汽车结构件用非热处理压铸铝合金研究进展

发布时间:2023-03-13

作者:《汽车工艺与材料》、汽车轻量化技术创新战略联盟

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前言

铝合金压铸件的商业化应用最早可以追溯到1915年,经历长达一个世纪的发展,目前超过半数的铝合金铸件均采用压铸工艺,其中车身结构件用的高强韧铝合金压铸件的发展始于1990年代,典型的案例为奥迪A8的全铝车身框架,其在车身的关键接头部位均应用了铝合金压铸件,这类车身结构件通常属于碰撞安全件,采用铆钉连接,需要压铸件在保持良好的强度的同时具备良好的韧性,因此相比传统压铸件,此类压铸件一方面采用高真空的压铸工艺来减少压铸件的气孔缺陷,另一方面则采用高强韧的压铸铝合金,来获得优异的综合力学性能。

长期以来,广泛应用的车身真空压铸结构件用压铸铝合金均是AlSi10MnMg合金,在UNE EN1706:2020 Aluminum and aluminum alloys-Castings-Chem⁃ical composition and mechanical properties 标准中的化学成分见表 1。

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然而随着新能源汽车的快速发展,汽车结构件正迅速朝着集成化、轻量化、高效率的设计与制造方向发展,例如一体热冲压门环,一体压铸车身,一体压铸副车架等。对于汽车真空压铸结构件,AlSi10MnMg合金的热处理过程会导致压铸件出现变形与表面起泡的问题,特别是随着压铸件的不断大型化,后续整形难度以及报废率将大幅提升。因此,非热处理压铸铝合金材料一方面可以直接在铸态下使用规避上述问题,另一方面还可以降低零件制造成本,近年来其开发与应用逐渐成为研究热点。目前汽车结构件非热处理压铸铝合金的研究主要集中在Al-Si系和Al-Mg系两大类,本研究重点介绍此两类压铸合金的研究进展。

01

Al-Si系非热处理压铸合金


表2列举了一些用于非热处理压铸结构件的合金名称及其化学成分。从 Si 含量来看可以分为高硅含量和低硅含量两大类,相比于热处理用压铸合金其 Mg 含量明显降低,甚至要求不含Mg。除此之外,此类合金仍具备高强韧性压铸合金的共性特征,即低的Fe含量,高的Mn含量,添加Sr元素对共晶硅进行变质处理等。

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Castasil 37合金,即AlSi9MnMoZr,是莱茵菲尔德公司开发的一款非热处理压铸合金。该合金不含Mg,因此不具备时效硬化效应,同时增加了Mo和Zr来进行弥散强化。该合金Si含量与AlSi10MnMg合金接近,因此收缩率也基本一致,合金中Mg含量不同时,对铸件材料的屈服强度和断后伸长率会有一定的影响,因此生产中应注意控制Mg含量,该合金的力学性能和不同Mg含量的影响如表3所示。然而基于莱茵菲尔德公司的研究,提高Mg元素的含量会影响铸件铸态下力学性能的热稳定性,表现为在一定温度环境下服役过程中屈服强度会逐渐增加,因此Castasil 37将Mg元素含量上限定义为0.06%。

Aural 6合金,即375.0,是麦格纳公司开发的一款非热处理压铸合金。该合金的化学成分与上述Castasil37十分相似,但是该合金不添加Mo和Zr,而是含有少量的Mg来获得一定的强化效果。因此,结合前文Mg元素含量对Castasil 37性能影响的分析,该合金铸件力学性能的热稳定性也应该予以关注。

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C611 合金是美铝公司开发的一款非热处理压铸合金。该合金的Si含量相对较低,这是因为固溶热处理可以改善共晶硅的形貌,通常可以容许更高的Si含量来获得良好的强韧性,然而铸造态下超过8%的Si不能够进一步提升铸件的强度,但是断后伸长率会有所下降,因此非热处理合金采用偏低的Si含量是更合适的。该合金含有一定的Mg元素,这意味着该合金并非严格意义上的非热处理材料,对该合金铸件进行T5热处理或者进行T85(涂装烘烤处理)可以进一步提升屈服强度,如表4中所示。

