg，相比與鋁合金殼體減重30%，標(biāo)志著鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)正式挺進(jìn)汽車核心部件領(lǐng)域。

此后，主流車企快速跟進(jìn)驗(yàn)證，鎂合金電驅(qū)殼體呈“雨后春筍”式發(fā)展，為新能源汽車市場(chǎng)開辟了一條兼具成本競(jìng)爭(zhēng)力與輕量化優(yōu)勢(shì)的全新路徑！

適創(chuàng)科技作為鑄造行業(yè)數(shù)字化技術(shù)的引領(lǐng)者，對(duì)鎂合金半固態(tài)成型及仿真開展深入研究，通過對(duì)國內(nèi)高校、設(shè)備生產(chǎn)商、整車廠及壓鑄廠等產(chǎn)業(yè)鏈上下游的調(diào)研與技術(shù)合作，編寫制作行業(yè)首部《鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)白皮書》，旨在為行業(yè)新興技術(shù)與趨勢(shì)的快速發(fā)展與應(yīng)用提供有力的理論支撐與實(shí)踐參考。

01 輕量化浪潮的突破口

當(dāng)制造業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型已成為不可逆轉(zhuǎn)的命題，輕量化路徑轉(zhuǎn)為產(chǎn)業(yè)剛需。鎂合金，這種密度僅為鋼鐵1/4、鋁合金2/3的金屬，恰逢其時(shí)登上舞臺(tái)。更關(guān)鍵的是，中國掌握全球70%的鎂礦儲(chǔ)量與91.6%的原鎂產(chǎn)能，具備完整的產(chǎn)業(yè)鏈。然而過去十年，鎂合金始終徘徊在方向盤骨架、筆記本外殼等“邊緣部件”，直到半固態(tài)成型技術(shù)撕開一道突破口。

鎂合金半固態(tài)成型（Semi-Solid Metal Forming of Magnesium Alloys, SSM）是一種基于材料獨(dú)特流變行為的先進(jìn)近凈成形技術(shù)。它巧妙地利用了鎂合金在固液兩相共存區(qū)時(shí)，在剪切力作用下表現(xiàn)出的顯著“剪切變稀”特性，突破了傳統(tǒng)液態(tài)鑄造易產(chǎn)生氣孔、縮松、氧化夾雜等局限，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本的復(fù)雜零件制造。

圖：鎂合金半固態(tài)成型過程示意圖

該工藝的核心優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：

良好的流動(dòng)性與低缺陷成型

高流動(dòng)性精密成形：利用半固態(tài)漿料的剪切稀化特性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)（≤1mm）的填充，成形精度更高。

低溫封閉成型：較傳統(tǒng)冷室壓鑄降低100℃左右，大幅抑制縮孔、熱裂、變形等傾向。

充型平穩(wěn)：相較于傳統(tǒng)的鎂合金壓鑄，由于漿料流動(dòng)性的增強(qiáng)，相較于鎂合金高壓壓鑄的高速充速度從6m/s，下降到3-4m/s，半固態(tài)充填過程更加平穩(wěn)。

氧化夾渣傾向小：由于金屬顆粒在相對(duì)封閉的空間內(nèi)融化攪拌，和空氣接觸較少，鑄件氧化夾雜物含量較低。

優(yōu)異的表面質(zhì)量與力學(xué)性能

表面質(zhì)量躍升：由于半固態(tài)漿料充填能力較強(qiáng)，鑄件表面粗糙度較傳統(tǒng)壓鑄有所提升。表面質(zhì)量的改善部分提升了其鑄態(tài)的抗腐蝕能力，也減少了后續(xù)拋光、噴漆等處理成本。

力學(xué)性能突破：剪切力誘導(dǎo)形成均勻細(xì)小球晶（50-100μm），加之流動(dòng)性優(yōu)異、充填質(zhì)量高、組織致密度高、氧化物含量少、氣孔含量少。和傳統(tǒng)高壓壓鑄相比，鑄件鑄態(tài)下抗拉強(qiáng)度提升10%左右，延伸率提高30%-50%。

表：不同成型工藝下的AZ91D鎂合金力學(xué)性能

注：后兩種半固態(tài)注射成型溫度（即不同固相率條件）不同，延伸率差異較大

高效的材料利用率與生產(chǎn)節(jié)拍

資源高效利用：在無料餅設(shè)計(jì)+細(xì)流道系統(tǒng)中，材料利用率達(dá)70%-85%；由于沒有熔爐融化、直接固態(tài)進(jìn)料，且成型溫度低100℃，能耗低。

生產(chǎn)效率高：由于沒有厚大的料餅、且澆道細(xì)，留模時(shí)間大幅縮短，生產(chǎn)周期壓縮20%-30%。

圖：同一變速箱殼體不同工藝的凝固總時(shí)長對(duì)比

02 顛覆創(chuàng)新，撬動(dòng)市場(chǎng)機(jī)遇

中國是全球最大的新能源汽車生產(chǎn)國。2023年，中國新能源汽車產(chǎn)量達(dá)958.7萬輛，占全球60%以上份額，2024年進(jìn)一步攀升至1316.8萬輛，同比增幅高達(dá)38.7%，這一爆發(fā)式增長直接拉動(dòng)了對(duì)輕量化材料的結(jié)構(gòu)性需求。鎂合金憑借高比強(qiáng)度、電磁屏蔽和阻尼減震等復(fù)合優(yōu)勢(shì)，成為新能源汽車輕量化材料的不二選擇。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球汽車行業(yè)對(duì)鎂的需求約為38.5萬噸，占鎂合金總消費(fèi)市場(chǎng)的70%，覆蓋10大系統(tǒng)、100余種零部件。

