汽車結(jié)構(gòu)件用非熱處理壓鑄鋁合金研究進(jìn)展

1、 前  言

鋁合金壓鑄件的商業(yè)化應(yīng)用最早可以追溯到1915年，經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，目前超過半數(shù)的鋁合金鑄件均采用壓鑄工藝，其中車身結(jié)構(gòu)件用的高強(qiáng)韌鋁合金壓鑄件的發(fā)展始于1990年代，典型的案例為奧迪A8的全鋁車身框架，其在車身的關(guān)鍵接頭部位均應(yīng)用了鋁合金壓鑄件，這類車身結(jié)構(gòu)件通常屬于碰撞安全件，采用鉚釘連接，需要壓鑄件在保持良好的強(qiáng)度的同時(shí)具備良好的韌性，因此相比傳統(tǒng)壓鑄件，此類壓鑄件一方面采用高真空的壓鑄工藝來減少壓鑄件的氣孔缺陷，另一方面則采用高強(qiáng)韌的壓鑄鋁合金，來獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

長(zhǎng)期以來，廣泛應(yīng)用的車身真空壓鑄結(jié)構(gòu)件用壓鑄鋁合金均是AlSi10MnMg合金，在UNE EN 1706:2020 Aluminum and aluminum alloys-Castings-Chem?ical composition and mechanical properties 標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)成分見表1。該合金的特點(diǎn)是控制低的 Fe 含量，同時(shí)提升 Mn 含量以改善粘模問題，低的 Fe/Mn比例通過析出形成漢字狀、星狀或多面體狀的α-Al(Fe, Mn)Si 相，避免析出薄片狀的β-AlFeSi 相，從而獲得良好的韌性。作為可熱處理強(qiáng)化的壓鑄鋁合金，通過調(diào)整Mg 元素含量和熱處理制度，可以獲得不同強(qiáng)韌性匹配的壓鑄件材料力學(xué)性能。例如，某車型的真空壓鑄減震塔和扭轉(zhuǎn)盒等零部件，采用0.25%-0.35%的 Mg 含量，結(jié)合 T7 熱處理，可以獲得屈服強(qiáng)度≥120MPa，抗拉強(qiáng)度≥180MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥10%，極限尖冷彎角≥60°的性能要求，滿足自沖鉚接（Self Piercing Rivet, SPR）連接工藝和碰撞安全性能的要求。

然而隨著新能源汽車的快速發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)件正迅速朝著集成化、輕量化、高效率的設(shè)計(jì)與制造方向發(fā)展，例如一體熱沖壓門環(huán)，一體壓鑄車身，一體壓鑄副車架等。對(duì)于汽車真空壓鑄結(jié)構(gòu)件，AlSi10MnMg 合金的熱處理過程會(huì)導(dǎo)致壓鑄件出現(xiàn)變形與表面起泡的問題，特別是隨著壓鑄件的不斷大型化，后續(xù)整形難度以及報(bào)廢率將大幅提升。因此，非熱處理壓鑄鋁合金材料一方面可以直接在鑄態(tài)下使用規(guī)避上述問題，另一方面還可以降低零件制造成本，近年來其開發(fā)與應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前汽車結(jié)構(gòu)件非熱處理壓鑄鋁合金的研究主要集中在Al-Si系和Al-Mg 系兩大類，本研究重點(diǎn)介紹此兩類壓鑄合金的研究進(jìn)展。

2、Al-Si系非熱處理壓鑄合金

表2列舉了一些用于非熱處理壓鑄結(jié)構(gòu)件的合金名稱及其化學(xué)成分。從 Si 含量來看可以分為高硅含量和低硅含量?jī)纱箢?，相比于熱處理用壓鑄合金其 Mg 含量明顯降低，甚至要求不含Mg。除此之外，此類合金仍具備高強(qiáng)韌性壓鑄合金的共性特征，即低的 Fe 含量，高的 Mn 含量，添加Sr元素對(duì)共晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理等。

