稳慎徐图——关于一体化压铸的思考

经历了长达一个世纪的发展，目前超过半数铝合金铸件系采用压铸工艺制造。20世纪90年代，对压铸件同时保持良好的强度和韧性的需求不断升高，高强韧铝合金的压铸逐渐成为热点。相比传统压铸，一方面采用高真空的压铸工艺以减少气孔缺陷；另一方面则采用高强韧压铸铝合金材料，以获得优异的综合力学性能。典型案例如奥迪A8的全铝车身框架，其车身关键接头部位，为保障碰撞安全，均采用这种铝合金压铸件，用铆钉连接。

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一体化压铸横空出世

近年来，随着车身设计不断集成与简化，未来整体车身制造与底盘制造，将朝向高度一体化集成的方向发展。一体化压铸作为实现集成的基础与核心技术，应运而生，且景气高增。

一体化压铸的表意特征指采用特大吨位压铸机，将多个单独、分散的零部件高度集成，压铸一次成型为几个大型铝铸件，从而替代多个零部件先冲压再焊接或铆接组合的方式。

当今世界，特斯拉正引领并推进车身制造的集成变革。2020年9月22日，特斯拉一体压铸正式揭开面纱，马斯克表示Model Y的后下车体将由大型压铸设备一体压铸成型，不再由70多个冲压件、铸造件通过焊接、铆接而成。据报道，采用一体压铸技术后，Model Y后下车体总成的重量将降低30%，制造成本降低40%，制造时间由1～2小时革命性地缩短为约140 s。其终极目标则是通过一体化压铸，将整个车辆的结构简化为四个部分：前舱一体化压铸总成；乘员舱结构压铸总成；一体化电池结构压铸总成；后底板一体化压铸总成。

一体压铸震动了整个汽车制造业和压铸企业，传统跨国车企如奔驰、沃尔沃等，已经确定跟进。国内造车新老势力和一些压铸相关企业，也在积极谋划，大手笔购进或制造相应设备，跃跃欲试。很多非专业人士也在网上热心宣传一体化压铸带来的成本控制和效率革命有多么惊人，溢美之词令人不得不心动与向往。大多谈的是优势，如轻量化、集成化、产业链精简、开发高效等。

笔者不想对此赘述与置评，作为粗通压铸虽已退休但依然对压铸颇有感情的科技人员，还是希望从压铸专业的角度，谈一点个人的思考与看法。畸轻畸重，恳请同仁们批评指正。

当今科技革命迅猛发展，新产品日新月异，产业升级、材料换代步伐加快，结构功能一体化、功能材料智能化趋势明显，低碳、绿色、可再生循环等环境友好特性倍受关注。一体化压铸正是顺应时势的必然产物。然而如何审时度势，因势利导，最需要冷静学习与思考，稳慎权衡，谋远徐图，才能做出理性、正确的决策。

笔者认为，一体化压铸的优点和至少目前令业界担心的先天不足都很明显，而我们自己手中究竟握有几张可制胜的王牌？一旦上马，被套牢，又有多少问题受人钳制甚至宰割？殷鉴不远，故在此尽可能将自己能想到的问题摆出来供同仁们参考。

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盛景之下的科学技术问题思考

20世纪90年代后期，国际上半固态压铸技术风生水起，当时笔者的几名硕士和一名博士的研究课题即与此关联，于是笔者发表了一篇综述“半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前景”，主要罗列和分析半固态工艺的优点，鼓励有远见的企业家及早布局。一晃二十几年过去了，中国的压铸业迅猛发展，但半固态压铸技术的进步却比较迟缓，原因可能是多方面的，其中舆论导向是否用力过猛？若此，笔者是有愧的。当一体化压铸的浪潮到来之时，还是尽可能多讨论些科学技术问题，多挑点毛病，知不足而后勇，这样来得踏实。

