汽车轻量化与半固态压铸成形技术应用「冲压新工艺新技术新材料」

内容摘要

轻量化技术是汽车工业发展的关键技术之一，对汽车实现节能环保、性能提升及成本控制都具有非常重要的意义。推动轻量化技术的应用,可从材料、结构设计和制造工艺等多方面入手,本文主要从一种具有短流程、近净形成形,且成形产品的组织性能优良、模具寿命较长的半固态压铸成形技术入手，开展汽车轻量化技术的研究及应用工作。

关键词：汽车工业；轻量化；半固态；压铸

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前言

依据工信部联装[2017]53号《汽车产业中长期发展规划》、《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，加大节能环保技术的研发和推广，依然是汽车工业发展的一大主题[1][2]，基于国家节能和减排战略，必须大力推进汽车轻量化技术的研究与应用。随着汽车行业及制造业向着轻量化、高性能、高安全性、节能、环保、低成本的方向发展，新材料和新的成形技术不断涌现。熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、特种砂型铸造、电磁铸造、挤压铸造等成形技术可以生产出近终形状产品，满足低成本的要求。

但铸造疏松、气泡等铸造缺陷在一定程度上限制了产品的应用，难以满足汽车行业对高端零部件的要求。本文通过对具有缺陷少、性能优、利于薄壁成型、导热率高等特点的半固态压铸成形技术研究，开展汽车轻量化技术的研究及应用工作。

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汽车轻量化发展目标

某车型试验数据研究表明，整车整体质量降重10%，油耗降低6%~8%，尾气排放减少7%，加速性能提升0.5s(0km/h-100km/h),发生正面碰撞时，碰撞时动能减少10%，刹车距离减少5%，有效负载增加130kg，驱动轴负荷降低，轴疲劳寿命提升。

可见，汽车轻量化对整车的环境友好性、动力经济性、安全性等都有较大益处[3]。根据工信部发布未来节能与新能源车轻量化技术发展目标，见表1。

表1 未来节能与新能源车轻量化技术发展目标[4]

轻量化工作分阶段稳步展开，车辆整备质量相较于2015年状态，2020年降重10%，2025年降重20%，2030年降重35%。由表1可见，铝合金，镁合金单车用量逐步大幅增加，尤其是铝合金，到2030年，单车用铝量将达到350kg。要达到未来节能与新能源车轻量化技术发展目标，除了通过采用铝合金等轻质材料实现对单车降重的方法，采用新的铝合金制造工艺，优化结构设计对实现汽车轻量化目标同样重要。

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半固态压铸成形技术

3.1 半固态压铸技术

不同成形工艺，各有特点，表2对不同成形方法制备产品优缺点进行了简单对比。

表2 不同成形方法制备产品优缺点对比[5]

表2中主要从不同成形方法的模具与生产效率、产品性能及外形尺寸及成本四个维度评价，并将各个维度的评价因素得分进行简单叠加得到，未进行加权处理，实际应用中需根据具体使用情况，根据问题分析加权重系数后进行综合评定。

通过表中不同成形方法制备产品优缺点对比分析，半固态压铸成形技术具有一定的优势，半固态压铸成形的原理是在金属材料凝固过程中，采取工艺手段，使最初结晶成近球状的颗粒，得到液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固-液混合浆料，此时金属具有优良的流变性。易于用常规加工技术如压铸、挤压、模锻等实现成形[6]。

半固态成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能要求较高的零件。半固态成形工艺主要包括触变成形和流变成形[7]。如果将流变浆料凝固成锭，按需要将该金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区(金属锭称为半固态金属坯料)，利用金属的半固态坯料进行成形加工的方法为触变成

形。在金属凝固过程中，控制金属的形核和其长大过程，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形[7~9]。

3.2 半固态压铸技术研究及应用现状

国际上，半固态金属成形技术已被美国、德国、意大利、法国、德国、瑞士、英国、日本等工业发达国家广泛关注，投入了大量的人力及物力对该技术进行研究，一些技术已进入工业化应用阶段。

美国的Alumax公司和Thixomal公司、意大利的Stampal (SPA)公司和Magneti Marelli（MM）公司、法国的Aluminum Pechiney公司、德国的EFU Gmbh公司、瑞士的Bubler公司、英国Sheffield大学和Brunel大学、日本的Speed Star Wheel公司和Honda Engineering公司[10]等都拥有自己的核心技术和相关专利，部分公司能自行生产半固态产业所需的专业设备，且很大一部分技术已于21世纪初进入工业化应用阶段，实现半固态铝合金成形零件及设备的产业化，这些规模生产的半固态成形件主要被应用于汽车、计算机及辅助设备、通讯电器、航空航天等领域。

国内从20世纪80年代后期开始，先后有不少科研机构和高校研究所对半固态成形技术进行理论基础和技术开发研究，如哈工大、北京科技大、东北大学、南昌大学、华中科技、华南理工、华东理工、上海大学、清华大学等。如北京科技大毛为民提出了低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形工艺、东北大学管仁国等人提出波浪倾斜板浇注式流变成形工艺、清华大学唐靖林等人提出了溶体处理和双向电磁搅拌制备及流变成形工艺等。

北京有色金属研究总院是国内最早研究半固态成形技术的单位之一[11]，承担了多项国家科研项目，自行设计了一条适用于半固态材料制备的试验线和半固态高端复杂零部件生产示范线，该院通过与东风汽车公司合作，实现了汽车空压机连杆和空调器涡轮两种汽车零件的批量生产；重庆大学与中国嘉陵集团联合研制成JH70型摩托车发电机镁合金半固态支架；南昌大学利用流变压铸技术实现了传统压铸铝合金如ADC10的压铸工艺[10]；珠海市润星泰电气有限公司半固态壳体在4G、5G基站壳体进行产业化应用；深圳是银宝山新科技股份有限公司半固态产品在汽车骨架接头、电池支架等已进入批产状态。

