汽車研發輕量化研究：汽車結構件研究現狀與發展趨勢
零排放、輕量化是全球汽車工業的發展趨勢，是節能減排的重要途徑，是21世紀世界汽車技術創新的前沿和熱點。汽車輕量化分為材質輕量化和結構輕量化，考慮成本、生產難度等因素，鋁合金和結構件壓鑄是首選材料和最優工藝。
汽車結構件是指在車身上起到主要支撐及承載作用的構件，作為車身零部件的安裝基礎，常見于橫縱梁、A(B)柱、減震塔、保險杠等部位。車身中傳統的結構件一般由鋼板沖壓、拼接而成，重量大、工藝多、效率低，若汽車結構件改用大型輕合金薄壁鑄件，一方面可有效實現輕量化;另一方面，由于結構高度集成、一體成形，從而減少了成型和連接環節，精簡工藝，降低成本。
壓力鑄造作為一種特種鑄造技術已有百年的歷史，是指在高速高壓的作用下，將液態或半液態金屬填入壓鑄模型腔，并使金屬液在一定的壓力下快速凝固成鑄件的一種精密鑄造方法。壓鑄填充壓力大、填充速度高、壓射時間極短，即高速高壓特點。壓鑄件組織致密，能夠保證所需要的強度和硬度。由于高速高壓的特征，壓力鑄造可以生產出形狀復雜、壁薄及深腔的金屬零件。在同一壓鑄廠，同一型號的零件均由同一副壓鑄模具成型，所以零件的互換性好。壓鑄工藝的以上特點，使其在提高有色金屬合金鑄件的精度水平、表面質量及生產效率等方面顯示出較大優勢。
采用壓鑄工藝生產鋁合金汽車結構件，具有尺寸精度和表面粗糙度高、強度和表面硬度較高、鑄件集成化極高、生產率極高等優勢。目前，在歐美日等發達國家，鋁合金汽車結構件的壓鑄技術已經較為成熟，而國內受多方面因素影響，汽車結構件壓鑄尚處于研發階段。本文從壓鑄鋁合金、關鍵成形工藝、熱處理工藝等幾個方面將對鋁合金汽車結構件特征、壓鑄技術難點和發展趨勢做詳細的分析。
1、鋁合金汽車結構件概要
在汽車車身中，結構件一般為承載件或受力件，如圖1所示，就其本身而言，通常具有尺寸大(500-1500mm)、壁薄(2.5mm左右)、結構復雜、可焊接等特征。由于承載件和受力件與汽車安全性密切相關，因此要求結構件有較高的屈服強度和抗拉強度的同時，還得具備良好的延伸率，結構件必須具備可熱處理性，以滿足對其機械性能的要求。
汽車結構件的特征決定了其生產工藝為真空壓鑄，一般要求壓鑄機具有大噸位和合模力、高壓射重復性(CPK大于1.66)、短的填允時間、高的壓射速度(10m/s)、合模和壓射端的穩定和牢固設計等特點。采用真空技術，利用大噸位壓鑄機高速高壓推動鋁湯完成充型，鋁水在型腔中快速凝固，獲得細晶組織和較高的表面硬度，經過熱處理，通過固溶時效強化，基本都能達到高強高韌的性能要求。
真空壓鑄工藝生產的汽車結構件，除保留了壓鑄件固有的優點外，還可以適用焊接、螺接、鉚接等多種連接方式，并可應用于要求高塑性、韌性等多種復雜的受載場合。
2、鋁合金汽車結構件壓鑄生產所面臨的問題
2.1 汽車結構件壓鑄所需鋁合金的研究
(1)壓鑄鋁合金的特點
