极氪汽车：压铸铝合金行业现状及发展趋势

　　原标题：极氪汽车：浅述压铸铝合金行业现状及发展趋势

　　压力铸造（简称压铸）是在高压作用下，使液态或半固态金属以较高的速度充填压铸型腔（压铸模具），并在压力下成形和凝固而获得铸件。压铸件尺寸精度高，一般相当于6~7级，甚至可达4级；表面粗糙度低；强度和硬度较高，强度比砂型铸造提高了25%~30%，尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件，生产效率高，压铸模具寿命长，当压铸铝合金时，可以达到8~20万次，因此压铸工艺被广泛应用于光伏、5G通讯及汽车领域。

　　铝及铝合金密度低（接近2.7g/cm³），约为铁或铜的1/3；导电导热性好，仅次于银、铜和金；耐蚀性好：铝的表面易自然生产一层致密牢固的Al2O3保护膜，能很好地保护基体不受腐蚀。通过钝化、喷粉、涂装等可获得良好产品，因此特别适合压铸工艺生产。本研究通过收集国内外资料及行业发展状态，阐述了铝合金及铸件的发展趋势，旨在为其应用提供参考。

图文结果

表1 美国压铸铝合金化成成分(%)

表2 欧盟压铸铝合金化学成分(%)

表3 中国压铸铝合金化学成分(%)

　　可以看出，各种标准的铝合金材料成分具有相似性，可以根据使用要求选择合金材料。常规的压铸铝合金，对伸长率、热导率没有特殊的要求，主要用于汽车、摩托车发动机零部件，如发动机覆盖件、油底壳、缸体、变速器壳体等。

　　随着5G技术的发展，通讯基站用压铸铝合金越来越多（见图1），主要用于生产散热器壳体。由于传统的ADC12铝合金的热导率只有100W/（m·K），压铸材料一般选择ENAC44300，以提高零件的热导率；此外，可采用200~350℃的T5热处理。除了5G通信领域之外，光伏行业也对压铸铝合金的需求越来越大，代表零部件为逆变器壳体，见图2。“光伏+储能”已成为多国光伏开发的标准配置。在搭配储能以后，将为光伏带来长期、可持续的发展动力。预计2025年全球光伏新增装机370GW，届时储能逆变器的新增需求约为74GW。专家预测，到2025年，世界能量供给来源中的2%来自于光伏发电，到2055年，光伏发电将会输送更多的能量，约占总能源供给的25%，到2150年将超过50%。这类铝合金除了对导热有需求之外，为了应对意外爆炸不产生碎片，对伸长率也有一定的要求，通常要求在5%以上。散热领域主要的零部件见图3。主要包含ADS壳体、DC转换器、基站散热器、光伏逆变器、充电机、车载散热器和车灯散热器等。

图1 5G通信基站散热壳体

图2 逆变器散热壳体

图3 导热压铸铝合金代表零件

　　导热领域适用铝合金材料见表4，和ADC12合金相比，为了保证热导率，要去除杂质合金元素，特别是对热导率影响比较大的元素，如Ti、Mn、Zr、Mg等，各元素对热导率的影响见图4。另外，T5热处理（200~350℃）可以消除压铸过程中产生的内应力，提高材料的热导率（见图5）。图6为高导热压铸铝合金材料统计。可以看出，合金元素含量越低，热导率越高，为了获得200W/（m·K）左右的热导率，Si的含量通常在2%左右，或者使用Ni元素作为主要合金元素，或者用半固态工艺。

表4 高导热铝合金主要元素(%)

图4 合金元素对热导率的影响

图5 传统压铸合金热导率

图6 高导热压铸铝合金统计

　　传动汽车结构件主要有横梁、B柱、纵梁、减震塔等，见图7。根据车身链接安全和链接的要求，这类产品通常需要更高的伸长率，一般要求12%以上；对应的压铸铝合金材料主要为莱茵铝业形发的Silafont-36（AlSi10MnMg），其不同状态下性能见表5，在EN1706对应牌号为ENAC 43500，该合金用Mn替代Fe元素，解决压铸粘模的问题，同时，Mn元素对合金的伸长率副作用不明显。经过T7热处理后，最终伸长率达到12%以上。但是由于T7热处理的温度为450~480℃，压铸内部的微小气孔膨胀，产生气泡，同时，固溶过程高温到低温过程造成产品变形，给产品的外观轮廓及尺寸带来困扰，造成成本大幅度增加。

