摘要：為了實現(xiàn)汽車輕量化和降低汽車制造成本，超大型鋁制鑄件在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在電動汽車上。由于超大型鋁制鑄件大多是結(jié)構(gòu)部件，需要同時承受準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)和循環(huán)載荷，因此鑄件質(zhì)量和可量化性能對其產(chǎn)品設(shè)計和制造至關(guān)重要。本文簡要介紹了超大型鋁制鑄件在汽車工業(yè)中的一些應(yīng)用實例，概述了其優(yōu)點和效益。由于鋁型鑄件鑄造工藝非常復(fù)雜，往往涉及許多反應(yīng)機理、多物理場現(xiàn)象和潛在的巨大不確定性，這些都會顯著影響鑄件質(zhì)量和性能。本文介紹了超大型鋁異型鑄件的金相分析和力學(xué)性能評估，強調(diào)了如何進行超大型鋁鑄件有效設(shè)計，以及制造所面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)方案。

研究內(nèi)容和結(jié)果

(1)超大鋁型鑄件的應(yīng)用      

(2)在汽車上使用超大型鋁異型鑄件的好處①減少零件數(shù)量(60+)      

取代了60個或更多的獨立部件，這些部件以前必須進行單獨沖壓、擠壓、鑄造，分組組裝成所需的車身系統(tǒng)。

②節(jié)省模具成本(40%)      

a.節(jié)省約40%的模具投資。b.與傳統(tǒng)的鑄造操作相比，它可以為客戶節(jié)省約40%的成本，因為它可以取代一系列組裝工具和長達650英寸的機器人焊縫，這些焊縫以往是將完整的前后平臺的各個部件組裝在一起的關(guān)鍵步驟。

③節(jié)能(30%)      

a.可以減少約30%的能源消耗。b.業(yè)內(nèi)人士認為，這項技術(shù)將幫助企業(yè)淘汰多達300個機器人，這也有助于汽車制造商降低能耗。

④減輕重量(30%)      

這項技術(shù)比全鋼制造的方案輕30%，比包含幾個鋁部件的制造方案輕10%左右。

⑤節(jié)省時間成本      

生產(chǎn)時間大大縮短，在生產(chǎn)同一個零件時，制造單個整體鑄件比將60個零件焊接在一起生產(chǎn)要快得多。

⑥應(yīng)用范圍更加廣泛      

a.千兆級壓鑄機可以用于生產(chǎn)純電汽車的大型電池盒。進一步可以將電池盒直接鑄在中央平臺，使其成為車輛的一個結(jié)構(gòu)部分。b.一臺千兆級的壓鑄機也可以直接為一輛小型電動汽車鑄造一個完整的平臺。

(3)技術(shù)挑戰(zhàn)

①超大型鋁合金鑄件質(zhì)量      

由于超大型鑄件的尺寸大(1m×1.5m×0.5m)，且制造模具體積大，因此制造優(yōu)質(zhì)超大鋁型鑄件的工藝極為困難。例如，在高壓鑄造中，為獲得良好的鑄件，典型的鎖模力要保持在6000噸到12,000噸壓鑄機生產(chǎn)。這種巨型鑄件的模具也非常巨大(可達100噸)，需要使用起重機等大型設(shè)備進行搬運。巨大的尺寸也使模具設(shè)計更加困難，特別是熱量管理。此外，壓鑄模具非常昂貴，特別是對于超大型鑄件，它們的使用壽命短，因為模具直接接觸鋁液，熔化溫度高于600°C。除非解決模具壽命問題，否則這使得超大型鑄件并不適合大批量的車輛生產(chǎn)。大型砂型成型機或3D打印機將需要用在制造一體化鑄件。盡管砂型鑄造工藝比高壓鑄造工藝更靈活，但也存在一些局限性，比如生產(chǎn)率較低，最小壁厚較大，尺寸精度和公差較小，冷卻速度慢，形成氣孔的可能性較大等。

      普遍認為，由于充滿夾持空氣和表面氧化物的極湍流的模具填充，制造高質(zhì)量的HPDC部件非常具有挑戰(zhàn)性。與常規(guī)HPDC結(jié)構(gòu)件相比，一體化壓鑄鑄件要大很多倍，具有非常復(fù)雜的幾何設(shè)計，如大型集成凸臺、深肋等。由于壁厚的變化和填充一體化鑄模的整個型腔所需的超長金屬流長度，易于收縮和冷隔的熱點顯著增加。這尤其使填充過程的結(jié)束更容易受到鑄造缺陷的影響，如氣孔和氧化物的形成。圖3顯示了一體化鑄件局部宏觀縮孔率。此外，對于每次注射，將近100kg的液態(tài)金屬倒入注射套將花費更長的時間，這大大增加了形成外部凝固晶體(ESC)和冷片的可能性。當(dāng)尺寸增加到一體化成型鑄件時，許多其他工藝方面(例如真空、模具潤滑、模具熱量管理、零件頂出等)也變得更加復(fù)雜。因此，將整個前/后底盤或電池托盤作為一個巨大的高質(zhì)量鑄件是極具挑戰(zhàn)性的。除非使用合適的合金和正確的制造工藝，否則鑄件廢品率可能很高。

