原標題：極氪汽車：淺述壓鑄鋁合金行業現狀及發展趨勢
壓力鑄造（簡稱壓鑄）是在高壓作用下，使液態或半固態金屬以較高的速度充填壓鑄型腔（壓鑄模具），並在壓力下成形和凝固而獲得鑄件。壓鑄件尺寸精度高，一般相當於6~7級，甚至可達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%，尺寸穩定，互換性好；可壓鑄薄壁復雜的鑄件，生產效率高，壓鑄模具壽命長，當壓鑄鋁合金時，可以達到8~20萬次，因此壓鑄工藝被廣泛應用於光伏、5G通訊及汽車領域。
鋁及鋁合金密度低（接近2.7g/cm³），約爲鐵或銅的1/3；導電導熱性好，僅次於銀、銅和金；耐蝕性好：鋁的表面易自然生產一層致密牢固的Al2O3保護膜，能很好地保護基體不受腐蝕。通過鈍化、噴粉、塗裝等可獲得良好產品，因此特別適合壓鑄工藝生產。本研究通過收集國內外資料及行業發展狀態，闡述了鋁合金及鑄件的發展趨勢，旨在爲其應用提供參考。
圖文結果
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表1 美國壓鑄鋁合金化成成分(%)
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表2 歐盟壓鑄鋁合金化學成分(%)
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表3 中國壓鑄鋁合金化學成分(%)
可以看出，各種標準的鋁合金材料成分具有相似性，可以根據使用要求選擇合金材料。常規的壓鑄鋁合金，對伸長率、熱導率沒有特殊的要求，主要用於汽車、摩託車發動機零部件，如發動機覆蓋件、油底殼、缸體、變速器殼體等。
隨着5G技術的發展，通訊基站用壓鑄鋁合金越來越多（見圖1），主要用於生產散熱器殼體。由於傳統的ADC12鋁合金的熱導率只有100W/（m·K），壓鑄材料一般選擇ENAC44300，以提高零件的熱導率；此外，可採用200~350℃的T5熱處理。除了5G通信領域之外，光伏行業也對壓鑄鋁合金的需求越來越大，代表零部件爲逆變器殼體，見圖2。“光伏+儲能”已成爲多國光伏開發的標準配置。在搭配儲能以後，將爲光伏帶來長期、可持續的發展動力。預計2025年全球光伏新增裝機370GW，屆時儲能逆變器的新增需求約爲74GW。專家預測，到2025年，世界能量供給來源中的2%來自於光伏發電，到2055年，光伏發電將會輸送更多的能量，約佔總能源供給的25%，到2150年將超過50%。這類鋁合金除了對導熱有需求之外，爲了應對意外爆炸不產生碎片，對伸長率也有一定的要求，通常要求在5%以上。散熱領域主要的零部件見圖3。主要包含ADS殼體、DC轉換器、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。
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圖1 5G通信基站散熱殼體
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圖2 逆變器散熱殼體
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圖3 導熱壓鑄鋁合金代表零件
導熱領域適用鋁合金材料見表4，和ADC12合金相比，爲了保證熱導率，要去除雜質合金元素，特別是對熱導率影響比較大的元素，如Ti、Mn、Zr、Mg等，各元素對熱導率的影響見圖4。另外，T5熱處理（200~350℃）可以消除壓鑄過程中產生的內應力，提高材料的熱導率（見圖5）。圖6爲高導熱壓鑄鋁合金材料統計。可以看出，合金元素含量越低，熱導率越高，爲了獲得200W/（m·K）左右的熱導率，Si的含量通常在2%左右，或者使用Ni元素作爲主要合金元素，或者用半固態工藝。
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表4 高導熱鋁合金主要元素(%)
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圖4 合金元素對熱導率的影響
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圖5 傳統壓鑄合金熱導率
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圖6 高導熱壓鑄鋁合金統計
傳動汽車結構件主要有橫樑、B柱、縱樑、減震塔等，見圖7。根據車身鏈接安全和鏈接的要求，這類產品通常需要更高的伸長率，一般要求12%以上；對應的壓鑄鋁合金材料主要爲萊茵鋁業形發的Silafont-36（AlSi10MnMg），其不同狀態下性能見表5，在EN1706對應牌號爲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。經過T7熱處理後，最終伸長率達到12%以上。但是由於T7熱處理的溫度爲450~480℃，壓鑄內部的微小氣孔膨脹，產生氣泡，同時，固溶過程高溫到低溫過程造成產品變形，給產品的外觀輪廓及尺寸帶來困擾，造成成本大幅度增加。
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圖7 傳統汽車結構件
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表5 Silafont-36(AlSi10MnMg)不同狀態下的性能
根據國海證券的調研報告，2022年特斯拉Model Y的後底板和前機艙高度集成，零件數量從171個零件縮減爲2個（圖8），焊接點位可以減少1600多個。由於這類產品的尺寸比較大，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節性能，Silafont-36（AlSi10MnMg）無法在這類產品中應用。爲了解決這個問題，新型免熱處理材料的研發已迫在眉睫；材料成爲發展一體式壓鑄的基礎。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，如文燦、鴻圖等，原材料提供商，如帥翼馳、申源創、中鋁國際、日輕金屬、蘇州慧金等有相應的專利儲備，高校，如清華大學，上海交通大學等都在積極參與（見圖9）。
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圖8 特斯拉一體式壓鑄前機艙和後底板示意圖
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圖9 免熱處理材料合金牌號統計
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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，由於Si含量降低，液相線溫度和固相線溫度的溫度差拉大，壓鑄產品在凝固過程中產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。爲了解決這些問題，採用三段式抽真空技術，見圖11，既保證了產品遠端的成形，同時又保證了伸長率。三段式抽真空的原理爲，當衝頭剛過鋁液口時，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，衝頭移動速度處於低速階段，一般速度控制在0.15~0.3 m/s之間；當衝頭到壓室抽真空點後，壓室抽真空通道關閉；衝頭繼續向前移動，當啓動高速速度位置前100mm位置，見圖12。爲了避免液壓真空閥堵塞，關閉液壓閥，進入高速充填階段。當壓射結束時，排氣板真空通道關閉。三段式真空過程，壓室真空和液壓閥真空的通道的優點在於截面積大，可以在短時間內將模具內的真空度降低。但是壓射開始時，模具間隙位置（如推杆間隙），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於比較高的真空度下，通常真空度在5kPa以內。
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圖11 三段式壓鑄抽真空示意圖
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圖12 壓鑄速度-位移曲線示意圖
結論
不管是新型高導熱鋁合金，還是免熱處理壓鑄鋁合金，提高熱導率和伸長率，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品性能之外，爲了保證壓鑄工藝及產品外觀品質，新型合金材料還應該具備以下性能：①在固相線溫度附近具有好的熱塑性，以實現復雜型腔的充型，避免縮孔；②收縮率低，避免壓鑄過程產生裂紋和變形，提高尺寸精度；③較小的凝固區間（液相線和固相線之間的溫度差），減少縮孔產生；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，緩解粘模；⑥良好的理化性能，在高溫熔融狀態下，不容易吸氣、氧化，滿足長時間保溫需求。
壓鑄產品的發展趨勢向集成化、大型化發展；隨着產品特性的發展，性能個性化的需求，壓鑄鋁合金向低合金化方向發展；高真空壓鑄成爲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有限公司本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴
