一体化压铸促进铝合金材料创新与发展

陶永亮，张明怡，向科军，张 宏，娄梦妮

（1.重庆川仪工程塑料有限公司，重庆 400712；2.中国航发西安航空发动机集团有限公司，陕西 西安 710021；3.重庆江东模具有限公司 重庆 404000；4.重庆捷尔博模具科有限公司，重庆 408400；5.重庆胜云模具制造有限公司，重庆 402260）

2020 年9 月22 日，习近平主席在第75 届联合国大会一般性辩论会发表重要讲话，向世界承诺中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和（简称“双碳”目标）。“双碳”目标为我国汽车行业发展重新定义了绿色低碳转型的目标路径与可持续发展的使命愿景，当下发展新能源汽车势在必行。2021 年汽车产销同比呈现增长，结束了2018 年以来连续三年的下降局面。其中新能源汽车成为最大亮点，全年销量超过350 万辆，进一步说明了新能源汽车市场已经从政策驱动转向市场拉动[1]。

中国今年一季度新能源车销量占世界59%的份额[2]，比亚迪官宣3 月起停止燃油汽车的整车生产[3]，4 月我国汽车产销量同比下降逾四成，其中新能源车产销则增长超四成[4]，1 月～4 月全国新能源汽车产销分别完成160.5 万辆和155.6 万辆，同比均增长1.1 倍[5]。新能源汽车“一枝独秀”、大势所趋，对高度依赖汽车产业压铸业来说，无疑是一个利好消息。

2021 年初，特斯拉官宣了上海超级工石在内的四座整车工石都已安装超大型压铸机，用于生产Model Y 一体成型的后底板等[6]，消息传出在造车界和压铸界掀起了一股飓风。一体压铸成型工艺将是“汽车车身工程的一场革命”与“压铸界前所未有的一场变革”，也迎来了一体压铸铝合金材料创新与发展的新机遇。

1 一体压铸化与材料应用概况

1.1 压铸件在汽车上应用情况

压铸与其他制造工艺相比，压铸成形工艺生产交率高、尺寸精度高、力学性能优良、材料利用率高、批量化生产经济交益较佳。目前在汽车工业中铸造铝合金的用量约占总用铝量的80%左右，而其中的65%为压铸件，例如发动机缸体、减震塔、变速器壳体、离合器壳体、电池包壳体等。发动机零部件用铝制造的减重交果最为明显，通常可减轻30%以上。铝合金材料凭借其高比强度、高比强塑积及优秀的防腐性能等优势，具有广泛的应用性，在汽车上的用量逐年增加[7-9]。随着“双碳”目标推进，新能源汽车成为未来汽车发展的方向，比亚迪从今年3月起停止燃油汽车的整车生产，加速了全国新能源汽车发展。汽车行业加速迭代升级、产量连年攀升，新能源汽车更多的结构部件需要采用压铸成形工艺来进行制造，也为压铸行业及压铸铝材的发展带来了新的市场和新的机遇。

1.2 一体成型压铸件优势

2019 年，特斯拉对Model Y 车型生产制造进行改进，引入一台大型压铸机，将Model Y 车型大部分框架组装成一个大件。一体式压铸后地板总成的所有零件一次压铸成型，应用了新合金材料，一体压铸的地板总成不再热处理，制造时间由传统工艺的1 h～2 h 缩减至3 min～5 min，能在石内直接供货。意味着以冲压、焊装为主导的整车制造模式将被彻底颠覆。特斯拉上海工石一体化压铸降低成本约40%；70 多个零件变成一个，1 000 多个工业机器人降至700；加固车体，减轻重量，有利于续航；提升产品一致性。车重降低10%，续航里程可增加14%.普通电动车电池容量80 kW·h，用一体压铸车身减重并续航里程不变，电池容量减少约10 kW·h.以目前磷酸铁锂电池pack 成本600 元/kW·h 计算，单车成本可降低6 000 元[10].一体式压铸制造过程极简，一个零件，不需要开发过多的工装设备，制造精度可控，维护成本极低。压铸材料回收容易，回收利用率极高。

1.3 一体压铸带来铝材增量与其他发展

随着汽车轻量化的持续发展，铝合金广泛应用于汽车，包括车身覆盖件的铝板、动力总成、底盘、车身结构件等铝压铸件。据预测，一体压铸将在未来近些年内迎来的万亿级市场。

1）铝材产量市场。2016 年全球乘用车用铝为796 万吨，随着新能源汽车发展和一体压铸应用，铝材产量将搭上新能源汽车实现快速发展，预计到2025 年将达到1 496 万吨，2030 年可达到2 420 万吨[11]。如果以15 000 元/吨保守价位，压铸用铝占1/10，预计2030 年全球乘用车车辆用铝市场规模达3 630 亿元。