图7 传统汽车结构件

表5 Silafont-36(AlSi10MnMg)不同状态下的性能

　　根据国海证券的调研报告，2022年特斯拉Model Y的后底板和前机舱高度集成，零件数量从171个零件缩减为2个（图8），焊接点位可以减少1600多个。由于这类产品的尺寸比较大，在热处理过程中容易变形，尺寸得不到很好保证。因此，一体式大型压铸件无法通过热处理调节性能，Silafont-36（AlSi10MnMg）无法在这类产品中应用。为了解决这个问题，新型免热处理材料的研发已迫在眉睫；材料成为发展一体式压铸的基础。目前，整车厂蔚来、小米等都在布局材料方面的专利，零部件压铸企业，如文灿、鸿图等，原材料提供商，如帅翼驰、申源创、中铝国际、日轻金属、苏州慧金等有相应的专利储备，高校，如清华大学，上海交通大学等都在积极参与（见图9）。

图8 特斯拉一体式压铸前机舱和后底板示意图

图9 免热处理材料合金牌号统计

图10 免热处理材料合金元素分析

　　免热处理合金中Si含量在6%~9%之间，从相图中可以看出，Si含量越低，液相线的温度越高，造成铝液的流动性下降。其次，由于Si含量降低，液相线温度和固相线温度的温度差拉大，压铸产品在凝固过程中产生缩孔的概率也大幅度提升，工艺难度大大提高；此外，Si含量降低，凝固收缩率变大，造成脱模阻力加大，给脱模及尺寸控制带来困难。为了解决这些问题，采用三段式抽真空技术，见图11，既保证了产品远端的成形，同时又保证了伸长率。三段式抽真空的原理为，当冲头刚过铝液口时，压室真空通道、液压阀真空通道、排气板真空通道全部打开，开始抽真空。此时，冲头移动速度处于低速阶段，一般速度控制在0.15~0.3 m/s之间；当冲头到压室抽真空点后，压室抽真空通道关闭；冲头继续向前移动，当启动高速速度位置前100mm位置，见图12。为了避免液压真空阀堵塞，关闭液压阀，进入高速充填阶段。当压射结束时，排气板真空通道关闭。三段式真空过程，压室真空和液压阀真空的通道的优点在于截面积大，可以在短时间内将模具内的真空度降低。但是压射开始时，模具间隙位置（如推杆间隙），会有空气进入，此时，排气板真空通道一直打开，有效平衡了模具漏气，让整个压射过程都处于比较高的真空度下，通常真空度在5kPa以内。

图11 三段式压铸抽真空示意图

图12 压铸速度-位移曲线示意图

　　结论

　　不管是新型高导热铝合金，还是免热处理压铸铝合金，提高热导率和伸长率，都需要降低合金元素的含量，让合金元素的种类尽可能少，才能满足性能的需求。压铸铝合金除了满足产品性能之外，为了保证压铸工艺及产品外观品质，新型合金材料还应该具备以下性能：①在固相线温度附近具有好的热塑性，以实现复杂型腔的充型，避免缩孔；②收缩率低，避免压铸过程产生裂纹和变形，提高尺寸精度；③较小的凝固区间（液相线和固相线之间的温度差），减少缩孔产生；④良好的高温强度，避免开模时拉裂；⑤较好的铸件/模具界面性能，避免和模具反应，缓解粘模；⑥良好的理化性能，在高温熔融状态下，不容易吸气、氧化，满足长时间保温需求。

　　压铸产品的发展趋势向集成化、大型化发展；随着产品特性的发展，性能个性化的需求，压铸铝合金向低合金化方向发展；高真空压铸成为解决新型压铸铝合金材料的工艺难题的重要手段。

　　作者

　　宋成猛 侯东锋 王健 祝娟娟

　　浙江极氪汽车研究开发有限公司

　　本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