鋁合金一體化壓鑄工藝是汽車結(jié)構(gòu)件制造中重大變革技術(shù)，過去50年間，汽車車身制造工藝始終以鈑金沖壓后采用機(jī)器人焊接為主，一體壓鑄技術(shù)使汽車車身制造工藝發(fā)生重大變革，壓鑄機(jī)將取代焊接機(jī)器人成為新能源領(lǐng)域造車的核心裝備。
目前一體化壓鑄技術(shù)壁壘主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：大型壓鑄機(jī)，免熱處理鋁合金材料配方、壓鑄模具設(shè)計(jì)、真空壓鑄工藝。
1. 大型壓鑄機(jī)
大型壓鑄機(jī)行業(yè)進(jìn)入門檻高，對(duì)理論、經(jīng)驗(yàn)及制造工藝有很高的要求，同時(shí)，大型壓鑄機(jī)的開發(fā)周期非常長，前期投入大，造價(jià)高（1臺(tái)壓鑄機(jī)平均需要1億元人民幣）。一體化壓鑄要求壓鑄機(jī)鎖模力至少大于6000 t（傳統(tǒng)高壓壓鑄的鎖模力通常在5000 t以下）。
2021年10月，瑞士布勒公司推出Carat840/920超大型兩模板壓鑄機(jī)（圖2），鎖模力高達(dá)92000 kN，兩套Carat 840壓鑄島交付沃爾沃公司托斯蘭達(dá)工廠，實(shí)現(xiàn)一體化壓鑄。意大利意德拉IDRA公司（力勁子公司）開發(fā)的OL6200CS壓鑄機(jī)，該壓鑄機(jī)長19.5 m、寬5.9 m、高5.32 m，大小相當(dāng)于一塊羽毛球場地，平臺(tái)的有效尺寸長和寬2.35 m，工作臺(tái)空間可以放下長寬高尺寸在2 m以內(nèi)的任何零件，可以提供最大6218 t的鎖模力。
根據(jù)瑞士布勒公司在2011年申請的專利，其能夠?qū)㈣T造模具之間形成空腔，向空腔中注入鋁液，經(jīng)抽真空在模腔中產(chǎn)生負(fù)壓，能夠有效消除鑄造紊流產(chǎn)生的氣孔，有助于提高壓鑄零件的內(nèi)部致密性。
2. 免熱處理高壓鑄造合金
免熱處理合金是指通過特殊的合金配方，在完成壓鑄成形后，鑄件無需熱處理即可獲得理想的力學(xué)性能，能避免在熱處理（高溫固溶和時(shí)效處理）過程中造成工件變形。截至2021年，國內(nèi)外企業(yè)包括美國美鋁、德國萊茵、特斯拉、上海交大、蔚來汽車、立中集團(tuán)等都在開發(fā)推廣免熱處理材料，免熱處理材料讓一體壓鑄成為可能。
美國鋁業(yè)公司產(chǎn)品為EZCAST系列C611免熱處理AI-Si系壓鑄鋁合金，由美國鋁業(yè)在20世紀(jì)90年代開發(fā)成功，應(yīng)用在奧迪A8的全鋁車身上。帥翼馳集團(tuán)與美國鋁業(yè)簽訂獨(dú)家代理協(xié)議，代理美鋁高強(qiáng)韌免熱處理鑄造鋁合金。
此外，德國萊茵金屬公司也開發(fā)出Al-Si系和Al-Mg系免熱處理高強(qiáng)韌合金，如Castasil-37壓鑄鋁合金；加拿大鋁業(yè)公司則開發(fā)有Aural-2和Aural-3等壓鑄鋁合金材料。立中集團(tuán)研發(fā)的LDHM-02免熱處理合金材料已獲得相關(guān)專利，并形成批量供貨。
根據(jù)立中集團(tuán)子公司申請中的最新相關(guān)專利《一種高強(qiáng)韌免熱處理鋁合金材料及制備方法》，該公司開發(fā)的鋁合金材料屈服強(qiáng)度達(dá)130 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到250 MPa，伸長率大于10%，滿足客戶使用需求，立中集團(tuán)已與文燦達(dá)成戰(zhàn)略合作。
2021年12月，上海交大輕合金中心與華人運(yùn)通高合汽車達(dá)成戰(zhàn)略合作，全球首發(fā)Tech CastTM超大鑄件用低碳鋁合金，將在高合汽車后續(xù)車型上大批量采用。
免熱處理合金材料成分、工藝復(fù)雜，具備較高的技術(shù)壁壘，其中合金材料成分設(shè)計(jì)是免熱處理合金開發(fā)的核心技術(shù)壁壘。常用壓鑄鋁合金為 Al-Si系、Al-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg系，主要成分配比影響合金強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，同時(shí)影響流動(dòng)性、凝固性等鑄造性能。
SJTU-A-Mg-Si-Mn合金是上海交通大學(xué)開發(fā)的一種免熱處理壓鑄合金，其目的是在保持材料良好韌性的前提下提升屈服強(qiáng)度。目前的Al-Si系和Al-Mg系合金普遍具備中等的強(qiáng)度與韌性，隨著鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件的集成化與輕量化需求的不斷提升，新型壓鑄合金的開發(fā)應(yīng)朝著提升屈服強(qiáng)度或韌性，同時(shí)具有良好的鑄造流動(dòng)性的方向發(fā)展。
3. 壓鑄模具
