一体化压铸车身结构件解析：原材料篇

2020年9月，马斯克在特斯拉电池日发布会上介绍，特斯拉Model Y 将采用一体式压铸后地板总成。消息一出，犹如平地一声惊雷，引爆整个汽车圈。

随着2021年Model Y一体化压铸后地板的曝光，上至材料下至整车厂，整个产业链条迅速涉入一体化压铸结构件领域。

截止目前，国内外汽车厂在一体化压铸结构件领域开发及应用进展如下表：

众多企业纷纷布局该技术，一体化压铸技术本身对原材料、设计、工艺、设备等等方面的要求较常规压铸技术要高很多。各个环节如何满足一体化压铸技术的要求，是各相关技术工程师关注的课题。本文将对一体化压铸用原材料进行全方位的解读。

一体化压铸零件通常具有尺寸大、壁厚薄、结构复杂等特点，这就对铝合金材料性能提出了更高的要求。综合考虑使用性能、工艺特点和生产条件等因素，一体化压铸铝合金材料不仅在常规性能上比普通压铸高，而且还有其独特的要求。

1. 常规性能要求

（1）热塑性流变性能良好。在过热度不高及液、固相线温度附近应具有良好的热塑性流变性能，以实现复杂型腔的填充，形成良好的铸造表面，避免缩孔缺陷的产生。

（2）较小的线收缩率。以避免压铸过程产生裂纹和变形，使压铸件保持较高的尺寸精度。

（3）较小的凝固温度区间。以便于实现快速同时凝固，减少内部收缩孔洞等缺陷。

（4）较好的铸件/铸型界面性能。与压铸模具不发生化学反应、亲和力小，以减少粘模和相互合金化。

2. 独特性能要求

（1）材料应在铸态下具有高强韧性

对于传统铝合金而言，热处理是保障零部件机械性能的必备手段，但实际上，热处理过程易引起零部件表面缺陷和尺寸变形，这对于大型一体化零部件来说将不可避免地造成废品率的增加，承担巨大的成本风险。因此需要特殊的免热处理铝合金，在不需要进行热处理的条件下，保证材料成型后依然具有良好的机械性能。根据材料的强度进行零件的结构设计，并且材料强度越高、减重越明显。另外对于车身结构件来讲，还需兼顾碰撞、疲劳性能要求等，因此一体化压铸结构件要求材料在铸态下具有高的强度和塑性。

（2）材料应具备优异的铸造性能

铸造性能包括很多方面。对于一体化压铸结构件来说，材料的充型能力很关键。目前最远的流程可以达到2米7左右，如果充型能力不足，将导致欠铸等问题。

（3）高的连接包容性

因为大型的一体化压铸车身结构件，在零件的不同部位无法做到性能统一，所以在零件的不同部位可能会选择不同的连接方式，例如焊接、SPR、胶接等。不同的连接方式对于材料的性能要求也不一致，例如SPR就需要材料具有高的韧性，而焊接则要求材料不应存在气孔等要求。

（4）材料应具备更高的微量元素、杂质元素的容忍度

目前，一体化铸件的成品率在60%左右（各企业的数据不一致，此数据为大致的平均水平），这意味着大概有40%的件需要回炉重新使用，在这个过程中难免会引入一些杂质元素，另外有些元素还会存在烧损。另外，随着双碳目标的确定，未来希望再生料能够融入免热处理锭生产的过程中。因此，材料能够对元素及杂质拥有高的容忍度，才能确保经济性和铸件性能。

（5）材料需要长效的、高效的变质剂

因为免热处理材料的特性就是取消了热处理工序。目前常用的AlSi10MnMg材料通过热处理，来改善零件的力学性能。而免热处理材料没有了后续手段，只能通过铸造过程中形成的组织来实现力学性能。通过控制凝固过程中形成的组织来实现材料的强度和塑性。目前对于免热处理材料组织的控制，关键点在于共晶组织的控制；铝硅系着重控制共晶硅的形貌和尺寸，铝镁硅系合金，着重控制镁二硅的形貌和尺寸。目前依靠现有的La、Gd或者稀土元素作为变质剂进行组织调控。在实际生产过程中，工艺上需要熔体有很长的时间的保温，如果变质剂效力下降乃至失效，将对于生产的连续性存在极大的挑战。

免热处理自强化铝合金，其特点是零部件不需要经过高温固溶处理和人工时效，仅通过自然时效即可达到较高的强度和塑性。

目前开发应用免热处理高强韧铝合金的原材料厂家主要有美铝、德国莱茵菲尔德、特斯拉、蔚来、立中集团、华人运通与上海交大、湖北新金洋等。

免热处理高强韧铝合金采用的技术路线主要为铝硅及铝镁两大系列。

高强韧Al-Mg系免热处理压铸铝合金对化学成分控制严格，一般采用添加Mn代替Fe以利于脱模。压铸控制难度要比Al-Si系合金大，其主要用于一些有特殊外观和防腐要求的部件，对力学性能要求不高的压铸件。

高强韧Al-Si系免热处理压铸铝合金，从 Si 含量来看一般可以分为高硅含量和低硅含量两大类，相比于热处理用压铸合金其 Mg 含量明显降低，甚至要求不含Mg。除此之外，此类合金仍具备高强韧性压铸合金的共性特征，即低的Fe含量，高的Mn含量，添加Sr元素对共晶硅进行变质处理等。

高强韧Al-Si系免热处理合金典型代表材料为德国莱茵菲尔德的Castasil-37，该合金不添加具有时效强化作用的Mg元素，主要通过添加Mo、Zr等元素在压铸过程中形成含Mo、Zr等细小弥散相来提高合金的强度，其与压铸件的壁厚有较大的关系，壁厚越薄、冷却速度越快，晶粒尺寸越小，最终压铸件的合金强度越高。此合金特别适用于车身零件轻量化的薄壁化高强度高韧性需求。

华人运通与上海交大共同研制的TechCastTM为基于“现代工业的维生素”稀土元素的特性并加以增强、优化，打造的一款新型铝合金铸造材料。此外，公开资料显示的立中集团及湖北新金洋的材料合金体系不详。

目前实现量产的部分免热处理铝合金情况汇总如下：

由于免热处理高强韧压铸铝合金的前景可观，因此很多企业和高校纷纷开展了相关研究。为给行业提供更多信息，笔者在相关专利查询网站，按照“非热处理、铝合金”、“免热处理铝合金”等字段进行检索。将近三年该方向的检索的部分专利信息汇总至下表，需注意的是这些专利绝大部分处于审中阶段，如感兴趣，后续自行关注是否通过。

大型一体化车身结构件逐渐成为各大主机厂关注的热点。免热处理高强韧铝合金不仅能够满足大型车身一体化结构件所需的性能，而且在制造过程中省去了铸件热处理工序。省去一道工序能够节约能源，减少碳排放。随着“双碳目标”逐步被企业提上日程，免热处理强韧化压铸铝合金将会是汽车行业的新宠。

另外，随着轻量化设计需求和铝合金一体压铸结构件的集成化程度不断提升，新型压铸合金的开发将朝着提升强度和韧性，同时具有良好的流动性和铸造性能的方向发展。