|CHINA FOUNDRY 20周年特刊| 编辑荐读：通用汽车全球技术中心王其桂研究员团队——超大型铝铸件：机遇与挑战

为了实现汽车轻量化和降低汽车制造成本，超大型铝制铸件在汽车上的应用越来越广泛，尤其是在电动汽车上。由于超大型铝制铸件大多是结构部件，需要同时承受准静态、动态和循环载荷，因此铸件质量和可量化性能对其产品设计和制造至关重要。本文简要介绍了超大型铝制铸件在汽车工业中的一些应用实例，概述了其优点和效益。由于铝型铸件铸造工艺非常复杂，往往涉及许多反应机理、多物理场现象和潜在的巨大不确定性，这些都会显著影响铸件质量和性能。本文介绍了超大型铝异型铸件的金相分析和力学性能评估，强调了如何进行超大型铝铸件有效设计，以及制造所面临的挑战，并提出相应方案。

(1) 超大铝型铸件的应用

在过去的几年里，超大型铝合金铸件的应用趋势在全球汽车制造商中开始蔓延。原始设备制造商在关键结构中引入了超大型铝铸件，将许多不同的零件集成到一个铸件中，大大提高了车辆结构部件的设计灵活性。例如，特斯拉在Model Y车型中使用了前后一体化压铸铝合金铸件，如图1所示。与Model 3相比，这两种铸件替换了171个零件(主要是板料冲压件和一些较小的铸件)，消除了1,600个焊缝，并从装配线上取消了300个机器人，大大减少了所需的资本投资和占地面积。前部和后部一体化压铸铸件都是在大型高压压铸(HPDC)机上制造的，称为千兆级压力机，可实现6,000吨锁紧力。

通用汽车为凯迪拉克Celestiq车型使用了6个巨型铝铸件形成整个下体结构。每个大型铸件都替换了30多个单独的零件。大型铸件采用300系列合金的低硅变体和低压砂型铸造(LPSC)工艺制造，如图2所示。沃尔沃希望开发出几款车型，可以在白车身(BIW)部件上使用同样的一体化铸造。铸件将集成甚至安装点的组件，如悬挂臂和电动机。众所周知，梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)、大众(Volkswagen)、福特(Ford)、现代(Hyundai)以及中国电动汽车初创企业蔚来汽车(Nio)和小鹏汽车(Xpeng)都在追随这一趋势。许多其他原始设备制造商正在研究一体化压铸，或者已经在秘密地研究这一技术。

(2) 在汽车上使用超大型铝异型铸件的好处

① 减少零件数量(60+)

取代了60个或更多的独立部件，这些部件以前必须进行单独冲压、挤压、铸造，分组组装成所需的车身系统。

② 节省模具成本(40%)

a.节省约40%的模具投资。b. 与传统的铸造操作相比，它可以为客户节省约40%的成本，因为它可以取代一系列组装工具和长达650英寸的机器人焊缝，这些焊缝以往是将完整的前后平台的各个部件组装在一起的关键步骤。

③ 节能(30%)

a.可以减少约30%的能源消耗。b. 业内人士认为，这项技术将帮助企业淘汰多达300个机器人，这也有助于汽车制造商降低能耗。

④ 减轻重量(30%)

这项技术比全钢制造的方案轻30%，比包含几个铝部件的制造方案轻10%左右。

⑤节省时间成本

生产时间大大缩短，在生产同一个零件时，制造单个整体铸件比将60个零件焊接在一起生产要快得多。

⑥ 应用范围更加广泛

a. 千兆级压铸机可以用于生产纯电汽车的大型电池盒。进一步可以将电池盒直接铸在中央平台，使其成为车辆的一个结构部分。b. 一台千兆级的压铸机也可以直接为一辆小型电动汽车铸造一个完整的平台。

(3) 技术挑战

① 超大型铝合金铸件质量

由于超大型铸件的尺寸大(1 m×1.5 m×0.5 m)，且制造模具体积大，因此制造优质超大铝型铸件的工艺极为困难。例如，在高压直流铸造中，为获得良好的铸件，典型的锁紧力要保持在80 MPa左右。对于投影面积为1.5 m²的一体化压铸铸件(包括浇注系统)，则需要12,000吨压铸机才能产生80 MPa的锁紧压力。这种巨型铸件的模具也非常巨大(可达100吨)，需要使用起重机等大型设备进行搬运。巨大的尺寸也使模具设计更加困难，特别是热量管理。此外，压铸模具非常昂贵，特别是对于超大型铸件，它们的使用寿命短，因为模具直接接触铝液，熔化温度高于600 °C。除非解决模具寿命问题，否则这使得超大型铸件并不适合大批量的车辆生产。大型砂型成型机或3D打印机将需要用在制造一体化铸件。尽管砂型铸造工艺比高压铸造工艺更灵活，但也存在一些局限性，比如生产率较低，最小壁厚较大，尺寸精度和公差较小，冷却速度慢，形成气孔的可能性较大等。