壓鑄工藝的特殊性決定了壓鑄鋁合金的特點，壓鑄合金除了要滿足壓鑄件本身的性能要求(較高的比強度、抗蝕性能和良好的鑄造性能、加工性能和可再生性，以及優良的導電導熱性能)，還應滿足壓鑄工藝的要求：(1)在過熱度不高，甚至處于兩相區內時，應具有較好的塑性體流變性能，以便于填充復雜型腔，保證良好的鑄件表面質量，減少鑄件內縮孔;(2)線收縮率小，以免鑄件產生裂紋和變形，且提高鑄件尺寸精度;(3)兩相區范圍窄，減少鑄件中縮孔產生的可能性;(4)在高溫線具有一定強度，防止模具開模時推出鑄件產生變形或破裂;(5)與壓鑄型不發生化學反應，潤濕角較大，防止粘型和鑄件、鑄型相互合金化;(6)在液態保溫靜置時不易吸氣、氧化，以滿足壓鑄過程的長期保溫特點。
（2）壓鑄鋁合金的分類
壓鑄鋁合金種類繁多，主要分為Al-Si系、Al-Mg系、Al-Zn系。Al-Si系包括Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg等，Al-Mg系包括Al-Mg、Al-Mg-Cu等，Al-Zn系包括Al-Zn-Si、Al-Zn-Mg等。
（3）汽車結構件用新型壓鑄鋁合金的研發
目前來看，對于汽車車體結構件用壓鑄鋁合金，尚未有明確的要求和規范，S. Ji等人依照變形鋁合金的應用經驗，對汽車用高強韌壓鑄鋁合金的特點做了具體描述：
(1)適用于2-4mm壁厚的復雜結構壓鑄件的生產，且組織致密孔隙率較低;
(2)鑄態的抗拉強度可以達到300MPa和屈服強度可以達到150MPa，斷后伸長率15%;(3)耐蝕性較好;
（4） 可以通過工業上常規高溫(180℃)噴漆過程對其進行一定的強化;
(5)出于重復利用和環保角度，該合金最好也能夠用作變形鋁合金，用于汽車車體結構件的制造。
在全球汽車產業的發展驅動下，各國紛紛研究高強韌壓鑄鋁合金，如德國Alumium Rheinfelden公司開發的Silafont-36(AlSi9Mg)、Castasil-37、Magsimal-59等高強韌壓鑄鋁合金，在強度不降的前提下，把鐵含量降低到0.2%以下，從而提高合金塑性，而為了避免粘模，加入0.5-0.8%的錳元素，結合真空壓鑄技術該合金已經在工業上應用于汽車車門、減震塔等制造;矢幡茂雄研究了AC4C(與ZL101類似)合金的機加工性和熱穩定性，調整了該合金的鎂和錳含量，最終將AC4C發展為為量產用的壓鑄鋁合金;山縣裕等人研究了適合于高真空壓鑄的高硅鋁合金(DiASi1)，該合金有較高的強度和優良的耐磨性，成功用于摩托車發動機缸體的壓鑄成形。
另外，韓國專利(KR20060046361)介紹了一種汽車用高強韌壓鑄鋁合金，該合金通過加入0.05-0.3Zr、30ppmCe或5-30ppmNa，或1-30ppmCa以細化晶粒，這樣在鑄態下得到較高的韌性和膨脹性;德國專利DE19713398展示了兩種高強韌壓鑄鋁合金，它們在鑄造成型后需要局部冷塑性加工的，該合金中主要合金元素為Mn、Mg和Fe，此外還可以含有0.1-0.2%Ti、0.01-0.1%B和0.01-0.2%Be。Christian Castella研究了自強化壓鑄鋁合金，在德國牌號UNIFONT-90和UNIFONT-94的基礎上添加了不同含量的Mg，深入考察了Mg含量和冷卻速率對其機械性能和耐蝕性能，該合金可通過自然時效得到強化(可與A356-T6媲美)，這樣就避免了汽車結構件熱處理過程中的變形，同時還節省了生產成本。