（1）宏观上需要清醒地看到，一体压铸不是压铸的根本变革，它有特定的产品指向和需求背景，仅仅是车身零部件众多设计方案中的一种。笔者认为，其最大优势可能偏向于产业链的缩短。铸造的先天优势原本就是可以实现任意形状特征的设计，是现有实现经济量产规模的其他制造工艺无法匹敌的。因此，零部件做到一体化不是神话，然而一旦集成化压铸，工艺技术难点必然迅速增多，全流程品控与稳定将具有较高的技术壁垒，这是必须要面对的。

（2）对压铸机的锁模力、模板尺寸、压射量、压射压力以及速度控制等均需要有更高的要求，具有很高的技术难度。

（3）传统压铸工艺中，要用到热处理等工序来提高零部件的力学性能、耐腐蚀性能等，但加热冷却过程中产生的热胀冷缩效应，势必带来零部件的形变误差。对于一体化的大体积部件，若采用传统铝合金，必将进一步放大变形风险，关键是要自主开发出新型高强韧、免热处理且铸造工艺性能优良的铝合金材料，手中有料，心里不慌。否则，一体化压铸就是无米之炊、无本之木、无源之水。

（4）一体化压铸需要成熟的超高真空压铸工艺。高真空压铸是指压力介于50～100 mbar，超高真空压铸则指压力低于50 mbar。一体化压铸要求压铸环境为30 mbar以下的超高真空，需要有至少比普通匹配要求两倍以上能力的真空机。此关键货源在哪里？

（5）清洁铝液供汤系统的精准把控是一体化压铸效率与品质保证的又一关键。精准的定量和清洁的铝液是保证超大型一体化压铸件成功的前端保障。在最短时间内完成规定重量净化铝液的供给不是轻而易举就能克服的小障碍。

（6）一体压铸车身零部件尺寸大，自动化去飞边难度高。比如后底盘总成零件产品正面、底面、两侧面均有去飞边的区域，去飞边部位多，加工尺寸范围大，传统的机器人去飞边方案无法应对。同时，产品设计若为薄壁结构件，尺寸跨度大，变形量更大，当变形量超过5 mm，就很难实现自动化去飞边。

（7）为了保证大规模生产过程中的高良品率﹑铸件一致性与稳定性，必须精准控制铝液的充型温度、压铸速度和压力，维持模具温度场的稳定，避免凝固过程中发生变形等缺陷。此工艺管控在传统压铸中都是很难且需要不断调整处理的问题。面对一体化压铸，若没有严格的工艺规章和深度的经验累积，没有有深度的传输机理基础性研究，是做不到的。

（8）一体化压铸汽车结构件，需选用低Fe含量的压铸铝合金，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，模具寿命明显比传统压铸短，将导致制造成本偏高。特别是大型化铸件对模具的挑战越来越大。同时，由于铝合金中的铁元素几乎无法去除，低Fe含量的压铸合金必须采用电解铝锭配制，原材料的成本﹑能耗和碳排放，明显比传统压铸件偏高。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，才能有利于控制成本，推动再生铝合金的循环应用，形成行业内部铝合金资源自循环，减少外部资源重复投入，降低铝合金材料获取阶段的碳排放。围绕一体化压铸，如何实现材料全生命周期绿色化和资源能源的高效利用，同样是不能回避的现实问题。

（9）一体化压铸件的设计需要更多地顾及非均衡凝固带来的性能差异，而目前有关多件组合设计，对材料的选择﹑强度与厚度要求，均有足够的设计优化空间，可以实现重量、成本、性能的平衡优化。但一体化压铸件则很难做到，可能的做法是放大设计冗余，加大安全系数，而铸件的结构一旦需要调整，则牵一发而动全身，设计变更成本会很高。

