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来源
《特种铸造及有色合金》2024年第08期
专题简介
2024年第44卷第8期《特种铸造及有色合金》期刊发表了一体化压铸专题，广东鸿图万里教授级高工为学术主编，吉林大学查敏教授为特邀专家。本专题聚焦新能源汽车大型一体化压铸技术，基于压铸企业在该技术领域的多年实践经验，探讨一体化压铸所涉及的集成化设计、免热处理铝合金、压铸装备、压铸模具、压铸工艺、机加工技术、装配技术、检测技术等重点技术环节。针对近年来一体化压铸铝合金和镁合金及大型一体化结构部件高压铸造成形技术进行归纳总结，为一体化压铸大型复杂车身结构件研发提供参考。
一体化压铸技术通过整合车身多个零件为一个整体，大幅缩短铸件制造周期、降低成本、减轻质量、优化车身结构、提高生产效率，已成为新能源汽车制造领域的发展趋势。目前主流的方案是将车身分为一体化压铸前舱、电池托盘和一体化压铸后地板等3部分，其中前舱部分的材料要在保证强度的前提下有更高的韧性，以满足碰撞过程的吸能要求。然而传统的压铸铝合金材料直接用于一体化压铸车身结构件，会在热处理过程中因铸件的复杂结构和大尺寸而产生变形和开裂。因此，开发一种免热处理的高强韧铝合金，对于推动新能源汽车一体化压铸技术的发展具有积极意义。免热处理材料在铸态下具有良好的铸造性能和优异的力学性能，能同时兼顾强度和韧性，满足前舱的耐碰撞性能要求以及与车身其他部分连接的加工性能要求。实现铝合金材料中合金元素的合理配比，以获得理想的力学性能、铸造性能和加工性能，是免热处理高强韧铝合金材料开发的关键。
目前已应用的免热处理铝合金可分为Al-Si系和Al-Mg系，其中Al-Si系铝合金具有良好的力学性能以及优良的流动性和较小的收缩率，更适配大型一体化压铸结构件的复杂曲面构型与大尺寸充填，是目前在大型复杂结构件上主要应用的免热处理合金材料。
针对新能源汽车一体化压铸前舱的需求，开发一种新型的AlSi8系免热处理高强韧铝合金。通过优化合金元素的配比，包括添加适量的Mg、Mn、V、Zr等元素，以期改善材料的流动性，显著提升铸态合金的力学性能，有效改善铸件品质，在降低成本和提高性能方面体现较大的优势。
图文结果
纯铝的强度较低而塑性较高，在实际应用中需要添加各类合金元素，通过固溶强化、细晶强化、微合金化设计等机制增强增韧，从而满足使用需求。添加Si可以提高铝液流动性、减少粘模，提升力学性能等，在铸态组织中主要是以针片状的共晶Si相和条状的初生Si相存在。当Si含量过高时，初生Si相开始析出，流动性和塑性降低，对铸造缺陷的敏感性也更高，因此在免热处理铝合金中需要控制Si含量。Al-Si合金中加入少量Mg元素可以与Si形成Mg2Si相，提高强度和硬度，尤其在室温下的强化效果更好，但Mg的增加会增大热裂性并降低伸长率，因此含量不宜超过0.5%。Fe的添加虽然能降低Al-Si系合金的粘模性，但形成的针状AlFeSi相会割裂基体，严重影响力学性能并增大热裂性。Mn能与Fe反应形成AlFeMnSi相，改善富Fe相形态，减小针状AlFeSi相的有害作用，不仅能提高Al-Si系合金的强度，还能形成弥散分布的Al6Mn相提高塑性。Cu与Al能形成CuAl2相，以固溶强化或颗粒状化合物的形式提高Al-Si系合金的强度。V、Zr、Ti、B、Sr等微量元素的添加可以通过细晶强化明显改善Al-Si系合金的力学性能。Al-Ti-B中间合金是广泛应用的铝合金细化剂，形成的Al3Ti相和TiB2相都可以作为形核质点促进晶粒细化；Sr可以抑制板状Si的生长，细化共晶组织，改善组织形态，增强塑性，还能对B的细化效果起到一定促进作用；Zr形成颗粒稳定、共格良好的Al3Zr相，提高强度同时改善塑性。但Ti含量不宜超过0.2%，V不宜超过0.15%，Zr不宜超过0.1%，否则会产生偏析而降低流动性，并形成粗大的初生相，降低合金的力学性能。
图1 不同V、Zr添加量的Al-Si合金抗拉强度
计算结果
表1 不同V、Zr添加量的Al-Si合金力学性能
试验结果
表2 AlSi8合金成分表(%)