Castasil 37合金，即AlSi9MnMoZr，是萊茵菲爾德公司開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。該合金不含Mg，因此不具備時(shí)效硬化效應(yīng)，同時(shí)增加了Mo和Zr來進(jìn)行彌散強(qiáng)化。該合金Si含量與AlSi10MnMg合金接近，因此收縮率也基本一致，合金中Mg含量不同時(shí)，對(duì)鑄件材料的屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率會(huì)有一定的影響，因此生產(chǎn)中應(yīng)注意控制Mg含量，該合金的力學(xué)性能和不同Mg含量的影響如表3所示。然而基于萊茵菲爾德公司的研究，提高M(jìn)g元素的含量會(huì)影響鑄件鑄態(tài)下力學(xué)性能的熱穩(wěn)定性，表現(xiàn)為在一定溫度環(huán)境下服役過程中屈服強(qiáng)度會(huì)逐漸增加，因此Castasil 37將Mg元素含量上限定義為0.06%。

Aural 6 合金，即 375.0，是麥格納公司開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。該合金的化學(xué)成分與上述Castasil 37十分相似，但是該合金不添加Mo和Zr，而是含有少量的Mg來獲得一定的強(qiáng)化效果。因此，結(jié)合前文Mg元素含量對(duì)Castasil 37性能影響的分析，該合金鑄件力學(xué)性能的熱穩(wěn)定性也應(yīng)該予以關(guān)注。

C611 合金是美鋁公司開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。該合金的 Si 含量相對(duì)較低，這是因?yàn)楣倘軣崽幚砜梢愿纳乒簿Ч璧男蚊?，通?？梢匀菰S更高的Si含量來獲得良好的強(qiáng)韌性，然而鑄造態(tài)下超過8%的Si不能夠進(jìn)一步提升鑄件的強(qiáng)度，但是斷后伸長(zhǎng)率會(huì)有所下降，因此非熱處理合金采用偏低的Si含量是更合適的。該合金含有一定的Mg元素，這意味著該合金并非嚴(yán)格意義上的非熱處理材料，對(duì)該合金鑄件進(jìn)行T5熱處理或者進(jìn)行T85（涂裝烘烤處理）可以進(jìn)一步提升屈服強(qiáng)度，如表4中所示。

Aural 5 合金，即 374，是麥格納公司開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。該合金與上文的 C611 基本一致，Randolf Scott Beals 在專利中詳細(xì)闡述研究了該合金的設(shè)計(jì)思路及力學(xué)性能，并與 C611 合金進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比，相比熱處理用壓鑄合金 Aural2，該合金取消固溶、整形、時(shí)效過程，可以實(shí)現(xiàn)制造成本的降低。該合金在鑄造后和涂裝烘烤前良好的塑性與自然時(shí)效穩(wěn)定性可以滿足車身結(jié)構(gòu)件的 SPR 連接要求，見表 4 中所示。同時(shí)該合金與C611 類似，涂裝烘烤后強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提升，此外還可以滿足205℃下1h的短周期熱穩(wěn)定性以及150℃下1000h 的長(zhǎng)周期熱穩(wěn)定性要求。

特斯拉在其 Model Y 車型上首次使用 6 000 t大型壓鑄單元制造鋁合金一體化壓鑄后部下車身，該零件的高度集成化創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)于非熱處理壓鑄合金也提出了更高的要求。Stucki Jason 在專利中介紹了新型合金的開發(fā)過程，首先是對(duì)材料強(qiáng)韌性的要求，目標(biāo)合金在鑄造態(tài)的屈服強(qiáng)度和極限尖冷彎角應(yīng)分別大于 135 MPa 和 24°以滿足鑄件的性能要求，同時(shí)由于鑄件的尺寸巨大，還要求合金具有極好的流動(dòng)性能。研究發(fā)現(xiàn)，在壓鑄條件下，Si 含量在 6%以上時(shí)，繼續(xù)增加 Si 含量并不會(huì)明顯改善流動(dòng)性，反而會(huì)引起共晶硅相含量增加從而影響合金的韌性，因此該合金控制 Si 含量同時(shí)滿足流動(dòng)性和韌性的要求。通常情況下，添加Cu 元素可以提升強(qiáng)度，但是降低塑韌性，該合金通過控制 Cu/Mg 比例以利于析出 AlCuMgSi 相取代Mg2Si 和 Al2Cu 相來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度提升的同時(shí)不會(huì)引起塑韌性的明顯下降。此外，該合金中添加了 Sr 元素對(duì) Si 相進(jìn)行變質(zhì)處理，添加 V 元素析出球狀的AlFeSi(Mn+V)相，減少了片狀的富鐵相，均有利于材料韌性的提升，同時(shí)也能夠容忍更高的 Fe 雜質(zhì)含量。