一體化壓鑄對(duì)模具強(qiáng)度及韌性要求更高，要求具有抗沖擊韌性和回火穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱和抗疲勞性、熱膨脹系數(shù)小、抗高溫氧化性。壓鑄需要高速充型與高速凝固，在壓鑄模溫度、真空度、成形方案、工藝參數(shù)及后處理要求更高。一體壓鑄需要大型的模具，模具更復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)比較困難，模具設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)排氣和集渣系統(tǒng)，需要運(yùn)用CAE仿真技術(shù)模擬充型過程，排氣不暢會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生氣孔而廢品。
零件壓鑄后冷卻時(shí)，尺寸會(huì)收縮，需要準(zhǔn)確仿真鑄件的冷卻過程，在最后冷卻部位設(shè)置補(bǔ)縮冒口，同時(shí)避免出現(xiàn)熱孤島，否則零件在冷卻收縮過程中會(huì)產(chǎn)生縮孔、疏松和裂紋缺陷。模具設(shè)計(jì)廠家必須具備壓鑄充型模擬分析能力，一體化壓鑄模具國內(nèi)只有幾家能做，比如廣州型腔、寧波臻至、深圳品成金屬、北侖賽維達(dá)、象山合力等。一套模具每年可以支撐6~8萬套產(chǎn)能，每套模具單價(jià)接近1000萬元。
深圳品成金屬擁有卓越的技術(shù)實(shí)力和專業(yè)的制造團(tuán)隊(duì)，配套的6600T模具生產(chǎn)線可以滿足各類大型、復(fù)雜壓鑄件的生產(chǎn)需求，曾生產(chǎn)過最大壓鑄模具尺寸是4200*3500*1500mm。
4. 壓鑄工藝
一體化壓鑄實(shí)為真空壓鑄工藝加入高真空控制系統(tǒng)，需要高精度傳感器控制抽真空過程。工藝流程為合模、澆注、真空開啟、型腔抽真空排氣、壓射、開模、取件、噴涂、再次合模等。在壓鑄過程中，由高精度真空傳感器控制真空罐、澆注排氣閥和型腔排氣閥，并通過參數(shù)設(shè)定來觸發(fā)四個(gè)接觸點(diǎn)：澆注真空開始、澆注真空結(jié)束、型腔真空開始和型腔真空結(jié)束。
壓鑄的高速充型易導(dǎo)致壓室或型腔中的氣體無法完全排出，氣體卷入金屬液會(huì)以氣孔的形式存在于鑄件中，無法焊接，降低力學(xué)性能，所以一體壓鑄必須配置型腔抽真空系統(tǒng)。壓鑄工藝對(duì)生產(chǎn)合格件十分重要，對(duì)不同的零件結(jié)構(gòu)，壓鑄工藝參數(shù)需要長時(shí)間調(diào)試和摸索，正確的壓射模式、壓鑄參數(shù)有利于減少鑄件的缺陷，壓鑄中的氣體大多數(shù)來自金屬液在壓室中的預(yù)充填階段，需要反復(fù)優(yōu)化慢壓射參數(shù)，避免金屬液在壓鑄過程中卷入氣體。
對(duì)于合金熔煉和除氫處理，熔化過程中需要采用高純電解金屬配料以避免金屬雜質(zhì)污染；熔煉時(shí)為防止金屬液氧化及偏析，需要快速熔化，熔化后需要對(duì)鋁液除氫、除渣凈化處理，一般通氮?dú)饣驓鍤獬龤?，除氫時(shí)間10~15 min，與AlSi10MnMg相當(dāng)，保溫時(shí)間不宜過長，以避免變質(zhì)劑Sr燒損，熔化溫度（730±10） ℃，不得超過780 ℃。澆注方式一般采用底注，避免鑄件夾雜缺陷，脫模劑的噴涂時(shí)間、噴涂角度和范圍、噴涂量、吹氣角度及脫模劑的選型（發(fā)氣量小、揮發(fā)性好）均需要驗(yàn)證，合模前在型腔中不可有殘留水分。壓鑄溫度700~710 ℃，比AlSi10MnMg約高20 ℃。
模具需要采用專用模溫機(jī)控制模具溫度，模具溫度一般控制在120~180 ℃。壓鑄過程中要及時(shí)啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)，沖頭封住澆注口后立即開始快速抽真空，壓室充滿前必須達(dá)到真空度要求，盡量延長抽真空時(shí)間，真空閥盡可能延遲閉合，抽真空過程對(duì)一體化壓鑄零件質(zhì)量至關(guān)重要，抽真空閥基本依賴進(jìn)口。特斯拉最早的一體壓鑄合格率65%~72%，毛利率可達(dá)到30%，2022年2月鑄件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修改后，合格率達(dá)到80%以上。
在“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)下，一體化壓鑄技術(shù)在生產(chǎn)效率、降本、輕量化等方面優(yōu)勢明顯。鋁合金一體化壓鑄設(shè)計(jì)與制造是一項(xiàng)全方位集成技術(shù)，技術(shù)壁壘高，包括軟件開發(fā)與運(yùn)用、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、免熱處理材料開發(fā)、壓鑄成形工藝、壓鑄單元能力和大型模具設(shè)計(jì)都需要技術(shù)創(chuàng)新。
尤其是模具設(shè)計(jì)與制造除了要考慮鑄造材料的流動(dòng)性、熱平衡、模具壽命、零件成形工藝性與質(zhì)量保證，還要考慮零件后續(xù)加工工藝優(yōu)化等?！耙惑w化壓鑄成型工藝與裝備”已列入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，將極大帶動(dòng)鋁合金一體化壓鑄技術(shù)的發(fā)展，鋁合金一體化壓鑄將成為新能源車企優(yōu)選的制造工藝。
來源：搜狐網(wǎng)、《鑄造》雜志