      另外，超大型鑄件在整個零件中具有不同的壁厚，在HPDC工藝和隨后的冷卻和淬火階段，每種壁厚在模具內(nèi)的冷卻方式都不同。這可能導(dǎo)致大量的殘余應(yīng)力和變形，往往難以處理。此外，單件超大型鑄件的熱膨脹可能非常大，裝配過程中溫度的微小變化會導(dǎo)致較大的尺寸變化和裝配難度。并且超大型鑄件不使用標(biāo)準(zhǔn)點焊程序與其他部件連接，而是使用其他方法，這些方法也可能導(dǎo)致意外或未知的幾何變化。因此，需要付出更多的努力來獲取有關(guān)零件的所有信息并了解其偏差。否則，很難生產(chǎn)出尺寸公差合適的超大鑄件。即使使用不需要熱處理或只需要少量人工時效(例如不淬火)的合金，通常也需要復(fù)雜的矯直才能達到正確的公差。

②可持續(xù)性      

      回收是解決鋁悖論的辦法。使用再生鋁代替原鋁，至少可以減少90%的co2排放。目前，鋁車身的回收利用率普遍較高，結(jié)構(gòu)鋁壓鑄件現(xiàn)在可以制成高回收性鋁鑄件，由單一合金制成(因此易于回收)。例如，沃爾沃表示，其大型鑄造項目正在幫助公司實現(xiàn)到2040年實現(xiàn)碳中和的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

③可修復(fù)性和服務(wù)性      

用超大型鑄件組裝的車輛幾乎不可能進行小的維修。這是因為超大型鑄件已經(jīng)取代了數(shù)十個和數(shù)百個小零件，并且它們還與其他部件連接起來形成整個車身結(jié)構(gòu)。任何細小損傷都會導(dǎo)致整個一體化鑄件更換。執(zhí)行這樣的服務(wù)和維修將非常昂貴和耗時。

      克服這一挑戰(zhàn)的方法是對超大型鑄件進行設(shè)計修復(fù)。例如，通用汽車工程師提出了具有易于修復(fù)特征的超大型單件鑄件的設(shè)計，包括至少一個預(yù)定義的可更換部分，以及一個切割導(dǎo)軌，將預(yù)定義的可更換部分與主體部分劃分開來。損壞的可更換部分可通過沿切割導(dǎo)向切割單件鑄件從主體部分切除。切除的損壞的可更換部分可以用替換部件替換，其具有與未損壞的可更換部分基本相同的幾何形狀、尺寸和力學(xué)性能。替換部件可以通過機械方法(例如螺栓)或焊接連接到主體部分。

(4)影響超大型鋁鑄件質(zhì)量的因素

①合金元素      

流動性是鑄造鋁合金的一項重要澆注性能，它直接影響鑄件的流動性和穩(wěn)定性。如果合金的流動性優(yōu)異，即合金具有良好的充型能力，則易于獲得尺寸準(zhǔn)確、形狀完整、輪廓清晰的鑄件。

      在鋁硅基鑄造鋁合金中，硅是影響流動性和收縮率的重要元素。目前在HPDC一體化壓鑄鑄件中使用含有約7%Si的鑄造鋁合金(例如C611,Aural5等)。對于超大型結(jié)構(gòu)件的砂型鑄造，需要使用更低的Si含量(約5%Si)來提高塑性。除Si外，少量Mg用于通過自然時效和可能的T5人工時效（例如通過油漆烘烤工藝）來加強。Mn的加入主要是為了盡量減少模具焊接，同時中和鐵的不利作用。同樣地，加入Sr用于變質(zhì)Si，同時提高脫模。對于特斯拉使用的AA386合金，少量的Cu(約0.8%)對鑄造性能和鑄件的耐腐蝕性有顯著的不利影響。Cu的加入產(chǎn)生了低熔點含Cu相，增加了合金的凝固溫度區(qū)間和縮孔的傾向，如圖6所示。

      同樣，Al-Si基合金中Cu的添加量也會導(dǎo)致較高的裂紋敏感性系數(shù)(CSC)，從而降低熱撕裂阻力，如圖7所示。

②熔體潔凈度控制      

液態(tài)鋁的潔凈度對于生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件至關(guān)重要，因為最終鑄件中的大多數(shù)缺陷通常與來自液態(tài)金屬的夾雜物和氣體有關(guān)。液態(tài)金屬在進入型腔之前應(yīng)盡可能潔凈到最高水平。液態(tài)金屬的高質(zhì)量意味著氧化物、夾雜物和溶解氣體在凝固過程中不會造成鑄造缺陷。