可见，我国的半固态技术已由先前主要处于理论研究阶段逐步转向工业化应用，但整体而言还比较薄弱，与处于世界先进地位的国家相比，还有相当大差距。

3.3 半固态压铸产品特征

根据半固态浆料中液相与固相占比不同，分为高固相半固态、低固相半固态两种半固态固相模式。根据半固态制造工艺特点，半固态压铸产品具有以下特点：

a.半固态铸件适合薄壁件成形，尺寸精度高，近净成形，要求不高时可免机加工艺处理。半固态产品具有较好的微观结构，加工温度低，凝固收缩小，可以减少热裂和偏析，便于薄壁产品成形，有利于产品轻量化。产品平面度可达0.25mm~0.3mm，表面粗糙度3.2um以下。清理工作量比常规液态压铸减少30%~40%。

b.半固态铸件内部组织细密，气密性好，铸造缺陷少，导热性能好。以高固相半固态浆料为例，仅50%左右液态金属，球状微观组织，高粘度流体，通过平稳顺序充型，促进铝液凝固成形过程中几乎无缩水，气孔和热变。

c.模具寿命长。填充到模具内半固态浆料已释放部分结晶潜热，比常规铝合金液温度下降120 ℃以上，与模具温差较小，且填充速度低，充形平稳，减少模具的热疲劳和冲蚀，延长模具使用寿命[11]。

d.可热处理[12]。半固态成形产品可应用T5、T6热处理，改善产品性能。

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一汽在半固态领域的应用

红旗某大型纯电SUV车用逆变器壳体，是一汽首款量产半固态压铸成形产品，该产品采用低固相半固态压铸技术和高压点冷技术，实现产品提质降重。同时依托科研项目对该壳体方案采用普通高压压铸技术 (ADC12)和采用半固态压铸成形技术（AlSi9Cu4）分别成型，对两种技术方案从轻量化、铸造缺陷、金相组织、导热率及力学性能等多个维度进行分析对比。

图1 普通高圧铸造逆变器壳体

图2 低固相半固态逆变器壳体

普通高压铸造方案逆变器壳体均匀壁厚约3mm，壳体重1.96kg；低固相半固态压铸方案逆变器壳体均匀壁厚约2.5mm，壳体重1.56kg。利用半固态压铸成形技术适合薄壁件成形特点进行结构优化设计，逆变器壳体降重超过20%，轻量化效果明显。

分别对普通高压压铸技术方案和半固态压铸成形技术方案壳体逆变器壳体相同部位进行剖切取样，进行铸造缺陷检验，结果如下：

图3 普通高圧铸造 孔隙率15.39%

图3 普通高圧铸造 孔隙率15.39%

通过取样金相视图对比，普通高圧铸造最大单孔 直径0.62mm，孔隙率15.39%；低固相半固态最大单孔直径0.31mm，孔隙率10.39%。低固相半固态样件缺陷明显少于普通高圧铸造样件。由于单孔直径及孔隙率降低，低固相半固态产品的气密性能，有所提升，螺纹攻丝缺陷率降低，产品废品率降低。

普通高压压铸和半固态压铸成形放大100倍金相组织图如下：

图5 普通高圧铸造 100X

图6 低固相半固态 100X

通过取样金相组织放大图发现，普通高压铸造平均晶粒尺寸47μm，形状因子0.41，金相组织存在大量枝晶组织且组织较为粗大；低固相半固态铸造平均晶粒尺寸31μm，形状因子0.81，金相组织多为球墨状结构，该结构具有较好的流动性能，使得成形产品具有较小的内应力和较高的尺寸精度。

另外取普通高压铸造样件和低固相半固态铸造样件进行导热率和力学性能测试。

导热率测试，仪器选用导热测试仪 LFA427，依据测试标准ASTM E 1461，测试温度25℃。测得普通高压铸造样件导热系数118W/m.K；低固相半固态铸造样件导热系数130.45W/m.K，比普通高压铸造样件导热系数提高10.55%。

力学性能测试，测得普通高压铸造样件抗拉强度271.132MPa，屈服强度161.186MPa；低固相半固态铸造样件抗拉强度333.936MPa，屈服强度209.144MPa，抗拉强度和屈服强度比普通高压铸造样件分别高23.1%和29.7%。

通过实验对比可见，半固态压铸成形产品比普通高压压铸产品在轻量化、铸造缺陷、气密性能、导热能力、内应力及力学性能方面具有更大的优势，半固态压铸成形技术可以在一定程度上满足汽车行业对高端零部件的要求，同时有助于实现汽车轻量化发展目标。

结束语

半固态压铸成形技术具有薄壁件成形，近净成形，组织性能优良，模具寿命长等特点，是汽车实现轻量化有效手段之一。通过半固态压铸成形技术实现汽车轻量化工作，可从2个方面入手，首先，将原钢铁等重质结构件替换成满足性能需求的半固态产品件；其次，利用易于薄壁成形及性能优良特点进行优化结构设计。

通过对半固态制造工艺的研究和推广应用，能够在一定程度缓解汽车行业对高端零部件的需求。但由于半固态压铸成形技术是新兴制造工艺，实现规模化量产企业和产品较少，缺乏行业、国家相关标准，尤其是检测标准体系不健全，还需加大半固态工程化研究力度，进一步完善半固态材料、产品开发、工艺及检测相关标准体系。

参考文献

[1] 《汽车产业中长期发展规划》

[2] 《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》

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[5] NADCA Product Specification Standards for Die Castings Produced by the Semi-solid and Squeeze Process, 2009, p12

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