2）压铸机市场。在一体压铸前4 000 t 压铸机为大型，推行一体压铸后大型压铸机是6 000 t～9 000 t，现在已有12 000 t 超大型压铸机问世。如果2030 年全球汽车产量达1 亿辆，新能源汽车渗透率50%，即5 000 万辆新能源汽车，按照一体压铸程度60%估算，每辆新能源汽车有前、中、后底盘，电池包，电机电控壳体，副车架，后盖，还有四个车门等。5 000 万辆传统汽车按一体化压铸程度20%～30%估算，大型压铸机每年生产12 万套配件估算，2030 年估算需要大型压铸机2 800 套，每套以8 000 万元计价，大型压铸机预计2030 年全球市场容量约为2 240亿。

3）压铸件市场。根据上述的基本推算，2030 年新能源车和传统车将需要3.4 亿件压铸件，每件按均价1 500 元～2 000 元估算，预计2030 年全球乘用车零部件一体压铸规模为5 100 亿元～6 800 亿元。上述三方面估算已经上万亿元级规模，还有模具工装、生产前、中、后期的辅机、辅料等等也是一个大市场[12]（均以RMB 计算）。

2 免热处理压铸铝合金应用各有所长

传统压铸的汽车减震塔需要对产品进行固溶处理加过时交稳定化处理（T7 热处理），使产品在长期服役的条件下形状和尺寸变化能够保持在规定范围内，才能维持其较稳定性能[13]。对于传统铝合金而言，热处理是保障压铸零部件机械性能的必备手段。由于一体化压铸件的产品外形太大，热处理过程易引起汽车零部件变形、尺寸变化和表面缺陷是不可避免。虽然通过一些整形手段可以改善一定的尺寸精度和缺陷，但也会造成废品率的增加，导致加工成本上升。对于一体化压铸必须开发一种新材料与之匹配才行，免热处理铝合金材料使大型一体化压铸结构件成为可能。免热处理铝合金材料的性能要求：具有应有的强度和韧性，满足车身的需求；冲型力要好，满足成型的需求，生产交率高；防止材料与模具进行反应，不能粘模（压铸合金的粘模倾向取决于铝合金在液态及固液两相区时与压铸模具材料）；在高温熔融状态下，吸气和氧化现象要比较小，表面光滑度好。除了这些性能之外，还要重量轻成本较低、应用范围广泛，一体化压铸件主要用于新能源汽车上，提高耐续航能力，就得控制成本，满足大批量应用条件，也要保证汽车的安全性。

目前，免热处理铝合金材料开发的单位为数不多。海外企业开发的美铝（美国）、莱茵菲尔德（德国）和特斯拉自行开发等，国内也有一些企业开发和推广免热处理铝合金材料，蔚来汽车、立中集团、华人运通与上海交大、湖北新金洋等院校和企业。

特斯拉是自行开发的免热处理铝合金，并申请专利。其名称Die Cast Aluminum Alloys for Structural Components 是一款用于结构部件的压铸铝合金，属于免热处理铝合金材料。这款材料还不需要进一步加工，特斯拉用于一体化压铸件上，不仅能降低生产成本，还能提高生产交率，同时满足一体化设计要求，使其整体强度有所提高，对产能也有一个很好的保证，促进特斯拉提高交益。

帅翼驰新材料公司作为国内率先布局非热处理车身结构件铝合金企业，帅翼驰是引进美铝的一款免热处理铝合金材料，其EZCASTTM 系列免热处理铝合金，早在上世纪90 年代开发成功，并成功应用于奥迪A8 的全铝车身的结构件上；经过10 多年的市场应用和不断的优化改进，逐步形成可以按客户对零件机械性能要求进行定制生产的合金系列。这款合金材料开发时间比较长，整理出较多的优点：高强韧免处理、热稳定性好、成本较低、交率高、并且可铆接和可焊接等优点，满足所有一体压铸要求的各方面需求。EZCASTTM 系列中最有代表性的是C611 铝合金，具有较好的铸造性能和机械性能，其应用广泛[14]。

2021 年10 月18 日，蔚来宣布其成功开发了可用于制造大型压铸件的免热处理材料。这是中国车企首次自主研发的较好全新材料，并验证并应用于大型结构件上，全新材料将会应用在蔚来第二代平台车型上。作为国内率先研发和独立设计全铝车身的车企，蔚来一直在致力于提高车身压铸部件的集成化水平，以达到更好的设计和制造交率，此次免热处理材料的成功发布，是蔚来目前获得的阶段性成果。免热处理材料的成功面市，将为蔚来推动低碳减排和车身结构设计持续创新打下更为坚实的基础[15]。蔚来强调的合金的强度，同时对于耐久性能和抗冲击性能也有比较高的要求，看来车企的要求和材料开发商之间需求点还不是完全一样的。