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Aural 5 合金,即 374,是麦格纳公司开发的一款非热处理压铸合金。该合金与上文的C611基本一致,Randolf Scott Beals 在专利中详细阐述研究了该合金的设计思路及力学性能,并与 C611 合金进行了细致的对比,相比热处理用压铸合金 Aural2,该合金取消固溶、整形、时效过程,可以实现制造成本的降低。该合金在铸造后和涂装烘烤前良好的塑性与自然时效稳定性可以满足车身结构件的 SPR 连接要求,见表 4 中所示。同时该合金与C611类似,涂装烘烤后强度会进一步提升,此外还可以满足 205 ℃下 1 h 的短周期热稳定性以及150 ℃下1 000 h的长周期热稳定性要求。

特斯拉在其 Model Y 车型上首次使用 6000t大型压铸单元制造铝合金一体化压铸后部下车身,该零件的高度集成化创新设计对于非热处理压铸合金也提出了更高的要求。Stucki Jason 在专利中介绍了新型合金的开发过程,首先是对材料强韧性的要求,目标合金在铸造态的屈服强度和极限尖冷弯角应分别大于135 MPa 和24°以满足铸件的性能要求,同时由于铸件的尺寸巨大,还要求合金具有极好的流动性能。研究发现,在压铸条件下,Si含量在6%以上时,继续增加Si含量并不会明显改善流动性,反而会引起共晶硅相含量增加从而影响合金的韧性,因此该合金控制 Si 含量同时满足流动性和韧性的要求。通常情况下,添加Cu元素可以提升强度,但是降低塑韧性,该合金通过控制 Cu/Mg 比例以利于析出 AlCuMgSi 相取代Mg2Si 和 Al2Cu 相来实现强度提升的同时不会引起塑韧性的明显下降。此外,该合金中添加了 Sr元素对 Si 相进行变质处理,添加 V 元素析出球状的AlFeSi(Mn+V)相,减少了片状的富铁相,均有利于材料韧性的提升,同时也能够容忍更高的 Fe 杂质含量。

02

Al-Mg系非热处理压铸合金


表5中列举了一些 Al-Mg 系非热处理压铸合金的化学成分,其中部分新型压铸合金的部分元素含量未披露,表格中对应位置的元素含量为空白。可以看出主要可以细分为 Al-Mg-Mn、AlMg-Si-Mn、Al-Mg-Fe、Al-Mg-Mn-Cu等几种类型。

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C446F合金,即560,是美铝公司早期开发的一种非热处理 Al-Mg 系压铸合金。该合金曾用于日产 GT-R 的车门内板,零件壁厚约 2~3 mm,实现单个车门减重5.5 kg。该合金具有非常优异的力学性能,然而由于其凝固温度范围太宽,导致压铸过程中的热裂倾向非常高,因此对于复杂零件,特别是料厚变化较为明显的零部件来说,不是一个很好的选择。图1a 所示为采用 JmatPro 软件计算的Al-3.6Mg-1.2Mn-0.12Fe 合金冷却过程中液相的含量变化,其中液相线温度 642.93 ℃,固相线温度450 ℃,凝固温度范围达193 ℃。A152/A153 合金,是美铝在上述 C446F 合金的基础上为改善热裂性能而开发的新型压铸合金。通过在该合金中添加适当比例的 Si 元素,可以显著缩短合金的凝固温度范围,如图1b中所示,添加1.3%的 Si 凝固温度范围缩小至 43 ℃,从而明显降低热裂敏感性。Yan采用计算材料的方法进行该合金的开发,通过计算不同成分合金的热裂敏感系数来对比优化,并通过热裂倾向指数来进行试验验证,结果发现对于 Al-3.6Mg-1.2Mn-0.12Fe 合金来说,Si 含量为 1.2%~1.6%时可以显著改善热裂问题,如图 2 中所示。该合金分为低 Mg 的 A152 合金和高 Mg 的 A153 合金两个牌号,其中 A152 可以实现屈服强度150 MPa和,抗拉强度265 MPa,断后伸长率 11%的力学性能,A153 可以实现屈服强度170 MPa 和,抗拉强度 280 MPa,断后伸长率 9%的力学性能。

