鋁、鎂合金壓鑄件在汽車工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展

劉奇峰 藍(lán)麗招

（重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

在全球環(huán)境污染日益加重的背景下，汽車輕量化在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性、減少燃料消耗、降低污染物排放，成為汽車領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。因壓鑄產(chǎn)品的高質(zhì)量、高精度、高生產(chǎn)效率，并能有效實現(xiàn)輕量化，因而采用壓鑄工藝生產(chǎn)的汽車零部件種類逐漸增加[1-2]。應(yīng)用輕質(zhì)合金壓鑄汽車零部件，既能減輕整車質(zhì)量促進(jìn)汽車輕量化，又縮短了生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)成本，意義重大[3]。本文詳細(xì)介紹了壓鑄技術(shù)的原理、特點、工藝流程及發(fā)展現(xiàn)狀，并對壓鑄件常見的缺陷進(jìn)行分析并給出解決方案；然后綜述了鋁、鎂合金壓鑄件在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展，并介紹了典型的鋁、鎂合金壓鑄件；最后對壓鑄件在汽車行業(yè)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 壓鑄技術(shù)概述

1.1 壓鑄工藝原理

壓鑄技術(shù)可以劃分到特種鑄造的范圍，其原理是在較高的壓力作用下將液態(tài)熔融金屬或半液態(tài)、半固態(tài)金屬，以較高的速度填充進(jìn)模具型腔內(nèi)，并使金屬在壓力作用下凝固成形的方法[4]。

1.2 壓鑄工藝特點

壓力鑄造工藝主要有冷室壓鑄和熱室壓鑄2 種基本方法，在壓鑄工藝的生產(chǎn)過程中很少或者根本不需要進(jìn)行金屬切削，生產(chǎn)效率高，具有較高的經(jīng)濟性[5]。在壓力鑄造過程中，施加在金屬上的壓力一般在20 ～200 MPa，充型的初始速度為15 ～70 m/s，充型時間通常不超過0.2 s。由于壓鑄技術(shù)獨特的充型與凝固方式，壓鑄技術(shù)具有以下其他成形工藝不具有的獨特優(yōu)勢。

（1）能制造出形狀復(fù)雜的薄壁鑄件。一般體積的鑄件壁厚在1～6 mm，體積小的零件壁厚能做到更薄，體積大的鑄件壁厚可以超過6 mm，其他鑄造方法不能生產(chǎn)的零件，只能通過壓鑄技術(shù)生產(chǎn)。

（2）通過壓鑄得到的鑄件精度高、尺寸穩(wěn)定、表面光潔，加工余量一般為0.2～0.5 mm。

（3）效率高、生產(chǎn)周期短，一次操作的時間不超過3 min，生產(chǎn)速度為300件/min。

（4）壓力鑄造采用的鑲鑄法可以節(jié)省裝配工序并簡化制造工藝。利用鑲鑄法可以制備出有特殊需求的鑄件。

（5）壓鑄件表面可進(jìn)行涂覆處理。鑄件可壓鑄出螺紋、線條、文字等；壓鑄可將峰谷、凹凸不平、窄槽等形狀清晰的鑄出[6-8]。

但是壓力鑄造與其他成形工藝一樣沒有辦法做到盡善盡美，同樣會存在一些問題。

（1）鑄件會出現(xiàn)氣孔和縮松。金屬液填充到型腔并冷卻的過程極短，若型腔內(nèi)的氣體無法快速排出，鑄件中就會有氣孔或者氧化雜物存在，從而影響鑄件的質(zhì)量。

（2）比其他成形方式相比成本高。壓鑄生產(chǎn)中壓鑄機、壓鑄模費用較高，不適合小批量生產(chǎn)。

（3）模具的材料主要適用于低熔點的合金，模具的使用壽命較短。壓鑄模具在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、脆斷、腐蝕等現(xiàn)象，很大程度上縮短了模具的使用壽命[9]。

隨著壓鑄技術(shù)的發(fā)展，上述問題在不斷解決。

1.3 壓鑄工藝流程

壓鑄工藝是壓鑄機、模具和合金材料3 大要素有機組合的過程，是壓力、速度、溫度等相互矛盾因素的統(tǒng)一過程[10]。壓鑄工藝基本上有2 種類型：熱室壓鑄和冷室壓鑄。

