內容摘要

輕量化技術是汽車工業發展的關鍵技術之一，對汽車實現節能環保、效能提升及成本控制都具有非常重要的意義。推動輕量化技術的應用,可從材料、結構設計和製造工藝等多方面入手,本文主要從一種具有短流程、近淨形成形,且成形產品的組織效能優良、模具壽命較長的半固態壓鑄成形技術入手，開展汽車輕量化技術的研究及應用工作。

關鍵詞：汽車工業；輕量化；半固態；壓鑄

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前言

依據工信部聯裝[2017]53號《汽車產業中長期發展規劃》、《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，加大節能環保技術的研發和推廣，依然是汽車工業發展的一大主題[1][2]，基於國家節能和減排戰略，必須大力推進汽車輕量化技術的研究與應用。隨著汽車行業及製造業向著輕量化、高效能、高安全性、節能、環保、低成本的方向發展，新材料和新的成形技術不斷湧現。熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造、特種砂型鑄造、電磁鑄造、擠壓鑄造等成形技術可以生產出近終形狀產品，滿足低成本的要求。

但鑄造疏鬆、氣泡等鑄造缺陷在一定程度上限制了產品的應用，難以滿足汽車行業對高階零部件的要求。本文透過對具有缺陷少、效能優、利於薄壁成型、導熱率高等特點的半固態壓鑄成形技術研究，開展汽車輕量化技術的研究及應用工作。

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汽車輕量化發展目標

某車型試驗資料研究表明，整車整體質量降重10%，油耗降低6%~8%，尾氣排放減少7%，加速效能提升0.5s(0km/h-100km/h),發生正面碰撞時，碰撞時動能減少10%，剎車距離減少5%，有效負載增加130kg，驅動軸負荷降低，軸疲勞壽命提升。

可見，汽車輕量化對整車的環境友好性、動力經濟性、安全性等都有較大益處[3]。根據工信部發布未來節能與新能源車輕量化技術發展目標，見表1。

表1 未來節能與新能源車輕量化技術發展目標[4]

輕量化工作分階段穩步展開，車輛整備質量相較於2015年狀態，2020年降重10%，2025年降重20%，2030年降重35%。由表1可見，鋁合金，鎂合金單車用量逐步大幅增加，尤其是鋁合金，到2030年，單車用鋁量將達到350kg。要達到未來節能與新能源車輕量化技術發展目標，除了透過採用鋁合金等輕質材料實現對單車降重的方法，採用新的鋁合金製造工藝，最佳化結構設計對實現汽車輕量化目標同樣重要。

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半固態壓鑄成形技術

3.1 半固態壓鑄技術

不同成形工藝，各有特點，表2對不同成形方法制備產品優缺點進行了簡單對比。

表2 不同成形方法制備產品優缺點對比[5]

表2中主要從不同成形方法的模具與生產效率、產品效能及外形尺寸及成本四個維度評價，並將各個維度的評價因素得分進行簡單疊加得到，未進行加權處理，實際應用中需根據具體使用情況，根據問題分析加權重係數後進行綜合評定。

透過表中不同成形方法制備產品優缺點對比分析，半固態壓鑄成形技術具有一定的優勢，半固態壓鑄成形的原理是在金屬材料凝固過程中，採取工藝手段，使最初結晶成近球狀的顆粒，得到液態金屬母液中均勻懸浮著一定顆粒狀固相組分的固-液混合漿料，此時金屬具有優良的流變性。易於用常規加工技術如壓鑄、擠壓、模鍛等實現成形[6]。

半固態成形方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度比液態低、變形抗力比固態小，可一次大變形量加工成形形狀複雜且精度和效能要求較高的零件。半固態成形工藝主要包括觸變成形和流變成形[7]。如果將流變漿料凝固成錠，按需要將該金屬錠切成一定大小，然後重新加熱(即坯料的二次加熱)至金屬的半固態溫度區(金屬錠稱為半固態金屬坯料)，利用金屬的半固態坯料進行成形加工的方法為觸變成

形。在金屬凝固過程中，控制金屬的形核和其長大過程，得到一種液態金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進行成形加工的方法稱之為半固態金屬的流變成形[7~9]。