运用计算材料科学，建立成分-工艺-组织-性能间的定量关系，计算出理想条件下铸件的部分力学性能，结合现有的铸造仿真分析软件，针对模拟凝固冷却后的组织及缺陷（如晶粒大小、枝晶、成分分布、夹杂、偏析、气孔、缩松等），计算出铸件的力学性能，用以支持目前产品设计的CAE仿真分析。核心还是需要软件能开发出这样的计算功能，并具有足够的精度。技术储备能否满足？这是必须直面的挑战。

（10）尽管一体化压铸降低成本的想象空间很大，但笔者认为，就单件成本来讲，若将铸件设计研发、模具寿命、合格率、设备投入等通盘测算，目前的大型一体化铸件并不一定具备成本优势。随着设计水平、材料铸造性能、压铸装备、工艺水平的提升，一体化压铸的优势方能真正凸显。企业家是否有足够的信心和实力去填补现实与愿景间的差价？

（11）大铸件售后维修的成本不容小觑。特斯拉选择后地板作为推出大铸件的切入点，应有对售后维修问题的明智考量，毕竟后端维修特别是大修的几率相对要小很多。若一体化压铸件局部损坏需要维修，为了避免整体更换，必须未雨绸缪，研发经济节能的解决办法，如3D打印、CMT冷金属过渡焊接等。好的工业产品，不会是一锤子买卖，考虑得越周全，就越有生命力。

（12）由于大型一体化铸件的热处理变形问题，后续整形难度以及报废率将大幅提升。目前普遍采用真空压铸+热处理工艺，性能基本可以达到屈服强度120 MPa，抗拉强度200 MPa，伸长率10%以上（铸件本体取样）。热处理除了可以优化材料性能，还可以改善压铸时非平衡凝固过程引起的内应力、组织及成分分布的不均匀。传统AlSi10MnMg合金的热处理过程常常会导致压铸件出现变形与表面起泡等问题。

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免热处理压铸高强韧铝合金的研究与应用

随着一体压铸技术概念的提出与应用落地，新型免热处理压铸铝合金的研究与应用逐渐成为热点，主要集中在Al-Si系和Al-Mg系两大类。这两类铝合金本身普遍具备中等强度与韧性，新型压铸合金的开发要求提升其强度和（或）韧性，兼有良好的流动性和铸造性能。可能笔者退休后孤陋寡闻，对此自认没有多少底气，但总不能靠买他国的专利（何况也未必成熟）来壮胆，关键是知己知彼，创新自强。

3.1 Al-Si系

目前了解的一些用于免热处理压铸结构件的Al-Si系合金有：

Castasil 37合金，AlSi9MnMoZr，（莱茵菲尔德公司开发）；

Aural 6合金，375.0，（麦格纳公司开发，类似Castasil 37）；

C611 合金（美铝公司开发）；

Aural 5 合金，374，（麦格纳公司开发，类似C611）。

特斯拉在其Model Y车型上一体化压铸后部下车身所使用的专利新型铝合金材料也是Al-Si系，其铸态屈服强度和极限尖冷弯角分别大于135 MPa 和24 °，以满足铸件的性能要求，同时还要求合金具有极好的流动性能。通过控制Cu/Mg质量分数比以利于析出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，同时也能够容忍较高的Fe杂质含量。

总体上看，与热处理用压铸合金相比，其Mg含量均明显降低，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等元素对共晶硅进行变质处理等。

3.2 Al-Mg系

关于Al-Mg系免热处理新型压铸合金主要可以细分为Al-Mg-Mn、Al-Mg-Si-Mn、Al-Mg-Fe、Al-Mg-Mn-Cu等几种类型，部分元素含量未披露。主要有：

美铝公司早期开发的C446F合金，即560，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。

为改善热裂性能，美铝在C446F合金基础上开发出A152（低Mg）/A153(高Mg)合金，添加了适当比例Si元素，以显著缩短合金的凝固温度范围，从而明显降低热裂敏感性。系采用计算材料的方法，通过计算不同成分合金的热裂敏感系数对比优化，并通过热裂倾向指数进行试验验证，其中A152屈服强度150 MPa，抗拉强度265 MPa，断后伸长率11%，A153屈服强度170 MPa，抗拉强度280 MPa，断后伸长率9%。