熱室壓鑄工藝如圖1 所示。在熱室壓鑄過程中，熔融金屬被保存到一個封閉的鋼制坩堝，位置在保護(hù)氣體之下。閥門允許受控體積的熔融金屬進(jìn)入浸入熔融金屬中的鵝頸管。柱塞將熔融金屬通過噴嘴注入模具的型腔中。為了防止金屬液凍結(jié)，用氣體、電加熱或感應(yīng)加熱的方式將噴嘴加熱到400～500 ℃。噴嘴經(jīng)常在2次噴射之間保持充滿熔融金屬的狀態(tài)，以縮短循環(huán)時間。注射過程中施加在熔融金屬上的壓力低于冷室壓鑄，并限制了熱室法制造的零件的尺寸。主要原因是噴嘴等各種部件的高工作溫度限制了可施加的壓力[11]。

圖1 熱室壓鑄示意[12]

冷室壓鑄工藝如圖2 所示，熔融的金屬液體通過手工澆包、自動澆包或泵送入射柱。然后，通過柱塞將其快速注射到空腔中，在高壓下固化為網(wǎng)狀部分。如果用于形成底切，則會縮回型芯。最后，鑄件被彈出，并通過將其與澆注系統(tǒng)與型芯分離來對該部分進(jìn)行修剪，整個周期通常需要1 min左右[11]。

圖2 冷室壓鑄示意[12]

1.4 壓鑄工藝發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，壓鑄機及壓鑄技術(shù)發(fā)展迅速。目前，壓鑄技術(shù)主要朝著這3個方向發(fā)展：（1）壓鑄機及設(shè)備朝著正向壓力鑄造自動化方向發(fā)展，在壓鑄機上配備了計算機控制部分，自動化程序有很大的發(fā)展；（2）壓鑄材料方面得到進(jìn)一步的發(fā)展，如免熱處理鋁合金、鎂合金及金屬基復(fù)合材料的研發(fā)；（3）計算機模擬技術(shù)與壓鑄技術(shù)緊密融合。

（1）壓鑄設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

在壓鑄過程中，選擇適用的壓鑄機是重中之重。在選擇壓鑄機時不僅要考慮壓鑄機的規(guī)格、價格，還要考慮壓鑄機的性能、質(zhì)量、穩(wěn)定性。壓鑄機分為熱室壓鑄機、冷室壓鑄機，根據(jù)壓室結(jié)構(gòu)與布置方式又分為臥式壓鑄機和立式壓鑄機。大型壓鑄機從上世紀(jì)50年代開始發(fā)展，在近幾年發(fā)展最為迅速。2021年初，特斯拉官宣包括上海在內(nèi)的4座整車工廠都已經(jīng)安裝超大型壓鑄機，在此之前4000 t級壓鑄機為大型壓鑄機，在這之后6000～9000 t級壓鑄機為大型壓鑄機，目前已有12000 t超大型壓鑄機問世[3]。隨著這些壓鑄機的尺寸和鎖緊力增加，使得壓鑄發(fā)動機殼體、變速器殼體和其他大型復(fù)雜薄壁部件成為可能，尤其是鋁合金部件。除壓鑄機的型號得到發(fā)展外，壓鑄機安全標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，壓鑄機功能也得到發(fā)展，多滑塊式高速率壓鑄機，配備了柔性單元配備裝置、智能化機械手、分立的自動澆料、取件、噴涂裝置，有效地提高了加工效率。

（2）壓鑄材料發(fā)展現(xiàn)狀

合金材料的品質(zhì)對壓鑄件質(zhì)量的影響也至關(guān)重要。根據(jù)壓鑄工藝的特點，對壓鑄合金有以下基本要求：

a.過熱溫度低時要有良好的流動性，方便充填復(fù)雜型腔，來獲得表面質(zhì)量良好的壓鑄件；

b.為避免壓鑄件出現(xiàn)裂紋，要求其線性縮率與裂紋傾向性要??；

c.為預(yù)防壓鑄件出現(xiàn)太多的縮孔和縮松，材料的結(jié)晶溫度范圍要??；

d.為防止推出壓鑄件時出現(xiàn)變形，材料要有一定的高溫強度；

e.具備良好的加工性能與抗腐蝕能力。目前最普遍的合金材料包括鋁合金及其復(fù)合材料、鋅合金及其復(fù)合材料、鎂合金及其復(fù)合材料、銅合金及其復(fù)合材料。