      為了確保液態(tài)金屬的最高質(zhì)量，要保證爐料的潔凈度，當(dāng)使用大量回收廢料時，應(yīng)特別注意避免液態(tài)金屬污染，因為所有回收廢料表面都充滿氧化物，可能含有水分和其他污染物。GM公司報道了一項減少廢液和返料對液態(tài)金屬污染的技術(shù)。該方法包括預(yù)熱廢料以除去水分和污染物。然后在所有的自由表面涂上一層熔劑。隨后，將廢料在爐中熔化，形成適合鑄造的鋁液熔體。渣層從廢料表面去除自然產(chǎn)生的氧化膜，并提供覆蓋渣層以保護熔體不被氧化。這項技術(shù)主要通過降低鋁/鹽或氧化物/鹽的界面張力或提高鋁/氧化物的界面張力，使系統(tǒng)的自由能降低，從而使得鋁液滴從氧化膜上脫落。

③澆注系統(tǒng)設(shè)計      

      如圖10所示，在模具填充過程中，設(shè)計1和2之間直澆道和內(nèi)澆道的變化可能導(dǎo)致不同數(shù)量的卷氣。在計算流體動力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過對鑄模充型過程的模擬來計算卷氣。設(shè)計2似乎通過使用寬而薄的直澆道和連接的內(nèi)澆道來減少充型階段的卷氣。

④模具表面處理      

模具表面狀況不僅決定了表面光潔度的質(zhì)量，而且還決定了鑄件表皮層的質(zhì)量，由于疲勞裂紋通常從鑄件表面形成，因此表皮層的質(zhì)量會顯著影響鑄件的耐久性能。例如，如果應(yīng)用在模具表面的涂層材料質(zhì)量較差，則鑄件的表面光潔度將不平滑。此外，如果涂覆過多涂層，可能會導(dǎo)致過度堆積，從而影響尺寸精度。由于在充模過程中熔體前沿形成并夾帶新氧化物，具有相對較大平面的鑄件可能會出現(xiàn)過多的表面外觀和質(zhì)量問題。在最終產(chǎn)品中，次表層或次表層附近的氧化物會顯著降低力學(xué)性能，尤其是疲勞性能，此外還會導(dǎo)致表面外觀不良。金屬模具表面可采用化學(xué)蝕刻法或替代表面處理方法，使金屬模具表面形成粗糙圖案或紋理，從而在充型過程中剝離金屬正面的氧化膜，解決表面外觀和質(zhì)量問題。圖11顯示了通過適當(dāng)?shù)哪＞弑砻嫣幚硐蔫T造表面缺陷示例。

⑤鑄造工藝      

與澆注系統(tǒng)設(shè)計一樣，優(yōu)化的鑄造工藝控制對鑄件質(zhì)量至關(guān)重要，特別是對超大型鋁鑄件而言。

      鑄模溫度：澆注時的模溫對充型、凝固、殘余應(yīng)力、變形、鑄件尺寸精度和模具壽命有顯著影響。如果模具溫度過低，鑄件將不能很好地填充，有冷隔、流痕和澆不足等缺陷。然而，當(dāng)模具溫度過高時，可能會形成表面氣泡、焊合和收縮等缺陷。對于給定尺寸的鑄件，存在一個理想/最佳模具溫度，以實現(xiàn)最佳鑄造質(zhì)量和延長模具壽命的良好組合。由于鑄件幾何形狀的復(fù)雜性和整個零件的壁厚變化，理想的模具溫度也不應(yīng)該在整個型腔中均勻分布。因此，需要適合的加熱/冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)理想的模具溫度分布。對于一體化鑄件，可以使用局部熱管理鑲件來幫助控制模具溫度和鑄件質(zhì)量。

      澆注溫度：澆注溫度是一個重要的工藝參數(shù)，它不僅影響金屬的流動性和粘度，而且決定冷卻速度、顯微組織細化度和合金元素的分布。因此，澆注溫度既影響金屬流動，也影響鑄件質(zhì)量和力學(xué)性能。澆注溫度過低會導(dǎo)致鑄件不完整、冷隔、澆不足和表面缺陷。澆注溫度高，組織粗糙，凝固收縮率和孔隙率高，夾渣形成多，力學(xué)性能低。澆注溫度高也可能造成模具損壞，導(dǎo)致其他缺陷。為了獲得最佳的鑄造質(zhì)量和力學(xué)性能，選擇合適的澆注溫度至關(guān)重要。與普通鑄件相比，超大型鑄件從澆口的金屬流動距離要長得多，因此，需要全面的鑄造過程模擬來確定最佳澆注溫度來確保金屬順利完整地進入型腔而不損壞模具的風(fēng)險變得更加關(guān)鍵。

      澆注速度和時間：澆注速度是指在高壓直流生產(chǎn)中，熔融金屬被注入模具的速度。澆注時間是指將熔融金屬注入壓鑄模具直至充滿所需的時間。兩者都是相互依賴的。對于給定尺寸的鑄件，高的澆注速度可以縮短澆注時間。充填速度主要受澆注溫度的影響。澆注溫度高，金屬液粘度低，流動性增大。當(dāng)流動性增大時，充填速度也隨之增大。充型速度也是決定鑄件質(zhì)量的一個因素。選擇適當(dāng)?shù)奶畛渌俣龋词乖谳^低的注射壓力下也能獲得高表面質(zhì)量的鑄件。因此，最佳澆注速度和時間應(yīng)結(jié)合鑄造過程模擬和實驗驗證來確定。