普遍认为，由于充满夹持空气和表面氧化物的极湍流的模具填充，制造高质量的HPDC部件非常具有挑战性。与常规HPDC结构件相比，一体化压铸铸件要大很多倍，具有非常复杂的几何设计，如大型集成凸台、深肋等。由于壁厚的变化和填充一体化铸模的整个型腔所需的超长金属流长度，易于收缩和冷隔的热点显著增加。这尤其使填充过程的结束更容易受到铸造缺陷的影响，如气孔和氧化物的形成。图3显示了一体化铸件局部宏观缩孔率。此外，对于每次注射，将近100 kg的液态金属倒入注射套将花费更长的时间，这大大增加了形成外部凝固晶体(ESC)和冷片的可能性。当尺寸增加到一体化成型铸件时，许多其他工艺方面(例如真空、模具润滑、模具热量管理、零件顶出等)也变得更加复杂。因此，将整个前/后底盘或电池托盘作为一个巨大的高质量铸件是极具挑战性的。除非使用合适的合金和正确的制造工艺，否则铸件废品率可能很高。

此外，一体化超大铝异型铸件的巨大尺寸也使得铸件材料性能在一个零件内不均匀。如图4所示，可以看出，在一体化铸件中，拉伸性能在不同位置有显著差异。极限抗拉强度(UTS)在175-280 MPa之间变化，伸长率(E)在1% - 8%之间变化。性能变化大，强度和伸长率低是由于铸件质量差，特别是由于存在较大的铸造缺陷，如气孔和氧化物等。

另外，超大型铸件在整个零件中具有不同的壁厚，在HPDC工艺和随后的冷却和淬火阶段，每种壁厚在模具内的冷却方式都不同。这可能导致大量的残余应力和变形，往往难以处理。此外，单件超大型铸件的热膨胀可能非常大，装配过程中温度的微小变化会导致较大的尺寸变化和装配难度。并且超大型铸件不使用标准点焊程序与其他部件连接，而是使用其他方法，这些方法也可能导致意外或未知的几何变化。因此，需要付出更多的努力来获取有关零件的所有信息并了解其偏差。否则，很难生产出尺寸公差合适的超大铸件。即使使用不需要热处理或只需要少量人工时效(例如不淬火)的合金，通常也需要复杂的矫直才能达到正确的公差。

② 可持续性

可持续性在汽车行业引起了相当大的关注。采用更多的铝制部件来减轻车辆的重量，有助于减少其运行周期内的二氧化碳排放。然而，由于超大铝型铸件制造增加，这种方法也会显著增加GHG(温室气体)，如图5所示。

回收是解决铝悖论的办法。使用再生铝代替原铝，至少可以减少90%的CO₂排放。目前，铝车身的回收利用率普遍较高，结构铝压铸件现在可以制成高回收性铝铸件，由单一合金制成(因此易于回收)。例如，沃尔沃表示，其大型铸造项目正在帮助公司实现到2040年实现碳中和的可持续发展目标。

③ 可修复性和服务性

用超大型铸件组装的车辆几乎不可能进行小的维修。这是因为超大型铸件已经取代了数十个和数百个小零件，并且它们还与其他部件连接起来形成整个车身结构。任何细小损伤都会导致整个一体化铸件更换。执行这样的服务和维修将非常昂贵和耗时。

克服这一挑战的方法是对超大型铸件进行设计修复。例如，通用汽车工程师提出了具有易于修复特征的超大型单件铸件的设计，包括至少一个预定义的可更换部分，以及一个切割导轨，将预定义的可更换部分与主体部分划分开来。损坏的可更换部分可通过沿切割导向切割单件铸件从主体部分切除。切除的损坏的可更换部分可以用替换部件替换，其具有与未损坏的可更换部分基本相同的几何形状、尺寸和力学性能。替换部件可以通过机械方法(例如螺栓)或焊接连接到主体部分。

(2) 影响超大型铝铸件质量的因素

 ① 合金元素

流动性是铸造铝合金的一项重要浇注性能，它直接影响铸件的流动性和稳定性。如果合金的流动性优异，即合金具有良好的充型能力，则易于获得尺寸准确、形状完整、轮廓清晰的铸件。