汽車輕量化是當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向，密度小、易于壓鑄的鋁合金、鎂合金自然成為壓鑄的首選材料。傳統(tǒng)的復(fù)合鈍化雙結(jié)電池（High Performance and Hybrid Passivated Dual-Junction Cell, HPDC）零件是不能熱處理的，因為當(dāng)孔隙中的截留空氣膨脹時，在加熱到溶解溫度時會形成氣泡。近年來，國內(nèi)外許多企業(yè)相繼開發(fā)出鋁合金免熱處理材料，該材料的研發(fā)對壓鑄大型薄壁件有顯著的促進(jìn)意義[2]。相同尺寸的鎂合金壓鑄件，其質(zhì)量只有鋁鑄件的三分之二，因此鎂合金壓鑄件具有極大的發(fā)展前景。一些專家和學(xué)者通過抑制Mg17Al12相的形成、釘扎晶界的滑動以及減緩鎂基質(zhì)中溶質(zhì)的擴散來改變其在高溫狀態(tài)下抗蠕變性能差的缺點，使其適合在高溫下使用[13]。

（3）計算機模擬仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，使金屬液在注入型腔的流動形態(tài)、型腔中的凝固過程、型腔內(nèi)金屬液體的流動壓力、模具的溫度場分布、模具的溫度梯度、模具的變形、壓鑄機拉杠桿系受力分析等都有不同程度的理論突破。當(dāng)前使用的模擬分析軟件主要有國內(nèi)的華鑄CAE、FT-Star 和國外的ProCAST、FOLW-3D、Any-CAST 等[14]。Lu[15]根據(jù)循環(huán)溫差，制定了一套壓鑄模具疲勞壽命的使用標(biāo)準(zhǔn)，通過ProCAST仿真試驗時的熱載荷，且進(jìn)行了一個以H13鋼模具樣品為對象的驗證測試，最終得到了模具的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)范圍。Kapoor[16]等針對HPDC 產(chǎn)品，對其采用的壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行了評估，為高壓鑄造的參數(shù)優(yōu)化提供了有效的方法。為了節(jié)省模擬時間，Zhu[17]等人改進(jìn)了壓力迭代的計算方法。

1.5 壓鑄件缺陷分析及措施

壓鑄件的缺陷類型主要包括形狀尺寸問題、外觀缺陷、內(nèi)部缺陷、材質(zhì)缺陷及其他缺陷[10]。本文針對5種缺陷類型中較常見的缺陷分析其產(chǎn)生原因，并給出預(yù)防方法，詳見表1。

表1 壓鑄件常見缺陷類型及分析

2 鋁、鎂合金壓鑄件在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

開發(fā)壓鑄技術(shù)初衷是為在汽車上應(yīng)用，其目的是為了生產(chǎn)質(zhì)量輕、易于操作且價格低廉的零件[18]。壓鑄被廣泛用于比鑄鐵輕的鋁、鎂等材料，隨著鑄造鋁、鎂合金等輕質(zhì)材料的研究與發(fā)展，這些合金鑄件在汽車上的應(yīng)用逐漸增加，極大程度上滿足了汽車燃油經(jīng)濟性不斷增長的需要。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每當(dāng)整車質(zhì)量減輕10%，燃油效率可以提高6%～8%，油耗會降低6%～10%。與鋼相比，鋁合金鑄件能使整車質(zhì)量減輕30%～50%，鎂合金鑄件能使整車質(zhì)量減輕40%～60%[19]。

2.1 鋁合金壓鑄件在汽車的應(yīng)用與發(fā)展

基于鋁合金密度低、耐腐蝕、成型性好、在碰撞中可以比鋼多吸收50%的能量等優(yōu)點，鋁合金壓鑄技術(shù)飛速發(fā)展，鋁鑄件在汽車工業(yè)中的用量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他有色金屬。