總之，所有高強韌壓鑄鋁合金的Fe含量都比普通壓鑄鋁合金更低，其他雜質元素(Zn，B，Ti等)均進行嚴格控制，目的是避免合金中產生針狀的AlFeSi相，該相會惡化合金的強度、塑性及疲勞等性能，在鑄件受力狀態下還可能誘發裂紋。
2.2 汽車結構件壓鑄成形關鍵工藝
（1）模具結構及工藝優化技術
對于汽車結構件的壓鑄模具設計過程中，要注意以下幾點：①首先要正確設計澆注系統，合理選定澆注系統位置、充型方向以及各部分的尺寸，保證良好的充型順序和流態;②模具的排氣口要設置在型腔最后充填的位置，保證抽真空持續至充型結束，此外，在鑄件的重要部位、液流匯合或容易產生紊流的部位也應設置排氣口，減小這些部位產生缺陷的可能性;③應對排氣道面積進行仔細校核，真空通道面積足夠，保證排氣暢通;④模具密封性影響真空的形成，必須保證模具密封良好;⑤要仔細分析模具的熱平衡，合理設計冷卻/加熱管道，這是生產中對模具溫度進行有效控制的前提條件;⑥在模具制造之前，最好進行充型及凝固方面的模擬，由此可獲得壓鑄過程信息，有助于模具的改進。
壓鑄工藝對生產合格的汽車結構件十分重要，正確地選擇壓射模式、壓射參數等有利于減少壓鑄件中的缺陷。壓鑄件中的氣體有相當一部分來自金屬液在壓室中的預充填階段，所以應充分注意優化慢壓射階段的壓射模式，避免金屬液在壓室中卷入氣體。應正確選用脫模劑和潤滑劑，優化噴涂工藝。壓鑄機性能穩定，要有靈活的編程模式和實時控制系統，保證整個壓鑄過程合理及工藝參數偏差最小。對模具溫度應進行精確控制，通過冷卻水分配器，監控各個冷卻回路的流量及溫度，形成要求的溫度分布。良好的模具設計，恰當的壓鑄工藝，理想的充型模式，可以保證鑄件品質優良，減輕對真空度的依賴。此外，在重要部位或厚壁部位還可以使用擠壓銷，減小縮松或增加密度。使用金屬液前沿傳感器，準確知道金屬液的流程，可以優化充填模式。
（2）溫度控制技術
汽車結構件壓鑄過程中的溫度控制主要分為壓鑄單元內和壓鑄單元外(也稱島內和島外)，島外溫度控制是指鋁合金熔液溫度，島內溫度控制包括模具、壓室與沖頭、分流錐與澆口套等溫度平衡控制，島內所有用于控溫的設備和系統統稱溫控島。壓鑄溫控島示意圖和原理圖如圖2所示，通過模溫機單元連續工作控制動定模、模框和模架溫度，利用常壓冷卻裝置連續工作控制壓室、沖頭分流錐和澆口套溫度，采用高壓模冷機斷續工作控制模芯、模塊溫度，通過細芯點冷機斷續工作控制型芯銷、小鑲塊溫度。
圖2壓鑄溫控島示意圖（a）和原理圖（b）
其中，模溫機是用來調節模具溫度的平衡，可以升溫也可以降溫。模溫機利用高熱傳性的導熱媒體，以便在很短的時間內將模具內多余的熱送走。在設定好熱平衡溫度后，能自動控制其溫度在極小誤差之內，且能維持定值。利用模溫機調節模具的平衡溫度，可以預熱模具的生產溫度，優化循環時間，更好地促進產品定型，減少開機時絕大部分的次品率。
（3）真空壓鑄技術
真空壓鑄是將模具中的氣體抽出，使型腔達到較高的真空度，金屬液在接近于真空的狀態下迅速充填型腔，卷入氣體很少，使得鑄件的力學性能大大提高，真空壓鑄生產出來的鑄件可以進行焊接、熱處理等。
真空充型是結構件壓鑄重要的工藝措施，采用真空工藝應注意以下幾點：①及時啟動真空系統，沖頭封住澆料口后立即開始抽真空;②真空系統功率足夠，抽真空快速;③壓室充滿前必須達到要求的真空度，否則影響效果;④盡量延長抽真空時間，真空閥盡可能的遲閉合。