圖：2024年全球鎂合金需求結(jié)構(gòu)（萬噸）

2024年，新能源汽車單車用鎂量已經(jīng)達(dá)到10kg，而傳統(tǒng)汽車則為5kg左右。未來，隨著全球汽車輕量化要求進(jìn)一步提高以及純電動(dòng)車技術(shù)的不斷成熟，結(jié)合國家規(guī)劃與行業(yè)內(nèi)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，汽車輕量化對(duì)應(yīng)的全球鎂合金需求或可從2024年的57萬噸增長至2027年的135萬噸。

表：不同成型工藝下的AZ91D鎂合金力學(xué)性能

數(shù)據(jù)來源：工信部

從具體應(yīng)用部件看，汽車行業(yè)對(duì)鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)的需求呈現(xiàn)出從小型件向大型結(jié)構(gòu)件的跨越式發(fā)展。中小型部件：儀表板背板、中控支架等傳統(tǒng)應(yīng)用持續(xù)放量；大型結(jié)構(gòu)件：減震塔、電池包殼體、電機(jī)外殼等一體化大件成為新增長點(diǎn)；超大型部件：隨著4000T及以上設(shè)備的普及，車門內(nèi)板、后掀背門內(nèi)板等超大型結(jié)構(gòu)件開始試制。

圖：車用鎂合金零件的沿革

技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面，半固態(tài)鑄造工藝的突破性進(jìn)展大幅提升了鎂合金在汽車領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。上汽集團(tuán)第二代鎂合金電驅(qū)動(dòng)殼體采用半固態(tài)鑄造工藝，成功攻克氣孔率小于3%的技術(shù)瓶頸，使產(chǎn)品力學(xué)性能提升20%，合格率從78%躍升至95%，綜合成本下降18%。比亞迪布局單體8kg/三件套超過15kg超大型殼體項(xiàng)目，已經(jīng)完成試制和臺(tái)架試驗(yàn)；小米、嵐圖、吉利加速技術(shù)落地，理想、蔚來、紅旗等已完成工程驗(yàn)證，鎂合金從邊緣部件正式挺進(jìn)新能源汽車核心賽道，或悄然顛覆新能源汽車輕量化競(jìng)爭(zhēng)的未來。

03 走向規(guī)模化應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)

盡管如此，鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用仍面臨工藝、材料及成本維度等系統(tǒng)性挑戰(zhàn)。

工藝限制方面。該技術(shù)面臨的主要難點(diǎn)包括射嘴直徑與動(dòng)態(tài)熱平衡、壓射系統(tǒng)復(fù)雜性與維護(hù)不便、補(bǔ)縮能力不足與加熱效率限制。為平衡熱響應(yīng)速度與可靠性，量產(chǎn)驗(yàn)證的射嘴直徑需限制在≤26.5mm，這一直徑大大制約了大流量充型。

同時(shí)，壓射系統(tǒng)螺桿-料筒需同步承擔(dān)漿料融化攪拌與高壓注射雙重功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其組件持續(xù)承受600℃金屬漿料和近百兆帕高壓壓力的復(fù)合沖擊，磨損速率達(dá)注塑機(jī)3倍以上。此外，因設(shè)備無增壓機(jī)構(gòu)與上文提到的射嘴直徑限制雙重制約，僅依賴≤0.5秒短時(shí)保壓，導(dǎo)致厚壁區(qū)縮松缺陷率很難解決。

材料要求方面。半固態(tài)注射成型對(duì)原材料的工藝適配性有特殊要求，核心在于材料需具備100度左右的半固態(tài)溫區(qū)，以確保固相顆粒均勻懸浮并維持穩(wěn)定的剪切稀化效應(yīng)。目前，行業(yè)內(nèi)正在研發(fā)的新型耐蝕/高強(qiáng)鎂合金，大部分是以 AZ91D 為基底，通過添加稀土或 Ca 元素進(jìn)行微合金化來實(shí)現(xiàn)性能的顯著提升。

圖：傳統(tǒng)鑄造成型和半固態(tài)成型充填過程示意圖 來源：北京有色金屬研究總院

成本約束方面。相同噸位半固態(tài)注射成型機(jī)采購成本達(dá)臥式冷室壓鑄機(jī)的2-3倍；核心組件溢價(jià)尤為突出，3000T級(jí)螺桿-料筒總成成本高達(dá)150萬元以上。其次，為維持漿料流動(dòng)性，模具需持續(xù)油加熱至200℃左右，能耗與安全成本高。此外，為嚴(yán)格把控顆粒粒徑均一性，半固態(tài)工藝需額外支1000元/噸顆粒加工費(fèi)。

圖：鎂合金注射成型用鎂顆粒示意圖 來源：公眾號(hào)元鎂體

總體而言，鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)仍然是實(shí)現(xiàn)裝備輕量化的有效路徑，在新能源汽車、3C電子、人形機(jī)器人等高端制造領(lǐng)域，具有無限增長潛力。隨著CAE多物理場(chǎng)仿真、人工智能等數(shù)字技術(shù)的深度賦能，和大型智能化裝備與材料創(chuàng)新的加速，鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)將進(jìn)一步釋放巨大潛能，不僅能撬動(dòng)千億級(jí)市場(chǎng)藍(lán)海，更將成為中國高端制造業(yè)在國際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)制高點(diǎn)的重要利器。

*本文根據(jù)適創(chuàng)科技2025《鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)白皮書》整理