3、 Al-Mg系非熱處理壓鑄合金

表5中列舉了一些 Al-Mg 系非熱處理壓鑄合金的化學(xué)成分，其中部分新型壓鑄合金的部分元素含量未披露，表格中對(duì)應(yīng)位置的元素含量為空白。可以看出主要可以細(xì)分為 Al-Mg-Mn、Al-Mg-Si-Mn、Al-Mg-Fe、Al-Mg-Mn-Cu 等幾種類型。

C446F 合金，即560，是美鋁公司早期開發(fā)的一種非熱處理 Al-Mg 系壓鑄合金。該合金曾用于日產(chǎn) GT-R 的車門內(nèi)板，零件壁厚約2-3mm，實(shí)現(xiàn)單個(gè)車門減重5.5kg。該合金具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，然而由于其凝固溫度范圍太寬，導(dǎo)致壓鑄過程中的熱裂傾向非常高，因此對(duì)于復(fù)雜零件，特別是料厚變化較為明顯的零部件來說，不是一個(gè)很好的選擇。圖 1a 所示為采用 JmatPro 軟件計(jì)算的Al-3.6Mg-1.2Mn-0.12Fe 合金冷卻過程中液相的含量變化，其中液相線溫度 642.93℃，固相線溫度450℃，凝固溫度范圍達(dá)193℃。

A152/A153合金，是美鋁在上述 C446F 合金的基礎(chǔ)上為改善熱裂性能而開發(fā)的新型壓鑄合金。通過在該合金中添加適當(dāng)比例的 Si 元素，可以顯著縮短合金的凝固溫度范圍，如圖 1b 中所示，添加1.3%的 Si 凝固溫度范圍縮小至43℃，從而明顯降低熱裂敏感性。通過采用計(jì)算材料的方法進(jìn)行該合金的開發(fā)，通過計(jì)算不同成分合金的熱裂敏感系數(shù)來對(duì)比優(yōu)化，并通過熱裂傾向指數(shù)來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于 Al-3.6Mg-1.2Mn-0.12Fe 合金來說，Si 含量為 1.2%-1.6%時(shí)可以顯著改善熱裂問題，如圖 2 中所示。該合金分為低 Mg 的 A152 合金和高 Mg 的 A153 合金兩個(gè)牌號(hào)，其中 A152 可以實(shí)現(xiàn)屈服強(qiáng)度 150MPa 和，抗拉強(qiáng)度 265MPa，斷后伸長(zhǎng)率 11%的力學(xué)性能，A153 可以實(shí)現(xiàn)屈服強(qiáng)度170MPa 和，抗拉強(qiáng)度 280MPa，斷后伸長(zhǎng)率 9%的力學(xué)性能。

Magsimal 59 合金，即 AlMg5Si2Mn，是萊茵菲爾德公司開發(fā)的一種非熱處理壓鑄合金。Si 元素的添加除了上文提到的可以改善合金的熱裂性能外，還可以提升鑄造過程中的流動(dòng)性，但是 Geof?frey參照實(shí)際案例經(jīng)驗(yàn)來看該合金仍較難鑄造，因此在北美及中國應(yīng)用較少，僅在歐洲一些壓鑄廠有應(yīng)用。此外，由于該合金的力學(xué)性能與凝固速度，即α枝晶間距較為密切，因此壁厚對(duì)力學(xué)性能影響較大，如表 6 所示。

SJTU-Al-Mg-Si-Mn 合金，是上海交通大學(xué)開發(fā)的一種非熱處理壓鑄合金，其目的是在保持材料良好韌性的前提下提升材料屈服強(qiáng)度。對(duì)于 Al-Mg-Si-Mn合金，隨著Mg含量的增加，材料的屈服強(qiáng)度增加，疲勞極限增加，但是延伸率下降明顯。因此該合金在增加 Mg、Si 元素的含量并調(diào)控相對(duì)比例的同時(shí)，添加 Ti、Zr、V 合金改善組織，并引入 Re/Ca 復(fù)合變質(zhì)對(duì)共晶硅進(jìn)行細(xì)化，獲得屈服強(qiáng)度＞180MPa，延伸率＞10%的力學(xué)性能。類似地，SJ?TU-Al-Mg-Cu-Mn 合金引入 Cu 元素進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)引入 Y、Er、Ce 稀土元素來細(xì)化 Al2CuMg 相，獲得屈服強(qiáng)度＞180MPa，抗拉強(qiáng)度＞320MPa，延伸率＞8%的高強(qiáng)高韌的綜合力學(xué)性能。