早在20 世紀(jì)初一些西方國家就已經(jīng)有采用鋁合金代替鑄鐵制造汽車零部件的先例，當(dāng)時福特Model T 型汽車以及法拉利360 賽車的車身均是鋁合金制造；20世紀(jì)40年代，菲亞特公司開發(fā)了鋁合金進(jìn)氣管以及氣缸蓋，并且開始小批量投入生產(chǎn)。20 世紀(jì)50年代，澳大利亞企業(yè)引入低壓鑄造技術(shù)去制造汽車鋁鑄件。同一時期，德國某公司對低壓鑄造技術(shù)進(jìn)行了更深層次的研發(fā)，使其可以用來生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金零件。通用公司也大規(guī)模生產(chǎn)缸蓋、曲軸箱、發(fā)動機后蓋等鋁鑄件，并將其應(yīng)用到汽車上。20 世紀(jì)60年代之后，高壓壓鑄技術(shù)的發(fā)展使鋁合金等輕質(zhì)材料在車輛中的占比不斷上升，同時也奠定了現(xiàn)代汽車工業(yè)普遍使用鋁鑄件減輕整車質(zhì)量的方向。到21世紀(jì)，全球汽車工業(yè)中鋁鑄件的應(yīng)用更加廣泛，根據(jù)有關(guān)資料顯示，在全球范圍內(nèi)鋁鑄件的產(chǎn)能每年在以6%左右的速度增長，現(xiàn)如今在汽車工業(yè)中鑄造鋁合金的用量占總用鋁量的80%左右，而其中的65%為壓鑄件。進(jìn)入21世紀(jì)以來，鋁合金壓鑄件單車用量在逐年不斷攀升，我國單車鋁合金壓鑄件用量與歐美等發(fā)達(dá)國家的水平差距在不斷縮小，如下圖3所示。

圖3 國內(nèi)外單車用鋁鑄件質(zhì)量對比

隨著鋁合金壓鑄件在車輛上的占比不斷增加，其在汽車上的應(yīng)用范圍也在逐漸擴大。根據(jù)使用功能可以將鋁合金壓鑄件在汽車上的應(yīng)用范圍劃分為結(jié)構(gòu)件、受力件、安全件、裝飾件。按照汽車總成來分類，可以分為動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤總成、車身、其他[6]，見表2。

表2 汽車各總成鋁合金壓鑄件應(yīng)用匯總

發(fā)動機缸體、油底殼等鑄件是汽車應(yīng)用鋁合金壓鑄件最典型的應(yīng)用。用于制造缸體的合金必須具有良好的流動性，通常會在鋁硅合金中添加少量的鈉和鍶，這樣會增加金屬的流動性?，F(xiàn)如今在汽車上使用鋁合金壓鑄缸體的汽車廠商占大部分，雖然這樣做成本較高一點，但綜合考慮汽車輕量化要求的不斷發(fā)展，鋁合金壓鑄缸體逐漸被越來越多的汽車廠商接受。油底殼的位置在曲軸箱的下半部，雖然鋁合金壓鑄油底殼與傳統(tǒng)沖壓制成的油底殼相比質(zhì)地較軟，但卻具有比傳統(tǒng)沖壓件更好的散熱性，且質(zhì)量更輕。

鋁合金鑄件的應(yīng)用不僅對傳統(tǒng)燃油車的輕量化有非常明顯的促進(jìn)意義，新能源車輛同樣如此。2019年，特斯拉引入一臺大型壓鑄機，對Model Y車型生產(chǎn)制造進(jìn)行改進(jìn)，將Model Y 車型的后地板總成70個零件一體壓鑄成型，制造時間縮短至3～5 min，徹底顛覆了傳統(tǒng)以沖壓、焊裝為主導(dǎo)的整車制造模式（圖4）。特斯拉采用一體式壓鑄后地板總成，將整車質(zhì)量減輕了30%，制造成本也降低了40%，這給全球制造業(yè)帶來了巨大的影響[2]。

圖4 一體壓鑄汽車后地板

2.2 鎂合金壓鑄件在汽車的應(yīng)用與發(fā)展

早在1925年，德國首次在汽車上使用壓鑄而成的鎂合金活塞，之后的十多年里，將近400萬個鎂鑄件活塞被應(yīng)用到汽車上[20]。鎂鑄件在汽車上的使用量一直在上升，直到1971 年達(dá)到峰值，當(dāng)時鎂鑄件在汽車上的主要應(yīng)用是風(fēng)冷發(fā)動機和變速箱[21]。在這之后，隨著科技的進(jìn)步，發(fā)動機的功率越來越大，風(fēng)冷發(fā)動機向水冷發(fā)動機轉(zhuǎn)換，當(dāng)時使用的鎂合金材料不再適合當(dāng)時的工作環(huán)境，等到新的鎂合金材料被開發(fā)，綜合考慮成本，鎂鑄件已經(jīng)不是最優(yōu)的選擇，但仍然有部分車型在使用[22]。