在铝硅基铸造铝合金中，硅是影响流动性和收缩率的重要元素。目前在HPDC一体化压铸铸件中使用含有约7% Si的铸造铝合金(例如C611, Aural 5等)。对于超大型结构件的砂型铸造，需要使用更低的Si含量(约5% Si)来提高塑性。除Si外，少量Mg用于通过自然时效和可能的T5人工时效（例如通过油漆烘烤工艺）来加强。Mn的加入主要是为了尽量减少模具焊接，同时中和铁的不利作用。同样地，加入Sr用于变质Si，同时提高脱模。对于特斯拉使用的AA386合金，少量的Cu(约0.8%)对铸造性能和铸件的耐腐蚀性有显著的不利影响。Cu的加入产生了低熔点含Cu相，增加了合金的凝固温度区间和缩孔的倾向，如图6所示。

图6 目前用于超大型铝铸件合金的固体摩擦和凝固顺序计算

同样，Al-Si基合金中Cu的添加量也会导致较高的裂纹敏感性系数(CSC)，从而降低热撕裂阻力，如图7所示。

此外，Cu在铝合金中的存在大大降低了材料的耐腐蚀性。如图8所示，Cu对合金耐腐蚀性的不利影响远大于Mg、Fe、Sr等其他合金元素，因此不建议在车身结构用铸造铝合金中添加Cu。

② 熔体洁净度控制

液态铝的洁净度对于生产高质量铸件至关重要，因为最终铸件中的大多数缺陷通常与来自液态金属的夹杂物和气体有关。液态金属在进入型腔之前应尽可能洁净到最高水平。液态金属的高质量意味着氧化物、夹杂物和溶解气体在凝固过程中不会造成铸造缺陷。

为了确保液态金属的最高质量，要保证炉料的洁净度，当使用大量回收废料时，应特别注意避免液态金属污染，因为所有回收废料表面都充满氧化物，可能含有水分和其他污染物。GM公司报道了一项减少废液和返料对液态金属污染的技术。该方法包括预热废料以除去水分和污染物。然后在所有的自由表面涂上一层熔剂。随后，将废料在炉中熔化，形成适合铸造的铝液熔体。渣层从废料表面去除自然产生的氧化膜，并提供覆盖渣层以保护熔体不被氧化。这项技术主要通过降低铝/盐或氧化物/盐的界面张力或提高铝/氧化物的界面张力，使系统的自由能降低，从而使得铝液滴从氧化膜上脱落。

③ 浇注系统设计

浇注系统的设计对铸件非常关键，因为它会影响到后续的设计程序，影响铸件的整体质量。无论铸件的形状如何，铸件质量总是由浇注系统决定的。浇注系统的优化设计可以显著减少熔融金属的湍流，最大限度地减少熔融金属中气泡和杂质的数量。然而，对于HPDC，模具填充需要在100-200 ms内完成，以便能够填充薄壁而不会导致冷隔或运行错误缺陷。内浇道的最小熔体速度通常控制在40 m·s^-1左右，这是临界速度的80倍。因此，正确设计高压直流浇注系统，特别是内浇道的位置和尺寸至关重要，以避免熔体前沿汇聚，并尽可能保持熔体流动平稳。图9展示了一个大型高压直流结构铸件的两种浇注系统设计实例。

如图10所示，在模具填充过程中，设计1和2之间直浇道和内浇道的变化可能导致不同数量的卷气。在计算流体动力学的基础上，通过对铸模充型过程的模拟来计算卷气。设计2似乎通过使用宽而薄的直浇道和连接的内浇道来减少充型阶段的卷气。

④ 模具表面处理

模具表面状况不仅决定了表面光洁度的质量，而且还决定了铸件表皮层的质量，由于疲劳裂纹通常从铸件表面形成，因此表皮层的质量会显著影响铸件的耐久性能。例如，如果应用在模具表面的涂层材料质量较差，则铸件的表面光洁度将不平滑。此外，如果涂覆过多涂层，可能会导致过度堆积，从而影响尺寸精度。由于在充模过程中熔体前沿形成并夹带新氧化物，具有相对较大平面的铸件可能会出现过多的表面外观和质量问题。在最终产品中，次表层或次表层附近的氧化物会显著降低力学性能，尤其是疲劳性能，此外还会导致表面外观不良。金属模具表面可采用化学蚀刻法或替代表面处理方法，使金属模具表面形成粗糙图案或纹理，从而在充型过程中剥离金属正面的氧化膜，解决表面外观和质量问题。图11显示了通过适当的模具表面处理消除的铸造表面缺陷示例。