新能源汽车用一体化压铸铝合金研究现状与发展趋势.docx

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1、新能源汽车用一体化压铸铝合金研究现状与发展趋势从轻量化、低成本、环保等方面综合来看，铝合金是汽车制造业轻量化的首选材料之一，开发汽车用铝合金材料对提升我国汽车产业的国际竞争力具有积极作用。汽车用铝合金主要分为变形铝合金与铸造铝合金，其中锻铝件占1%3%,铸铝件占80%左右，其余为加工型材，而在汽车用铸造铝合金中，压铸件占比高达80%。但由于传统压铸过程中液态金属充填速度快，流动不稳定的特点，铸件易产生气孔、针孔等缺陷，在高温固溶处理时易引起工件表面起泡，复杂结构压铸件在淬火时极易产生严重的变形甚至开裂，故通过热处理难以调控压铸件的力学性能。对于复杂结构件，采用传统的压铸工艺生产成本高、制造周期

2、长，难以适应如今汽车行业对轻量化、低成本、低碳排放的技术发展要求。一体化压铸使铸件制造周期大幅缩短，通过对压铸铝合金材料进行成分设计与制造工艺优化，可优选出适用于新能源汽车整体压铸的材料，将全铝车身材料回收率提高至95%以上。一体化压铸成形工艺即车身部件的铸铝化与集成化，大型铝制零部件通过压铸设备一体化压铸成形，将传统汽车制造工艺所涉及冲压、焊接、涂装与总装4个环节的冲压与焊接合并。用于汽车零部件一体化压铸的材料为免热处理压铸铝合金，其特点是无需经过高温固溶处理和人工时效，仅通过自然时效即可实现较佳的强度和塑性。免热处理压铸铝合金主要通过微合金化来调控合金的微观组织及尺寸形貌，结合固溶强化、细

3、晶强化以及第二相弥散强化对材料进行强化。采用免热处理铝合金可改善铸件的质量，提升合金的力学性能，且节约能源，减少碳排放，使车身结构件在成本和性能方面具有较大的优势。1、免热处理压铸铝合金研究现状考虑到一体化压铸件的复杂曲面构型与结构尺寸轮廓，需要采用工艺流动性优异的铝合金，其中A1.-Si系铸造合金由于具有理想的工艺流动性而受到重视。作为首个在汽车领域成功应用的低铁含量压铸铝合金，Sa1.afont-36通过添加适量的Mn元素，降低Fe含量，有效改善了粘模问题，在合金中形成的球状A1.1.2Mn3Si2相，可改善材料的延展性；通过添加Sr元素来改善合金的延展性、铸造性、工艺流动性以及焊接性。德

4、国开发的Castasi1.-37铝合金中添加了一定含量的Zr.MO元素，同时将Mg含量严格限制在0.06%（质量分数，下同）以内，成分调控后的Castasi1.-37合金可产生尺寸更为细小的共晶结构,铸造性能大幅改善，更适用于车身薄壁压铸件高强高韧的性能需求。对C611合金所制铸件进行涂装烘烤后屈服强度可进一步提高，其铸态的力学性能可与T5/T6态的AI-Si系压铸铝合金相当。Aura1.5合金铸态下至少具有8%的伸长率，同时具备良好的热稳定性与自然时效稳定性，是钾钉工艺的首选。近年来，具有良好耐蚀性、较高塑韧性的A1.-Mg系压铸铝合金也得到了充分的研究和关注。以Mn和Mg作为主合金元素起固

5、溶强化作用的C446F合金,其力学性能超过T6态的AISi1.OMnMg合金铸件，但该合金凝固范围较宽，压铸时热裂倾向较大，不适于制造厚薄不均的复杂压铸件。美铝开发的A152（Mg含量为3%左右）、A153（Mg含量为4%左右）合金具有优异的铸造性能与良好的钾接性能，其铸态力学性能与T5/T6态的A1.-Si系压铸铝合金相当。由莱茵菲尔德公司开发的Magsima1.59合金与A1.-Si系合金相比收缩性更好，同时具有较好的抗疲劳强度、耐腐蚀性、铸造性能、抗热裂性能与焊接性能。该公司开发的Fe含量较高的Castaduct42合金，由约4.2%的Mg和约1.6%的Fe组成共晶成分，保证了与A1.-