鎂合金仍舊是當(dāng)前使用的所有金屬結(jié)構(gòu)材料當(dāng)中質(zhì)量最輕的，采用鎂合金可在鋁合金的基礎(chǔ)上使整車質(zhì)量再減輕15%～20%。在汽車輕量化成為汽車工業(yè)主要前進(jìn)方向的背景下，鎂是很有前途的金屬材料，并已經(jīng)是很多國家的研發(fā)重點。鑄造一直是鎂部件的主要制造工藝，約占鎂結(jié)構(gòu)應(yīng)用的98%。目前汽車上有70多個零件是由鎂合金制成的，其中90%以上為壓鑄件，其中使用的最多的有儀表盤基座及轉(zhuǎn)向柱、座位框架、轉(zhuǎn)向盤軸、發(fā)動機閥蓋、進(jìn)氣歧管[11]。表3總結(jié)了鎂鑄件在汽車行業(yè)的應(yīng)用。

表3 鎂合金鑄件在汽車的應(yīng)用

鎂合金是用來制造汽車的絕佳材料，其優(yōu)異的壓鑄特性使該工藝能經(jīng)濟地生產(chǎn)大型、薄壁和復(fù)雜的鑄件，不僅能減輕整車質(zhì)量、減少能耗、提高加速和制動性能，并且可以顯著降低振動，提高舒適性。大多數(shù)車用鎂鑄件是通過冷室壓鑄生產(chǎn)的，其中典型的零件包括儀表盤橫梁、座椅骨架、發(fā)動機缸體和油底殼等[23-24]。圖5a 是美國通用公司在1996 年推出的一體壓鑄儀表板梁鎂鑄件。其厚度只有4 mm，質(zhì)量只有12.3 kg，與鋼制零件相比質(zhì)量減輕了32%，且基于一體壓鑄設(shè)計，節(jié)省了成本。隨著鎂壓鑄技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今已經(jīng)能夠更大程度減輕質(zhì)量，圖5b為別克君越6.9 kg的鎂合金壓鑄件。

圖5 一體壓鑄鎂合金鑄件

2.3 鋁、鎂合金壓鑄件未來發(fā)展趨勢

鋁、鎂合金出色的充型性使其能經(jīng)濟地用于生產(chǎn)大型、薄壁和復(fù)雜鑄件。鋁、鎂合金壓鑄件也朝著大型化、薄壁化和復(fù)雜化方向發(fā)展。通用公司推出的一體壓鑄儀表板梁鎂鑄件以及特斯拉一體壓鑄后地板總成，都是將諸多簡單零件合成一個復(fù)雜零件一體壓鑄。在工藝方面，為解決輕金屬常規(guī)壓力鑄造的最大缺點，研究人員開發(fā)出了真空壓鑄、真空輔助壓鑄、高真空壓鑄以及低壓鑄造等能降低鑄件產(chǎn)生疏松的工藝。在壓鑄材料領(lǐng)域，海外企業(yè)包括美鋁、萊茵菲爾德和特斯拉，以及國內(nèi)企業(yè)如蔚來汽車、湖北新金洋、立中集團等開發(fā)了免熱處理材料，免熱處理材料的研發(fā)使大型一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件成為可能。

3 總結(jié)與展望

本文通過從壓鑄工藝原理、工藝流程，工藝特點及工藝發(fā)展現(xiàn)狀4個方面，詳細(xì)介紹了壓力鑄造技術(shù)，并針對壓鑄件經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了分析，并給出預(yù)防措施。對鋁、鎂合金壓鑄件在汽車上應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)行了梳理，總結(jié)了鋁、鎂合金壓鑄件在汽車工業(yè)的應(yīng)用情況，并詳細(xì)介紹了鋁、鎂合金壓鑄件在汽車上的典型應(yīng)用。在“雙碳”背景下，汽車正朝著節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展，汽車應(yīng)用鋁、鎂合金等輕質(zhì)金屬壓鑄件對減輕整車質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、促進(jìn)汽車輕量化進(jìn)程有顯著意義。而且，擠壓鑄造、半固態(tài)壓鑄、真空壓鑄等無缺陷鑄造法正在實現(xiàn)自動化，生產(chǎn)效率和質(zhì)量進(jìn)一步提高，成本會進(jìn)一步降低，這將進(jìn)一步促進(jìn)壓鑄件在汽車上的應(yīng)用。目前，中國汽車保有量已躍居世界第一，而單車鋁、鎂合金壓鑄件用量仍與發(fā)達(dá)國家有差距，故鋁、鎂合金壓鑄件在汽車工業(yè)應(yīng)用的前景非常廣闊。