摘要：為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化和降低汽車(chē)制造成本，超大型鋁制鑄件在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)上。由于超大型鋁制鑄件大多是結(jié)構(gòu)部件，需要同時(shí)承受準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和循環(huán)載荷，因此鑄件質(zhì)量和可量化性能對(duì)其產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造至關(guān)重要。本文簡(jiǎn)要介紹了超大型鋁制鑄件在汽車(chē)工業(yè)中的一些應(yīng)用實(shí)例，概述了其優(yōu)點(diǎn)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(jī)理、多物理場(chǎng)現(xiàn)象和潛在的巨大不確定性，這些都會(huì)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(píng)估，強(qiáng)調(diào)了如何進(jìn)行超大型鋁鑄件有效設(shè)計(jì)，以及制造所面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)方案。

研究?jī)?nèi)容和結(jié)果

(1)超大鋁型鑄件的應(yīng)用      

(2)在汽車(chē)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(gè)或更多的獨(dú)立部件，這些部件以前必須進(jìn)行單獨(dú)沖壓、擠壓、鑄造，分組組裝成所需的車(chē)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?yàn)樗梢匀〈幌盗薪M裝工具和長(zhǎng)達(dá)650英寸的機(jī)器人焊縫，這些焊縫以往是將完整的前后平臺(tái)的各個(gè)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(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)將幫助企業(yè)淘汰多達(dá)300個(gè)機(jī)器人，這也有助于汽車(chē)制造商降低能耗。

④減輕重量(30%)      

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

⑤節(jié)省時(shí)間成本      

生產(chǎn)時(shí)間大大縮短，在生產(chǎn)同一個(gè)零件時(shí)，制造單個(gè)整體鑄件比將60個(gè)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(jí)壓鑄機(jī)可以用于生產(chǎn)純電汽車(chē)的大型電池盒。進(jìn)一步可以將電池盒直接鑄在中央平臺(tái)，使其成為車(chē)輛的一個(gè)結(jié)構(gòu)部分。b.一臺(tái)千兆級(jí)的壓鑄機(jī)也可以直接為一輛小型電動(dòng)汽車(chē)鑄造一個(gè)完整的平臺(tái)。

(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(jī)生產(chǎn)。這種巨型鑄件的模具也非常巨大(可達(dá)100噸)，需要使用起重機(jī)等大型設(shè)備進(jìn)行搬運(yùn)。巨大的尺寸也使模具設(shè)計(jì)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(duì)于超大型鑄件，它們的使用壽命短，因?yàn)槟＞咧苯咏佑|鋁液，熔化溫度高于600°C。除非解決模具壽命問(wèn)題，否則這使得超大型鑄件并不適合大批量的車(chē)輛生產(chǎn)。大型砂型成型機(jī)或3D打印機(jī)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(rèn)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(jì)，如大型集成凸臺(tái)、深肋等。由于壁厚的變化和填充一體化鑄模的整個(gè)型腔所需的超長(zhǎng)金屬流長(zhǎng)度，易于收縮和冷隔的熱點(diǎn)顯著增加。這尤其使填充過(guò)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(duì)于每次注射，將近100kg的液態(tài)金屬倒入注射套將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)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(shí)，許多其他工藝方面(例如真空、模具潤(rùn)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(gè)前/后底盤(pán)或電池托盤(pán)作為一個(gè)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(gè)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(guò)程中溫度的微小變化會(huì)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(diǎn)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(lái)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(shí)效(例如不淬火)的合金，通常也需要復(fù)雜的矯直才能達(dá)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(chē)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(xiàng)目正在幫助公司實(shí)現(xiàn)到2040年實(shí)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(chē)輛幾乎不可能進(jìn)行小的維修。這是因?yàn)槌笮丸T件已經(jīng)取代了數(shù)十個(gè)和數(shù)百個(gè)小零件，并且它們還與其他部件連接起來(lái)形成整個(gè)車(chē)身結(jié)構(gòu)。任何細(xì)小損傷都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(shí)。

