铝合金一体化压铸技术壁垒

铝合金一体化压铸工艺是汽车结构件制造中重大变革技术，过去50年间，汽车车身制造工艺始终以钣金冲压后采用机器人焊接为主，一体压铸技术使汽车车身制造工艺发生重大变革，压铸机将取代焊接机器人成为新能源领域造车的核心装备。

目前一体化压铸技术壁垒主要体现在四个方面：大型压铸机，免热处理铝合金材料配方、压铸模具设计、真空压铸工艺。

1. 大型压铸机

大型压铸机行业进入门槛高，对理论、经验及制造工艺有很高的要求，同时，大型压铸机的开发周期非常长，前期投入大，造价高（1台压铸机平均需要1亿元人民币）。一体化压铸要求压铸机锁模力至少大于6000 t（传统高压压铸的锁模力通常在5000 t以下）。

2021年10月，瑞士布勒公司推出Carat840/920超大型两模板压铸机（图2），锁模力高达92000 kN，两套Carat 840压铸岛交付沃尔沃公司托斯兰达工厂，实现一体化压铸。意大利意德拉IDRA公司（力劲子公司）开发的OL6200CS压铸机，该压铸机长19.5 m、宽5.9 m、高5.32 m，大小相当于一块羽毛球场地，平台的有效尺寸长和宽2.35 m，工作台空间可以放下长宽高尺寸在2 m以内的任何零件，可以提供最大6218 t的锁模力。

根据瑞士布勒公司在2011年申请的专利，其能够将铸造模具之间形成空腔，向空腔中注入铝液，经抽真空在模腔中产生负压，能够有效消除铸造紊流产生的气孔，有助于提高压铸零件的内部致密性。

2. 免热处理高压铸造合金

免热处理合金是指通过特殊的合金配方，在完成压铸成形后，铸件无需热处理即可获得理想的力学性能，能避免在热处理（高温固溶和时效处理）过程中造成工件变形。截至2021年，国内外企业包括美国美铝、德国莱茵、特斯拉、上海交大、蔚来汽车、立中集团等都在开发推广免热处理材料，免热处理材料让一体压铸成为可能。

美国铝业公司产品为EZCAST系列C611免热处理AI-Si系压铸铝合金，由美国铝业在20世纪90年代开发成功，应用在奥迪A8的全铝车身上。帅翼驰集团与美国铝业签订独家代理协议，代理美铝高强韧免热处理铸造铝合金。

此外，德国莱茵金属公司也开发出Al-Si系和Al-Mg系免热处理高强韧合金，如Castasil-37压铸铝合金；加拿大铝业公司则开发有Aural-2和Aural-3等压铸铝合金材料。立中集团研发的LDHM-02免热处理合金材料已获得相关专利，并形成批量供货。

根据立中集团子公司申请中的最新相关专利《一种高强韧免热处理铝合金材料及制备方法》，该公司开发的铝合金材料屈服强度达130 MPa，抗拉强度达到250 MPa，伸长率大于10%，满足客户使用需求，立中集团已与文灿达成战略合作。

2021年12月，上海交大轻合金中心与华人运通高合汽车达成战略合作，全球首发Tech CastTM超大铸件用低碳铝合金，将在高合汽车后续车型上大批量采用。

免热处理合金材料成分、工艺复杂，具备较高的技术壁垒，其中合金材料成分设计是免热处理合金开发的核心技术壁垒。常用压铸铝合金为 Al-Si系、Al-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg系，主要成分配比影响合金强度、硬度等力学性能，同时影响流动性、凝固性等铸造性能。

SJTU-A-Mg-Si-Mn合金是上海交通大学开发的一种免热处理压铸合金，其目的是在保持材料良好韧性的前提下提升屈服强度。目前的Al-Si系和Al-Mg系合金普遍具备中等的强度与韧性，随着铝合金压铸结构件的集成化与轻量化需求的不断提升，新型压铸合金的开发应朝着提升屈服强度或韧性，同时具有良好的铸造流动性的方向发展。