Magsimal59合金，即AlMg5Si2Mn(莱茵菲尔德公司开发),因较难铸造，在北美及国内应用较少。

特别值得一提的是上海交通大学开发的SJTU-Al-Mg-Si-Mn合金，该合金在增加Mg、Si元素含量并调控相对比例的同时，添加了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，获得了屈服强度＞180 MPa，伸长率＞10%的力学性能。类似地，SJTU-Al-Mg-Cu-Mn合金则引入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，伸长率＞8%的高强高韧的综合力学性能。笔者对其用于一体化压铸充满期待。

Castaduct 42即AlMg4Fe2（莱茵菲尔德公司开发）合金是新型Al-Mg-Fe成分体系，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。其化学成分与车身冲压结构件常用的5XXX系变形铝合金有极高的相似性，例如5182（AlMg4.5Mn0.4）合金。与C446F亦具有很高的相似性，即高Mn或Fe，低Si的成分特征，因此其铸造性能仍待验证。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。

帅翼驰是国内率先布局免热处理铝合金车身结构件的企业。2020年，该公司获得美铝EZCAST系列高强韧铸造铝合金在国内的独家代理权，还引进了VersaCast、SupraCast、EverCast、Colorkast等多项铝合金专利技术。

一旦免去热处理工艺，直接在铸态下获得理想的组织和性能，就需要对材料成分设计及压铸工艺控制非常小心。因为铸件性能对材料成分和压铸工艺的波动都很敏感，尤其是伸长率。

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一体化压铸发展的主要瓶颈

不难看出，材料是新兴一体化压铸的关键基础，也是一体化压铸发展的主要瓶颈。一代材料一代产业，人们一直梦想可以面向实际需求进行材料设计，实现从依赖于经验的传统“炒菜式”试错型摸索，向有理论依据的、可计算预测的科学设计转变。但是材料的组分-结构-性能之间的关系不是线性的，而是复杂多变的，直接面对的挑战就是如何面对众多的已知信息，探索这些关系模式。目前，还没有一种理论或实验能够全面、准确获取所有的必需信息。

4.1 材料研发

材料基因工程是材料研发的最新理念，目标在于变革材料研发模式，实现按需设计，快速低耗创新发展新材料，将从根本上改变材料科学领域的研发模式。相较于传统的单个样品“试错法”而言，这是材料科学领域的一场革命。在计算机科学和信息技术辅助下，材料科学和工程领域的进步可以加速实现这些目标，再辅以集成计算材料工程(ICME)方法，可以互利共赢，加速新合金、多材料设计和新型加工技术的发展。

自2011年6月美国启动“材料基因组计划”后，欧盟、日本等国迅速启动了类似研究计划。日本先后启动了“元素战略研究（2007年）”“元素战略研究基地（2012年）”“创新实验室构筑支援事业之信息统合型物质材料开发（2015年）”等计划，融合了物质材料科学和数据科学的新型材料开发方法，进行庞大的数据库积累和大数据解析。欧盟以高性能合金材料需求为牵引，于2011年启动了第7框架“加速冶金学”（ACCMET）项目。组织了政府机构、大学、仪器设备装置商、材料需求企业等几十家单位的参与，旨在将合金配方研发周期，由传统冶金学方法所需的5～6年缩短至1年以内。2012年，欧洲科学基金会又推出总投资超过20亿欧元的“2012-2022欧洲冶金复兴计划”，将高通量合成与组合筛选技术列为其重要内容，以加速发现与应用高性能合金及新一代其他材料。