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Magsimal59合金,即AlMg5Si2Mn,是莱茵菲尔德公司开发的一种非热处理压铸合金。Si元素的添加除了上文提到的可以改善合金的热裂性能外,还可以提升铸造过程中的流动性,但是 Geof⁃frey参照实际案例经验来看该合金仍较难铸造,因此在北美及中国应用较少,仅在欧洲一些压铸厂有应用。此外,由于该合金的力学性能与凝固速度,即α枝晶间距较为密切,因此壁厚对力学性能影响较大,如表6所示。

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SJTU-Al-Mg-Si-Mn 合金,是上海交通大学开发的一种非热处理压铸合金,其目的是在保持材料良好韧性的前提下提升材料屈服强度。对于 AlMg-Si-Mn合金,随着Mg含量的增加,材料的屈服强度增加,疲劳极限增加,但是延伸率下降明显。因此该合金在增加 Mg、Si 元素的含量并调控相对比例的同时,添加Ti、Zr、V合金改善组织,并引入Re/Ca 复合变质对共晶硅进行细化,获得屈服强度>180 MPa,延伸率>10%的力学性能。类似地,SJ⁃TU-Al-Mg-Cu-Mn 合金引入 Cu 元素进行强化,同时引入 Y、Er、Ce 稀土元素来细化 Al2CuMg 相,获得屈服强度>180 MPa,抗拉强度>320 MPa,延伸率>8%的高强高韧的综合力学性能。

Castaduct 42合金,即AlMg4Fe2,是莱茵菲尔德公司开发的一种新型非热处理压铸合金。与上述Al-Mg-Mn 合金不同的是,该合金是基于 Al-Fe 共晶体系开发的新型 Al-Mg-Fe 成分体系,其高的 Fe含量可以避免压铸过程中的粘模问题,但同时也导致 Si 元素成为需要严格限制的杂质元素。然而该合金与前文的 C446F 具有很高的相似性,即高Mn 或 Fe,低 Si 的成分特征,因此其铸造性能仍待验证。该合金在铸态下具有中等的强度和良好的塑韧性,可以满足零部件的铆接和碰撞安全性能要求,力学性能如表 7 所示。另外值得注意的是,该合金的化学成分与车身冲压结构件常用的5XXX 系变形铝合金具有极高的相似性,例如5182(AlMg4.5Mn0.4)合金,同时高 Fe 含量的合金成分设计可以较为容易地实现此类废铝的再生利用,减少 A00 电解铝的使用比例,从而大幅降低铝合金车身结构件的碳排放。

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03

结束语


随着汽车节能减排需求的日益严峻,铝合金真空压铸件由于其集成化、轻量化、良好的强韧性等优点,在汽车关键结构件上应用的渗透率不断提升。然而随着压铸件的集成化程度不断提高,特别是特斯拉一体成形车身技术概念提出与应用落地,传统 AlSi10MnMg 合金由于必须要热处理而难以满足需求,从而不断推进新型非热处理压铸铝合金的研究与应用,目前相关的研究和应用案例主要集中在Al-Si系和Al-Mg系两大类。对于整车企业,汽车结构件用铝合金压铸件不同于传统压铸件,制造过程中的连接工艺以及服役过程中的整车性能对压铸件铸态下的综合力学性能尤其是韧性要求较高,目前的 Al-Si 系和Al-Mg 系合金普遍具备中等的强度与韧性的特点。随着铝合金压铸结构件的集成化与轻量化设计需求的不断提升,新型压铸合金的开发应朝着提升强度和(或)韧性,同时具有良好的流动性和铸造性能的方向发展。

对于铝加工企业,汽车结构件用压铸铝合金由于其低的 Fe 含量,即使添加较高的 Mn 元素,压铸合金对于模具的侵蚀现象仍然较为严重,模具寿命相比传统压铸件显著降低,这导致汽车压铸结构件的制造成本明显偏高,特别是随着压铸件不断地大型化,对于模具的挑战越来越大。同时低 Fe 的压铸合金必须采用纯铝锭配制,原材料的成本和碳排放相比传统压铸件也明显偏高,因此,研究和开发对Fe元素容忍度更高的新型高强韧压铸合金,推动再生铝合金在汽车压铸结构件上的应用,不仅对于零部件成本控制有利,还能大幅降低原材料获取阶段的碳排放,从而显著提升产品竞争力。