3.2 半固態壓鑄技術研究及應用現狀

國際上，半固態金屬成形技術已被美國、德國、義大利、法國、德國、瑞士、英國、日本等工業發達國家廣泛關注，投入了大量的人力及物力對該技術進行研究，一些技術已進入工業化應用階段。

美國的Alumax公司和Thixomal公司、義大利的Stampal (SPA)公司和Magneti Marelli（MM）公司、法國的Aluminum Pechiney公司、德國的EFU Gmbh公司、瑞士的Bubler公司、英國Sheffield大學和Brunel大學、日本的Speed Star Wheel公司和Honda Engineering公司[10]等都擁有自己的核心技術和相關專利，部分公司能自行生產半固態產業所需的專業裝置，且很大一部分技術已於21世紀初進入工業化應用階段，實現半固態鋁合金成形零件及裝置的產業化，這些規模生產的半固態成形件主要被應用於汽車、計算機及輔助裝置、通訊電器、航空航天等領域。

國內從20世紀80年代後期開始，先後有不少科研機構和高校研究所對半固態成形技術進行理論基礎和技術開發研究，如哈工大、北京科技大、東北大學、南昌大學、華中科技、華南理工、華東理工、上海大學、清華大學等。如北京科技大毛為民提出了低過熱度澆注和弱電磁攪拌式流變成形工藝、東北大學管仁國等人提出波浪傾斜板澆注式流變成形工藝、清華大學唐靖林等人提出了溶體處理和雙向電磁攪拌製備及流變成形工藝等。

北京有色金屬研究總院是國內最早研究半固態成形技術的單位之一[11]，承擔了多項國家科研專案，自行設計了一條適用於半固態材料製備的試驗線和半固態高階複雜零部件生產示範線，該院透過與東風汽車公司合作，實現了汽車空壓機連桿和空調器渦輪兩種汽車零件的批次生產；重慶大學與中國嘉陵集團聯合研製成JH70型摩托車發電機鎂合金半固態支架；南昌大學利用流變壓鑄技術實現了傳統壓鑄鋁合金如ADC10的壓鑄工藝[10]；珠海市潤星泰電氣有限公司半固態殼體在4G、5G基站殼體進行產業化應用；深圳是銀寶山新科技股份有限公司半固態產品在汽車骨架接頭、電池支架等已進入批產狀態。

可見，我國的半固態技術已由先前主要處於理論研究階段逐步轉向工業化應用，但整體而言還比較薄弱，與處於世界先進地位的國家相比，還有相當大差距。

3.3 半固態壓鑄產品特徵

根據半固態漿料中液相與固相佔比不同，分為高固相半固態、低固相半固態兩種半固態固相模式。根據半固態製造工藝特點，半固態壓鑄產品具有以下特點：

a.半固態鑄件適合薄壁件成形，尺寸精度高，近淨成形，要求不高時可免機加工藝處理。半固態產品具有較好的微觀結構，加工溫度低，凝固收縮小，可以減少熱裂和偏析，便於薄壁產品成形，有利於產品輕量化。產品平面度可達0.25mm~0.3mm，表面粗糙度3.2um以下。清理工作量比常規液態壓鑄減少30%~40%。

b.半固態鑄件內部組織細密，氣密性好，鑄造缺陷少，導熱效能好。以高固相半固態漿料為例，僅50%左右液態金屬，球狀微觀組織，高粘度流體，透過平穩順序充型，促進鋁液凝固成形過程中幾乎無縮水，氣孔和熱變。

c.模具壽命長。填充到模具內半固態漿料已釋放部分結晶潛熱，比常規鋁合金液溫度下降120 ℃以上，與模具溫差較小，且填充速度低，充形平穩，減少模具的熱疲勞和沖蝕，延長模具使用壽命[11]。

d.可熱處理[12]。半固態成形產品可應用T5、T6熱處理，改善產品效能。

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一汽在半固態領域的應用

紅旗某大型純電SUV車用逆變器殼體，是一汽首款量產半固態壓鑄成形產品，該產品採用低固相半固態壓鑄技術和高壓點冷技術，實現產品提質降重。同時依託科研專案對該殼體方案採用普通高壓壓鑄技術 (ADC12)和採用半固態壓鑄成形技術（AlSi9Cu4）分別成型，對兩種技術方案從輕量化、鑄造缺陷、金相組織、導熱率及力學效能等多個維度進行分析對比。