4.2 模拟仿真

在模拟仿真领域，已开发出了诸如Autodesk Simulation Network、CAE等优秀的仿真优化与设计工艺软件和平台；在辅助材料设计方面，开发出了诸如AFLOW、USPEX、ATAT等用于高通量计算、晶体结构预测，以及热力学相图计算的软件或平台。而某些关键技术仍存在瓶颈，如计算软件主要依赖进口，在源头上制约了我国新材料的创新发展。一些世界知名材料企业正纷纷结成战略伙伴，通过并购、重组及产业生态圈构建，整体上把控着全球新材料产业的优势格局。比如，世界新材料主要生产商美国铝业、杜邦、拜耳、GE塑料、陶氏化学、日本帝人、日本TORAY、韩国LG等大型跨国公司，加速对全球新材料产业的垄断，并在高技术含量、高附加值的新材料产品市场中保持主导地位。可见工业升级战略，产业博弈已进入新时代。如果盲目推高一体化压铸，会不会掉入美丽的陷阱？笔者不得而知。常说知人者智，自知者明，自强者胜。我们别无选择，只有冷静直面与奋进。

由德国汉特曼金属铸造公司（Handtmann）生产的一体式压铸后副车架，近期荣获了2022年欧洲最佳铝压铸奖第一名，该铸件尺寸（长宽高）：1 260 mm×670 mm×390 mm，AlSi10MnMg合金，重19 300 g。Handtmann的一体式后副车架（TOP-HAT）是压铸创新的最新进展，其特点是最大限度的功能集成、高性能和较低的制造成本。通过一体式压铸，证明了铝合金整体压铸可实现以性能为导向的成本效益。新的一体式后副车架以其创新的概念和简易装配步骤令客户信服。在不同模拟软件支持下，在铸造工艺和模具设计中，使用特殊的模具技术，重点对安装空间研究、各种操作强度分析和计算、拓扑结构优化、应力和变形计算、嵌入物的定心和固定方案开发，以及考虑了热膨胀和收缩。采用一体化的压铸设计，避免了复杂的装配步骤（如焊接工艺），不同的零件/部件可以取消。机加工可以在一次装夹中进行。由于采用了插入技术，在保持部件性能不变或更高的情况下实现了减重。在拓扑优化的数据模型基础上，汉特曼公司在铸造实验中制作了原型，并创建了一个具有集成插入概念的压铸模具。从最初的设计开发到试验台运行，再到批量生产，所有过程及其控制都由汉特曼金属铸造厂负责实施和记录。产品获奖的原因是高度功能集成和拓扑优化设计与集成插件相结合，满足了强度和刚度方面的所有要求。荣誉背后是一系列艰苦细致的努力和高水准科研的支撑。

总之，笔者认为，从工业量产角度讲，一体化压铸尚有很多前期工作要做，不可能一蹴而就。需要产品设计、材料、模具、铸造工艺、铸件生产、压铸机等相关各方的科学研究﹑技术进步与密切配合﹑相互补位。务实不虚，忌巧崇拙，稳慎徐图。

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结束语

中国压铸要走向价值链上游，不光要占据产能成本优势，还要打破西方习惯的“国际分工秩序”。从学习模仿，制造创新，到原始创新，有规模/市场/应用生态支持的中国压铸业，必然要走向升级之路。在创新科技方面赶上西方还需要时间，但让西方害怕的是我国的升级潜力和难以阻挡的经济规律。

马克思说，“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望到达光辉的顶点。”爱因斯坦也说，“我不能容忍这样的科学家，他拿出一块木板，寻找最薄的地方，然后在容易钻透的地方钻许多孔。”

静不下心、稳不住神，剑走偏锋，想一口吃个大胖子，这是科研创新的大敌。过度、过急的成果评价，也不利于营造风清气正的创新环境。一体化压铸是个系统工程，背后是基础研究的创新积累，需要沉下心来，慢慢培育，消除“急功”，静待花开。

微信审核：柳建国

微信编辑：蔡文娟

来源：中华压铸网