隨著科學技術的不斷進步和發展，開發高真空壓鑄技術，充分發揮壓鑄的技術和成本優勢，生產高強度、高韌性的壓鑄件來取代汽車中的一些鋼制結構件是世界各國競相研發和推廣應用的技術之一。
德國Muller-Weingarten公司和Vaw公司聯合開發出Vacural法，如圖3所示，是將熔化爐通過升液管和壓射室直接相連，抽真空時先將金屬鋁液吸入到壓射室內，接著繼續抽真空至預定真空度后在壓射成形。該方法需要專用設備，且技術受專利保護，所以價格成本高。
Alcan-BDW公司開發的MFT(Minimum Fill Time)法，如圖4所示，大致分為四個步驟：澆注→慢壓射(開始抽真空)→快壓射(結束抽真空)→壓射完畢。該方法使用普通壓鑄機，其工藝特點是采用多澆道和大面積內澆口以保證金屬鋁液在極短時間內充填型腔。該方法使用普通壓鑄機，設備門檻較低，因而普及率較高。
日本Yamaha公司開發Vacuum Golve Box法，是將整個模具裝在一個密封罩內，設備有幾個抽氣回路來抽取密封罩內模具中的空氣，確保了模具型腔中的高真空度，該方法效果好，但嚴重影響操作的便利性。
近期，瑞士Buhler公司開發的Strucral法，如圖5所示，基于通用壓鑄機和熔化設備，雙回路抽真空，慢壓射時壓室真空回路開始工作，當沖頭走過澆料口時，壓室真空回路關閉，型腔真空回路開始工作，再加上輔助工藝措施，優化壓鑄工藝和控制壓鑄過程，與通用真空壓鑄工藝接近。另外，模具分型面、沖頭、鑲塊及頂針的密封技術配合Strucral法，這樣真空壓鑄技術容易形成生產力，生產轉化方便，實際生產中獲得廣泛應用。
（4） 微量噴涂技術
噴涂是壓鑄過程中的一項重要工藝，其宗旨是保護模具表面和冷卻模具熱節，主要目的為：(a)適度冷卻：將模具表面溫度控制在180-250℃之間，使脫模劑有效粘附;防止模具表面溫度影響壓鑄件的機械強度(退火效應);防止壓鑄件因模具表面溫度分別不均產生裂紋和塑性形變;減少模具溫差應力，延長模具壽命。(b)潤滑：使金屬液充分填充，改善填充時的液流;防止壓鑄機粘膜，拉模，刮傷和表面磨損;較小摩擦，減少模具表面磨損;隔離鑄件和模具，使順利脫模;防止涂料堆積。(c)除雜：除去殘留金屬屑;除去殘留水分，減少氣孔;除去多余涂料，防止堆積。
然而，脫模劑或潤滑劑可產生氣體進入鑄件，增加鑄件中的含氣量。在采用真空工藝時，脫模劑或潤滑劑的揮發則是鑄件中氣體的重要來源。首先在選用脫模劑或潤滑劑時，要經過驗證，選用發氣性低和揮發性好的產品;其次，要選用先進的噴涂設備，具備高動態特性，噴涂參數可調;另外，盡可能減少噴涂量，保證快速噴涂和精確噴涂。
在結構件壓鑄生產中，要對噴涂時間、噴涂角度和范圍、噴吹距離等因素進行優化，在型腔中不可有殘留水分，使進入鑄件的氣體最少。這就促使了微量噴涂技術的出現和發展。
微量噴涂技術：通過定量機構，將定量定體積的脫模劑噴涂在模具表面，同時實現精細霧化，有效成膜，實現有效脫模，保護產品成型。其優點：縮短噴涂時間;延長模具壽命;模具無水分殘留;無廢水處理需求;對水、氣壓力要求低。