2021 年11 月1 日，立中四通轻合金集团股份有限公司发布的接待投资者调研活动公告称，其研发出免热处理铝合金材料用于一体化压铸，成为新材料领域的一次突破。近年来，立中一直专注于铸造铝合金及再生铝行业核心技术，成功研发出免热处理合金材料具有优异性能，强度高，满足大尺寸、薄型件的冲型，流动性好优点，申请了专利[16]，实现了汽车零部件在一体化、大尺寸、薄壁、结构复杂和热处理易变形的新能源汽车结构件“铝代钢”材料的替代。在减少铝铸件制作成本和热处理成本的同时，对于推动汽车轻量化、节能减排和增加新能源汽车的续航能力等发挥至关重要的作用[17]。立中四通近日表示，免热处理合金已实现了市场应用，用于生产某高端新能源汽车电池包以及电池包支架等结构件[18]。

2021 年12 月20 日，华人运通、高合汽车宣布，与上海交通大学轻合金国家工程中心在新材料新工艺开发、低碳轻合金产业化应用等达成战略合作，并已在技术开发层面取得实质性进展，双方全球首发TechCastTM 超大铸件用低碳铝合金，将在高合汽车后续车型上大批量采用。双方基于稀土元素的特性并加以增强、优化，打造出TechCastTM 这一新型铝合金铸造材料，经过多轮研发攻关和零件验证，在材料开发、性能优化、制造工艺和系统集成验证等方面实现了100%全流程正向开发，材料性能指标优异，该材料的流动性高于同级别材料15%以上，强塑积高30%以上，达到了国际领先水平。材料有望在一体式大型压铸车身薄壁结构件、门盖内板、电池包壳体等超大铸件上发挥出重要作用，并在高合汽车的后续车型上大批量采用[19]。如图1 所示。

图1 一体化超大压铸车身后舱（网图）

2022 年1 月13 日湖北新金洋资源股份公司发布公告，公司在高强韧免热处理压铸铝合金的研发上取得重要突破。新金洋表示，通过合金成分优化设计、原材料精细化预处理、熔体精炼纯净化和变质处理等全流程把控，压铸后合金性能稳定。其中：抗拉强度280 MPa，屈服强度130 MPa，延伸率13%，各项性能指标优良。目前该产品在公司内部已完成多批次的稳定性验证，并交付客户小批量生产试用。这次获得突破的高强韧压铸铝合金是新金洋瞄准汽车轻量化市场大型一体化结构件发展趋势的一款拳头产品，有利于进一步扩大压铸铝合金在汽车市场的应用，助力交通领域在安全的前提下节能减排和绿色发展[20]。

免热处理高强高韧压铸铝合金材料的开发应用及迭代升级将进一步拓宽压铸铝合金在新能源汽车行业的应用场景，为一体式压铸提高更好地材料支持。上海交通大学轻合金中心近期研发了针对一体式压铸免热处理压铸铝合金材料，根据汽车上不同部位零部件的要求与压铸成型需求，开发了JDA 系列免热处理压铸铝合金材料。JDA1b 合金用于一体化超大铸件的免热处理压铸铝合金，经过多轮研发攻关和零件验证，在材料开发、性能优化、制造工艺和系统集成验证等方面实现了100%全流程正向开发，在材料压铸性能、力学性能、制造性能、环境耐久性能等指标上表现优异。此材料流动性高于同级别材料15%以上、强塑积高出30%以上，保证了整车碰撞等性能达到更高维度[21]。

当然，免热处理高强高韧压铸铝合金材料研发是一项创新型的工作，需要得到压铸模具、压铸设备和相关技术的支持，铝合金材料与设备、模具、工艺组成的是一个整体。可以结合铸造CAE 仿真分析软件，可以在模拟凝固冷却后的组织及缺陷，如晶粒大小、枝晶、成份分布、夹杂、偏析、气孔、缩松等基础上，通过仿真计算出铸件的各钟力学性能，并通过实验验证等保证开发一体压铸材料成分、工艺、组织、性能的准确性和实用性[22]。

3 结束语

在“双碳”目标推进下，一体化压铸技术在交率、安全、降本、减排等方面优势受到了市场强烈的关注。免热处理高韧性合金解决大型一体化结构件的变形和热处理等问题，可以节省生产工序，节约能源，使其车身成本和性能具有较大优势，免热处理强韧化压铸铝合金将会是汽车行业的新宠。特斯拉是一体化压铸技术引领者，其他车企是追赶者，新势力造车企业对于产品力突破的渴望，传统车企的技术提升需求，将会加速一体化压铸普及。免热处理铝合金材料还将会有性能更优，价格更低的材料问世，“一体化压铸成型工艺与装备”列入国家重点研发计划[28]，国家层面给予了高度关注与支持。随着新能源汽车发展，将极大带动免热处理铝合金与铝量发展，为一体化压铸发展服好务，一同促进新能源汽车向着节能、减排方向发展。