一體化壓鑄車身結構件解析：原材料篇

2020年9月，馬斯克在特斯拉電池日發布會上介紹，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，整個產業鏈條迅速涉入一體化壓鑄結構件領域。

截止目前，國內外汽車廠在一體化壓鑄結構件領域開發及應用進展如下表：

眾多企業紛紛布局該技術，一體化壓鑄技術本身對原材料、設計、工藝、設備等等方面的要求較常規壓鑄技術要高很多。各個環節如何滿足一體化壓鑄技術的要求，是各相關技術工程師關注的課題。本文將對一體化壓鑄用原材料進行全方位的解讀。

一體化壓鑄零件通常具有尺寸大、壁厚薄、結構復雜等特點，這就對鋁合金材料性能提出了更高的要求。綜合考慮使用性能、工藝特點和生產條件等因素，一體化壓鑄鋁合金材料不僅在常規性能上比普通壓鑄高，而且還有其獨特的要求。

1. 常規性能要求

（1）熱塑性流變性能良好。在過熱度不高及液、固相線溫度附近應具有良好的熱塑性流變性能，以實現復雜型腔的填充，形成良好的鑄造表面，避免縮孔缺陷的產生。

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

（3）較小的凝固溫度區間。以便于實現快速同時凝固，減少內部收縮孔洞等缺陷。

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

2. 獨特性能要求

（1）材料應在鑄態下具有高強韌性

對于傳統鋁合金而言，熱處理是保障零部件機械性能的必備手段，但實際上，熱處理過程易引起零部件表面缺陷和尺寸變形，這對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，承擔巨大的成本風險。因此需要特殊的免熱處理鋁合金，在不需要進行熱處理的條件下，保證材料成型后依然具有良好的機械性能。根據材料的強度進行零件的結構設計，并且材料強度越高、減重越明顯。另外對于車身結構件來講，還需兼顧碰撞、疲勞性能要求等，因此一體化壓鑄結構件要求材料在鑄態下具有高的強度和塑性。

（2）材料應具備優異的鑄造性能

鑄造性能包括很多方面。對于一體化壓鑄結構件來說，材料的充型能力很關鍵。目前最遠的流程可以達到2米7左右，如果充型能力不足，將導致欠鑄等問題。

（3）高的連接包容性

因為大型的一體化壓鑄車身結構件，在零件的不同部位無法做到性能統一，所以在零件的不同部位可能會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存在氣孔等要求。

（4）材料應具備更高的微量元素、雜質元素的容忍度

目前，一體化鑄件的成品率在60%左右（各企業的數據不一致，此數據為大致的平均水平），這意味著大概有40%的件需要回爐重新使用，在這個過程中難免會引入一些雜質元素，另外有些元素還會存在燒損。另外，隨著雙碳目標的確定，未來希望再生料能夠融入免熱處理錠生產的過程中。因此，材料能夠對元素及雜質擁有高的容忍度，才能確保經濟性和鑄件性能。

（5）材料需要長效的、高效的變質劑

因為免熱處理材料的特性就是取消了熱處理工序。目前常用的AlSi10MnMg材料通過熱處理，來改善零件的力學性能。而免熱處理材料沒有了后續手段，只能通過鑄造過程中形成的組織來實現力學性能。通過控制凝固過程中形成的組織來實現材料的強度和塑性。目前對于免熱處理材料組織的控制，關鍵點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。目前依靠現有的La、Gd或者稀土元素作為變質劑進行組織調控。在實際生產過程中，工藝上需要熔體有很長的時間的保溫，如果變質劑效力下降乃至失效，將對于生產的連續性存在極大的挑戰。

免熱處理自強化鋁合金，其特點是零部件不需要經過高溫固溶處理和人工時效，僅通過自然時效即可達到較高的強度和塑性。

目前開發應用免熱處理高強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、華人運通與上海交大、湖北新金洋等。

免熱處理高強韌鋁合金采用的技術路線主要為鋁硅及鋁鎂兩大系列。

高強韌Al-Mg系免熱處理壓鑄鋁合金對化學成分控制嚴格，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，對力學性能要求不高的壓鑄件。

高強韌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元素對共晶硅進行變質處理等。

高強韌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效強化作用的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等細小彌散相來提高合金的強度，其與壓鑄件的壁厚有較大的關系，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度越高。此合金特別適用于車身零件輕量化的薄壁化高強度高韌性需求。

華人運通與上海交大共同研制的TechCastTM為基于“現代工業的維生素”稀土元素的特性并加以增強、優化，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及湖北新金洋的材料合金體系不詳。

目前實現量產的部分免熱處理鋁合金情況匯總如下：

由于免熱處理高強韌壓鑄鋁合金的前景可觀，因此很多企業和高校紛紛開展了相關研究。為給行業提供更多信息，筆者在相關專利查詢網站，按照“非熱處理、鋁合金”、“免熱處理鋁合金”等字段進行檢索。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，后續自行關注是否通過。

大型一體化車身結構件逐漸成為各大主機廠關注的熱點。免熱處理高強韌鋁合金不僅能夠滿足大型車身一體化結構件所需的性能，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約能源，減少碳排放。隨著“雙碳目標”逐步被企業提上日程，免熱處理強韌化壓鑄鋁合金將會是汽車行業的新寵。

另外，隨著輕量化設計需求和鋁合金一體壓鑄結構件的集成化程度不斷提升，新型壓鑄合金的開發將朝著提升強度和韌性，同時具有良好的流動性和鑄造性能的方向發展。