      克服這一挑戰(zhàn)的方法是對(duì)超大型鑄件進(jìn)行設(shè)計(jì)修復(fù)。例如，通用汽車(chē)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(jì)，包括至少一個(gè)預(yù)定義的可更換部分，以及一個(gè)切割導(dǎo)軌，將預(yù)定義的可更換部分與主體部分劃分開(kāi)來(lái)。損壞的可更換部分可通過(guò)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(guò)機(jī)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(dòng)性是鑄造鋁合金的一項(xiàng)重要澆注性能，它直接影響鑄件的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。如果合金的流動(dòng)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(dòng)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(duì)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(lái)提高塑性。除Si外，少量Mg用于通過(guò)自然時(shí)效和可能的T5人工時(shí)效（例如通過(guò)油漆烘烤工藝）來(lái)加強(qiáng)。Mn的加入主要是為了盡量減少模具焊接，同時(shí)中和鐵的不利作用。同樣地，加入Sr用于變質(zhì)Si，同時(shí)提高脫模。對(duì)于特斯拉使用的AA386合金，少量的Cu(約0.8%)對(duì)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(diǎn)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(huì)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(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件至關(guān)重要，因?yàn)樽罱K鑄件中的大多數(shù)缺陷通常與來(lái)自液態(tài)金屬的夾雜物和氣體有關(guān)。液態(tài)金屬在進(jìn)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(guò)程中不會(huì)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(shí)，應(yīng)特別注意避免液態(tài)金屬污染，因?yàn)樗谢厥諒U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(bào)道了一項(xiàng)減少?gòu)U液和返料對(duì)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(hù)熔體不被氧化。這項(xiàng)技術(shù)主要通過(guò)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(jì)      

      如圖10所示，在模具填充過(guò)程中，設(shè)計(jì)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)鑄模充型過(guò)程的模擬來(lái)計(jì)算卷氣。設(shè)計(jì)2似乎通過(guò)使用寬而薄的直澆道和連接的內(nèi)澆道來(lái)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(huì)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(guò)多涂層，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度堆積，從而影響尺寸精度。由于在充模過(guò)程中熔體前沿形成并夾帶新氧化物，具有相對(duì)較大平面的鑄件可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的表面外觀和質(zhì)量問(wèn)題。在最終產(chǎn)品中，次表層或次表層附近的氧化物會(huì)顯著降低力學(xué)性能，尤其是疲勞性能，此外還會(huì)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(guò)程中剝離金屬正面的氧化膜，解決表面外觀和質(zhì)量問(wèn)題。圖11顯示了通過(guò)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(jì)一樣，優(yōu)化的鑄造工藝控制對(duì)鑄件質(zhì)量至關(guān)重要，特別是對(duì)超大型鋁鑄件而言。

      鑄模溫度：澆注時(shí)的模溫對(duì)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(guò)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(guò)高時(shí)，可能會(huì)形成表面氣泡、焊合和收縮等缺陷。對(duì)于給定尺寸的鑄件，存在一個(gè)理想/最佳模具溫度，以實(shí)現(xiàn)最佳鑄造質(zhì)量和延長(zhǎng)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(gè)零件的壁厚變化，理想的模具溫度也不應(yīng)該在整個(gè)型腔中均勻分布。因此，需要適合的加熱/冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的模具溫度分布。對(duì)于一體化鑄件，可以使用局部熱管理鑲件來(lái)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(gè)重要的工藝參數(shù)，它不僅影響金屬的流動(dòng)性和粘度，而且決定冷卻速度、顯微組織細(xì)化度和合金元素的分布。因此，澆注溫度既影響金屬流動(dòng)，也影響鑄件質(zhì)量和力學(xué)性能。澆注溫度過(guò)低會(huì)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(dòng)距離要長(zhǎng)得多，因此，需要全面的鑄造過(guò)程模擬來(lái)確定最佳澆注溫度來(lái)確保金屬順利完整地進(jìn)入型腔而不損壞模具的風(fēng)險(xiǎn)變得更加關(guān)鍵。

      澆注速度和時(shí)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(shí)間是指將熔融金屬注入壓鑄模具直至充滿所需的時(shí)間。兩者都是相互依賴的。對(duì)于給定尺寸的鑄件，高的澆注速度可以縮短澆注時(shí)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(dòng)性增大。當(dāng)流動(dòng)性增大時(shí)，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(gè)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(shí)間應(yīng)結(jié)合鑄造過(guò)程模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定。