3. 压铸模具

一体化压铸对模具强度及韧性要求更高，要求具有抗冲击韧性和回火稳定性、良好的导热和抗疲劳性、热膨胀系数小、抗高温氧化性。压铸需要高速充型与高速凝固，在压铸模温度、真空度、成形方案、工艺参数及后处理要求更高。一体压铸需要大型的模具，模具更复杂，模具设计比较困难，模具设计要设计排气和集渣系统，需要运用CAE仿真技术模拟充型过程，排气不畅会导致零件产生气孔而废品。

零件压铸后冷却时，尺寸会收缩，需要准确仿真铸件的冷却过程，在最后冷却部位设置补缩冒口，同时避免出现热孤岛，否则零件在冷却收缩过程中会产生缩孔、疏松和裂纹缺陷。模具设计厂家必须具备压铸充型模拟分析能力，一体化压铸模具国内只有几家能做，比如广州型腔、宁波臻至、深圳品成金属、北仑赛维达、象山合力等。一套模具每年可以支撑6~8万套产能，每套模具单价接近1000万元。

深圳品成金属拥有卓越的技术实力和专业的制造团队，配套的6600T模具生产线可以满足各类大型、复杂压铸件的生产需求，曾生产过最大压铸模具尺寸是4200*3500*1500mm。

4. 压铸工艺

一体化压铸实为真空压铸工艺加入高真空控制系统，需要高精度传感器控制抽真空过程。工艺流程为合模、浇注、真空开启、型腔抽真空排气、压射、开模、取件、喷涂、再次合模等。在压铸过程中，由高精度真空传感器控制真空罐、浇注排气阀和型腔排气阀，并通过参数设定来触发四个接触点：浇注真空开始、浇注真空结束、型腔真空开始和型腔真空结束。

压铸的高速充型易导致压室或型腔中的气体无法完全排出，气体卷入金属液会以气孔的形式存在于铸件中，无法焊接，降低力学性能，所以一体压铸必须配置型腔抽真空系统。压铸工艺对生产合格件十分重要，对不同的零件结构，压铸工艺参数需要长时间调试和摸索，正确的压射模式、压铸参数有利于减少铸件的缺陷，压铸中的气体大多数来自金属液在压室中的预充填阶段，需要反复优化慢压射参数，避免金属液在压铸过程中卷入气体。

对于合金熔炼和除氢处理，熔化过程中需要采用高纯电解金属配料以避免金属杂质污染；熔炼时为防止金属液氧化及偏析，需要快速熔化，熔化后需要对铝液除氢、除渣净化处理，一般通氮气或氩气除氢，除氢时间10~15 min，与AlSi10MnMg相当，保温时间不宜过长，以避免变质剂Sr烧损，熔化温度（730±10） ℃，不得超过780 ℃。浇注方式一般采用底注，避免铸件夹杂缺陷，脱模剂的喷涂时间、喷涂角度和范围、喷涂量、吹气角度及脱模剂的选型（发气量小、挥发性好）均需要验证，合模前在型腔中不可有残留水分。压铸温度700~710 ℃，比AlSi10MnMg约高20 ℃。

模具需要采用专用模温机控制模具温度，模具温度一般控制在120~180 ℃。压铸过程中要及时启动抽真空系统，冲头封住浇注口后立即开始快速抽真空，压室充满前必须达到真空度要求，尽量延长抽真空时间，真空阀尽可能延迟闭合，抽真空过程对一体化压铸零件质量至关重要，抽真空阀基本依赖进口。特斯拉最早的一体压铸合格率65%~72%，毛利率可达到30%，2022年2月铸件质量标准修改后，合格率达到80%以上。

在“双碳”目标推进下，一体化压铸技术在生产效率、降本、轻量化等方面优势明显。铝合金一体化压铸设计与制造是一项全方位集成技术，技术壁垒高，包括软件开发与运用、零部件结构设计、免热处理材料开发、压铸成形工艺、压铸单元能力和大型模具设计都需要技术创新。

尤其是模具设计与制造除了要考虑铸造材料的流动性、热平衡、模具寿命、零件成形工艺性与质量保证，还要考虑零件后续加工工艺优化等。“一体化压铸成型工艺与装备”已列入国家重点研发计划。随着新能源汽车行业的不断发展，将极大带动铝合金一体化压铸技术的发展，铝合金一体化压铸将成为新能源车企优选的制造工艺。