采用3 500 kN压铸机配合双通道模温机、900 L真空机、600 kg节能燃气电阻式坩埚熔化炉，压铸一批尺寸为210 mm×200 mm×3 mm的试片，浇注温度为680~700 ℃，模具温度为200 ℃，压铸速度分为冲头3.5 m/s和内浇口50 m/s，真空度为4 kPa，增压压力为65~70 MPa，空冷。平板拉伸试样尺寸总长为85 mm，厚度为3 mm，见图2，试样表面光滑无铸点，两侧平整无毛刺，使用万能拉伸机测试力学性能，拉伸速率为2 mm/min。分别取添加微量元素V、Zr与未添加V、Zr的铸态平板试样，切割后依次用400目、800目、1 200目的砂纸打磨，分别使用金刚石悬浮液和SiO2抛光液进行粗抛光和精抛光，使用体积分数为0.5%的HF溶液腐蚀后，在MDS400金相显微镜下观察试样组织。采用带引伸计和防屈曲装置的疲劳试验机进行铝合金材料的疲劳耐久试验，获取AlSi8合金的应变疲劳曲线，测试方法参照GB/T 26077-2010及GB/T 15248-2008。
图2 平板拉伸试样尺寸示意图
图3 平板铸态试样拉伸试验结果
图4 平板烘烤态试样拉伸试验结果
(a)未添加微量元素V、Zr
(b)添加微量元素V、Zr
图5 拉伸试样金相组织
通过断裂拉伸试验和疲劳耐久试验开发了材料仿真卡片，为模拟仿真计算提供依据。通过准静态拉伸和高速拉伸（应变率为0.1、1、100、200、500 s-1），研究材料基于不同应力状态的力学特性，确定材料的应力-应变曲线。通过试验获得的材料力学性能数据，使用线弹塑性本构模型，进行非线性动态显示有限元仿真分析，验证试验获取的材料性能数据以及材料卡片的准确性。图6为不同应变率下材料的工程应力-应变曲线。由工程应力-应变曲线转化真实应力-塑性应变曲线后，剔除颈缩点之后的数据，采用Swift-Hockett-Sherby模型拟合外推获取的各应变率下真实应力-塑性应变曲线，见图7。
图6 不同应变率下合金的工程应力-应变曲线
图7 基于Swift-Hockett-Sherby模型拟合的
真应力-真应变曲线
图8 材料曲线和模拟断裂标定结果
表3 疲劳试验数据统计
图9 AlSi8合金应变疲劳E-N曲线
新能源汽车的大型一体化压铸前舱由于尺寸大、结构复杂，在铸造成形过程中难以做到完全均匀，不同区域的力学性能表现也会有差别，对于靠近内浇口的近端等区域，力学性能会更好，而从中端到远端，力学性能会逐渐下降。因此，以某新能源汽车品牌的某款大型一体化压铸前舱铸件为例，其尺寸轮廓为1600 mm×900 mm×720 mm，按力学性能的要求不同可分为3个区域，见图10，其力学性能要求见表4。
图10 某大型一体化压铸前舱结构图
表4 某大型一体化压铸前舱力学性能要求
采用AlSi8合金材料试制某款新能源汽车大型一体化前舱铸件，在铸件进浇前端、中间两侧塔边和末端横梁等本体位置各取样进行拉伸性能测试，取样位置各自对应区域1、区域2和区域3，每个区域取样数为5个。测试结果的平均值和误差范围见图11，其中区域1的平均抗拉强度为264.50 MPa，屈服强度为136.38 MPa，伸长率为9.95%；区域2的平均抗拉强度为254.55 MPa，屈服强度为123.92 MPa，伸长率为10.60%；区域3的平均抗拉强度为241.45 MPa，屈服强度为120.94 MPa，伸长率为6.83%，所有区域的强度和韧性均满足性能要求，说明AlSi8合金材料铸态下即可在一体化压铸前舱产品上实现高强高韧。
采用VDA238-100标准对取样进行折弯角测试，结果见表5，均达到大于20°的性能要求，进一步验证了该材料的塑性。最后，对大型一体化前舱铸件进行SPR铆接连接试验验证，结果见图12，所有铆点外观合格，互锁值合格，未出现裂纹，可以满足与其他车身结构件连接的需求。
图11 前舱铸件不同区域取样力学性能
表5 前舱铸件不同区域取样折弯角测试结果
图12 前舱铸件SPR铆接验证
围绕新能源汽车一体化压铸免热处理高强韧铝合金材料的开发进行了深入研究。通过成分设计、产品试制及力学性能表征等方面的探索，成功开发出了一种具有优异性能的新型AlSi8系铝合金材料。该材料解决了传统压铸铝合金材料的难点，满足了大型车身结构件一体化压铸的需求，兼具高抗拉强度与高伸长率，可用于新能源汽车的车身前舱等关键部件的制造，实现车身结构轻量化。
本文作者：
周泓江1 黄华1,2 朱宇1 邓杏坚1
钟宇毅2 梁毅烽2 林韵1
闫锋1 林宇飞1 万里1,2
1. 广东鸿图科技股份有限公司；2. 广东鸿图汽车零部件有限公司
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编辑/排版：柳力莎
校对：刘晨辉
审核：张正贺
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