6、Si合金类似的良好铸造性能，且铸态下有良好的塑韧性、焊接性及优异的耐蚀性能。/M1.*.Maft1.tzMP.I仲K*、，电导率，MKe1四1掰HQftR母K件传令4CaMam!-37AI,MnMnZr面78x-isoMIO-HI8-22ft好好CCIIb7MnS40tXII-IAUHAhSAiSdMgMMm-noizgiso9$-1011-*KRVIfum1.S267774IZZ-I3311136,(2307S0H02M6HAMyiniid小IM-340IM-22O0(IZ1ftIfAbM*a1MkMi13A1.MiHPZMS79IJO-ISSIOft1176.RfAISXIMv3ZtSIS

7、OI1.aHfIS3IS4B0I7，ftV表1国外典型免热处理压铸铝合金性能汇总I*公斤中给仲*%I广东河，ZOHA卜MrsrMA3127n.?.(苏州20171.-SNtnCu3422111012电修包佗体*W20b!-Zn-Mn270160j就勒兴充广&KM2031AkSrM所M1.1.120AIOe*1.vaAbMirMtrA1101401度*T新金愫224013010H山代1K3022AbMn-Sr-MH2MISO-9隼人垢J1.1.IS-JO电无体表2国内厂家研发免热处理压铸铝合金汇总2、新能源汽车一体化压铸铝合金开发（1）合金元素对A1.-Mg系免热处理压铸铝合金的作用Mg作为压铸

8、A1.-Mg合金中除A1.外含量最高的元素,在A1.中的固溶度可达17.4%,具有良好的固溶强化作用，在提高合金强度的同时不影响合金的韧性，还可提高合金的流动性和抗热裂倾向，并减轻粘模现象。但过量Mg不仅会发生氧化，还会降低合金的铸造性能，并与A1.形成AI3Mg2相，对合金的力学性能与耐蚀性能产生不利影响。免热处理压铸A1.-Mg合金的铸态组织主要为树枝晶、大尺寸颗粒状Ct1.-A1.晶粒、细小球状2-AI晶粒和共晶组织，见图Io通过调控元素成分，添加微量元素，可以显著改善合金的力学性能。Si可与Mg形成Mg2Si共晶相，是A1.-Mg系免热处理压铸铝合金的主强化相，Mg、Si对合金性能影响

9、见图2。为促进铸态下合金强度、延展性与耐蚀性的提高，应使Mg和Si全部形成理想的Mg2Si颗粒，因此Mg和Si的质量比应为1.73:1（对应于Mg2Si的2:1化学计量比）。为增强合金铸态下的固溶强化，合金中Mg、Si含量应处于Mg2Si在A1.中最大溶解度1.85%附近。图IA1.-Mg系免热处理压铸铝合金微观组织形貌1WO1.5S2S02KS6784s6线含t)快含量(vt图2Mg、Si含量对A1.-Mg-Si压铸铝合金铸态力学性能的影响（2）合金元素对A1.-Si系免热处理压铸铝合金的作用Si在免热处理压铸A1.-Si系合金中含量一般在4.0%11.5%之间。随着Si含量提高，a-AI枝

10、晶晶粒不断得到细化，Mg2Si强化相和共晶Si相数量持续增加，其中共晶Si相的尺寸及形貌显著影响合金性能,应尽量使共晶Si相呈球状或纤维状均匀分布，以此改善合金的强韧性。免热处理压铸A1.-Si系合金铸态组织主要为均匀细小的-AI枝晶、共晶Si及其他颗粒状第二相。该合金的强化需调控合金成分与添加细化剂、变质剂，细化初生a-AI相、减小二次枝晶臂间距及改善共晶Si形貌。图3为添加变质元素Sr和复合添加Sr与细化剂A1.-Ti-B后A1.-Si-Mg合金的微观组织凝固示意图。4:TiB2O:AIP：TiB2AIP.:A1.1.SI2Sr：Eutectk图3添加Sr和复合添加Sr与A1.-Ti-B后