微量噴涂技術的應用避免了目前的脫模劑使用量較大、產生粉塵及水污染問題，減少生產節拍時間、提高生產效率，提高產品合格率。
（5）計算模擬技術
壓鑄過程的仿真包括鑄件充型數值模擬、凝固數值模擬、微觀組織數值模擬、熱應力數值模擬機、壓鑄缺陷預測等。經過國內外學者多年的不斷努力，壓鑄成形數值模擬技術不斷向廣度、深度發展，已成為當今國際公認的材料及制作科學的重要前沿領域，正朝著高功能、高效率、高保真的模擬仿真方向發展，大體趨勢如下：
(a)模擬尺度由宏觀模擬走向微觀模擬;
(b)考慮多物理場和多尺度模擬的整體優化設計，模擬功能已從單一的溫度場、應力/應變場、流場、組織場模擬逐步進入耦合集成階段;
(c)結合并行與敏捷化工程以及虛擬制造技術，成為網絡化的異地設計與制造的重要內容。
2.3 汽車結構件的熱處理工藝
為了提高壓鑄件機械性能、改善加工性能、消除晶內偏析和內應力，選用某一熱處理規范，控制加熱速度升到某一相應溫度下保溫一定時間以一定得速度冷卻，改變其合金的組織，最終提高機械、耐蝕等綜合性能，且獲得尺寸的穩定性。
壓鑄鋁合金由于其內部含有大量氣孔，導致其一般壓鑄態不能進行熱處理，而熱處理優勢最簡單、最方便提高鑄件性能的途徑。相關壓鑄熱處理的研究表明，每100g鋁壓鑄件含氣量為1-3ml(一般壓鑄件的含氣量約為10-50ml/100g)，就可以對壓鑄件進行高溫熱處理或焊接加工工序，壓鑄件表面無起泡缺陷，且尺寸穩定。
利用真空壓鑄技術，氣泡在熱處理過程中引起的氣泡缺陷問題完全可以得到控制。汽車結構件熱處理中面臨最大問題是變形，由于汽車結構件通常壁厚只有2-4mm，且尺寸較大，在壓鑄成形過程中因激冷、鑄件本身結構特點和壁厚不均而阻礙收縮會產生的很大內應力，內應力在熱處理過程中得到釋放，汽車結構件發生較大變形。
解決汽車結構件熱處理變形問題，可以從兩方面入手。其一，借助數值模擬技術，結合實際生產，對壓鑄模具和壓鑄工藝進行系統的設計優化，合理布局充型順序，使結構件整體實現順序凝固，開模取件時，模具和鑄件溫度場均勻，這是從源頭解決熱處理變形問題;其二，使用帶夾具的熱處理料框，如圖6所示，使結構件固定，阻止其變形，相對而言，這屬于補救措施。另外，料框結構應做到輕量化、柔性化，整體結構在保證對工件提供足夠支撐的前提下，盡量簡易化，以降低料框重量，做到節能減排;料框內部支撐與固定部分采用柔性設計、易更換，多產品、多規格可共用，減少料筐投資和場地占用。
3、結束語
（1） 利用計算機模擬技術對鋁合金汽車結構件的壓鑄進行模擬仿真是必經之路，從合金設計、相圖分析到澆排系統、模流分析、熱應力計算，再到熱處理、機加，設計到的所有工藝參數都要通過數值模擬和理論分析，并結合生產實際，進行嚴格控制。
（2） 采用模具結構優化技術、溫度控制技術、真空壓鑄技術、微量噴涂技術等，并不斷優化現有壓鑄工藝，合理引進先進技術，才能得到滿足使用要求的汽車結構件。
（3） 未來，汽車結構件將朝大型化、集成化、復雜化的方向發展，生產工藝更加自動化、智能化。
本文作者： 張笙輝 張曉慶 岳凱 王國平
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