Castaduct 42 合金，即AlMg4Fe2，是萊茵菲爾德公司開發(fā)的一種新型非熱處理壓鑄合金。與上述Al-Mg-Mn 合金不同的是，該合金是基于 Al-Fe 共晶體系開發(fā)的新型 Al-Mg-Fe 成分體系，其高的 Fe含量可以避免壓鑄過程中的粘模問題，但同時(shí)也導(dǎo)致 Si 元素成為需要嚴(yán)格限制的雜質(zhì)元素。然而該合金與前文的 C446F 具有很高的相似性，即高M(jìn)n 或 Fe，低 Si 的成分特征，因此其鑄造性能仍待驗(yàn)證。該合金在鑄態(tài)下具有中等的強(qiáng)度和良好的塑韌性，可以滿足零部件的鉚接和碰撞安全性能要求，力學(xué)性能如表 7 所示。另外值得注意的是，該合金的化學(xué)成分與車身沖壓結(jié)構(gòu)件常用的5XXX 系變形鋁合金具有極高的相似性，例如 5182（AlMg4.5Mn0.4）合金，同時(shí)高 Fe 含量的合金成分設(shè)計(jì)可以較為容易地實(shí)現(xiàn)此類廢鋁的再生利用，減少A00電解鋁的使用比例，從而大幅降低鋁合金車身結(jié)構(gòu)件的碳排放。

4 、結(jié)束語

隨著汽車節(jié)能減排需求的日益嚴(yán)峻，鋁合金真空壓鑄件由于其集成化、輕量化、良好的強(qiáng)韌性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用的滲透率不斷提升。然而隨著壓鑄件的集成化程度不斷提高，特別是特斯拉一體成形車身技術(shù)概念提出與應(yīng)用落地，傳統(tǒng) AlSi10MnMg 合金由于必須要熱處理而難以滿足需求，從而不斷推進(jìn)新型非熱處理壓鑄鋁合金的研究與應(yīng)用，目前相關(guān)的研究和應(yīng)用案例主要集中在 Al-Si 系和 Al-Mg 系兩大類。

對(duì)于整車企業(yè)，汽車結(jié)構(gòu)件用鋁合金壓鑄件不同于傳統(tǒng)壓鑄件，制造過程中的連接工藝以及服役過程中的整車性能對(duì)壓鑄件鑄態(tài)下的綜合力學(xué)性能尤其是韌性要求較高，目前的 Al-Si 系和Al-Mg 系合金普遍具備中等的強(qiáng)度與韌性的特點(diǎn)。隨著鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件的集成化與輕量化設(shè)計(jì)需求的不斷提升，新型壓鑄合金的開發(fā)應(yīng)朝著提升強(qiáng)度和（或）韌性，同時(shí)具有良好的流動(dòng)性和鑄造性能的方向發(fā)展。

對(duì)于鋁加工企業(yè)，汽車結(jié)構(gòu)件用壓鑄鋁合金由于其低的 Fe 含量，即使添加較高的 Mn 元素，壓鑄合金對(duì)于模具的侵蝕現(xiàn)象仍然較為嚴(yán)重，模具壽命相比傳統(tǒng)壓鑄件顯著降低，這導(dǎo)致汽車壓鑄結(jié)構(gòu)件的制造成本明顯偏高，特別是隨著壓鑄件不斷地大型化，對(duì)于模具的挑戰(zhàn)越來越大。同時(shí)低 Fe 的壓鑄合金必須采用純鋁錠配制，原材料的成本和碳排放相比傳統(tǒng)壓鑄件也明顯偏高，因此，研究和開發(fā)對(duì) Fe 元素容忍度更高的新型高強(qiáng)韌壓鑄合金，推動(dòng)再生鋁合金在汽車壓鑄結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，不僅對(duì)于零部件成本控制有利，還能大幅降低原材料獲取階段的碳排放，從而顯著提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。