11、A1.-Si-Mg合金组织凝固示意图（3）稀土元素作用机制免热处理压铸铝合金主要通过微合金化调控材料微观组织进行强化，其主要的强化方式为细晶强化，故在熔炼过程中需添加细化剂与变质剂来改善微观组织的尺寸及形貌，常用变质元素有Na、Ca.Sr、1.a、Ce等，其中稀土元素的变质效果具有长效性和重熔性，能使合金的铸态组织明显细化。其细化机理为稀土元素在-AI基体中的固溶度有限，会在二次枝晶表面富集,增大成分过冷度,提高形核率，进而实现晶粒细化。此外，稀土元素会改变共晶Si相晶粒的生长机制，使共晶Si相由板状、针状转变为层状、纤维状或球状。稀土元素添加量过高，易形成粗大的稀土元素化合物相，导致用于改性

12、的稀土元素含量减少，改性效果下降。（八）w(Eu)=0(b)w(Eu)=0.3%图4不同Eu含量下的共晶Si相3D形貌图3、新能源汽车一体化压铸设备研制现状新能源汽车大多采用冷室压铸机，是一体化压铸的核心装备，根据锁模力大小可分为小型(400OkN)、中型(4000100OOkN)和大型(10000kN)压铸机。由于压铸机的锁模力大小需覆盖所压部件的投影面积，故大型车身结构件如后底板、前舱架等需要锁模力至少为60000kN的压铸机，而结构件投影面积越大，所需压铸机的锁模力越大，如压铸电池托盘、中底板所需锁模力为8000012000OkN,压铸整个底盘、白车身所需的锁模力为120000-2000

13、00kNo目前，全球具备60000kN以上超大型压铸设备生产能力的厂商为瑞士布勒、海天金属、伊之密、力劲科技及其子品牌IDRA等。一体化压铸用大型压铸设备的研制情况见表3o未来新能源汽车要采用一体化压铸技术，必须大量采购超大型压铸设备，因此量产超大型一体化压铸设备仍是当前一体化压铸技术快速发展的关键壁垒之一。年份压铸机研制情况2016伊之密DM2500压铸机投入使用2017伊之密HPM45OOOkN压铸机正式出机意德拉成功研制55OOOkN压铸单元2018二意特佩斯雷研发TF5600压铸机力劲60OOokN压铸机全球首发2019-海天金属HDC45OOOkN压铸机交付使用力劲90OOokN压铸

14、机全球首发2021力劲发布60000kN两板压铸机海天金-HDC88000kN压铸机交付使用意德拉90OOOkN压铸机GigaPre4完成建造与测试2022伊之密1.EAP70OOOkN压铸机完成开发表3一体化压铸用大型压铸设备研制现状结论与展望新能源汽车行业的蓬勃发展为国内一体化压铸铝合金材料研发和超大型一体化压铸设备制造提供了行业发展驱动，节能减排与新能源化汽车产业的国家政策扶持为合金材料开发、工艺装备制造、汽车产业升级换代及国际市场开拓提供了稳定高效的发展前景。与传统压铸工艺相比，一体化压铸成形制造对材料、模具、工艺及装备均提出了更高的技术要求。在工艺要素方面，包括合金熔化及预处理、浇注

15、凝固方式、喷涂与脱模工艺、高真空压铸装备等提出了更高的技术要求；在生产要素方面，对压射比压、充型速度、充型时间、保压时间与加压凝固参数控制方面提出了更为苛刻的生产控制要求；在模具生产制造方面，除对模具强度与塑韧性提出更高的技术指标外，还对模具表面质量、抗热裂、抗高温氧化及使用寿命等方面提出了更高的要求；在超大型压铸装备方面，为满足未来一体化压铸件在新能源汽车行业的快速普及，实现超大型压铸装备的低成本、高精度、长寿命设计开发与量产制造仍将是未来新能源汽车行业的关注热点。当前用于一体化压铸免热处理制造的轻质合金材料仍以A1.-Si系与A1.-Mg系为主，通过微合金化设计结合固溶强化与细晶强化作为其强韧化作用机理。受材料强度限制，仅可用作中等承载部件的一体化压铸制造；未来兼顾静载强度、涂挂性能、工艺性能、疲劳寿命、耐蚀性能与可回收性的压铸铝合金材料研发将会成为铝合金材料领域的研究重点。