圖1 普通高圧鑄造逆變器殼體

圖2 低固相半固態逆變器殼體

普通高壓鑄造方案逆變器殼體均勻壁厚約3mm，殼體重1.96kg；低固相半固態壓鑄方案逆變器殼體均勻壁厚約2.5mm，殼體重1.56kg。利用半固態壓鑄成形技術適合薄壁件成形特點進行結構最佳化設計，逆變器殼體降重超過20%，輕量化效果明顯。

分別對普通高壓壓鑄技術方案和半固態壓鑄成形技術方案殼體逆變器殼體相同部位進行剖切取樣，進行鑄造缺陷檢驗，結果如下：

圖3 普通高圧鑄造 孔隙率15.39%

圖3 普通高圧鑄造 孔隙率15.39%

透過取樣金相檢視對比，普通高圧鑄造最大單孔 直徑0.62mm，孔隙率15.39%；低固相半固態最大單孔直徑0.31mm，孔隙率10.39%。低固相半固態樣件缺陷明顯少於普通高圧鑄造樣件。由於單孔直徑及孔隙率降低，低固相半固態產品的氣密效能，有所提升，螺紋攻絲缺陷率降低，產品廢品率降低。

普通高壓壓鑄和半固態壓鑄成形放大100倍金相組織圖如下：

圖5 普通高圧鑄造 100X

圖6 低固相半固態 100X

透過取樣金相組織放大圖發現，普通高壓鑄造平均晶粒尺寸47μm，形狀因子0.41，金相組織存在大量枝晶組織且組織較為粗大；低固相半固態鑄造平均晶粒尺寸31μm，形狀因子0.81，金相組織多為球墨狀結構，該結構具有較好的流動效能，使得成形產品具有較小的內應力和較高的尺寸精度。

另外取普通高壓鑄造樣件和低固相半固態鑄造樣件進行導熱率和力學效能測試。

導熱率測試，儀器選用導熱測試儀 LFA427，依據測試標準ASTM E 1461，測試溫度25℃。測得普通高壓鑄造樣件導熱係數118W/m.K；低固相半固態鑄造樣件導熱係數130.45W/m.K，比普通高壓鑄造樣件導熱係數提高10.55%。

力學效能測試，測得普通高壓鑄造樣件抗拉強度271.132MPa，屈服強度161.186MPa；低固相半固態鑄造樣件抗拉強度333.936MPa，屈服強度209.144MPa，抗拉強度和屈服強度比普通高壓鑄造樣件分別高23.1%和29.7%。

透過實驗對比可見，半固態壓鑄成形產品比普通高壓壓鑄產品在輕量化、鑄造缺陷、氣密效能、導熱能力、內應力及力學效能方面具有更大的優勢，半固態壓鑄成形技術可以在一定程度上滿足汽車行業對高階零部件的要求，同時有助於實現汽車輕量化發展目標。

結束語

半固態壓鑄成形技術具有薄壁件成形，近淨成形，組織效能優良，模具壽命長等特點，是汽車實現輕量化有效手段之一。透過半固態壓鑄成形技術實現汽車輕量化工作，可從2個方面入手，首先，將原鋼鐵等重質結構件替換成滿足效能需求的半固態產品件；其次，利用易於薄壁成形及效能優良特點進行最佳化結構設計。

透過對半固態製造工藝的研究和推廣應用，能夠在一定程度緩解汽車行業對高階零部件的需求。但由於半固態壓鑄成形技術是新興製造工藝，實現規模化量產企業和產品較少，缺乏行業、國家相關標準，尤其是檢測標準體系不健全，還需加大半固態工程化研究力度，進一步完善半固態材料、產品開發、工藝及檢測相關標準體系。

參考文獻

[1] 《汽車產業中長期發展規劃》

[2] 《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》

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