南方科技大学卢宏兴：半固态压铸技术在汽车轻量化上的应用

7月12日-13日，“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行，论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题，旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性，并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。

南方科技大学研究助理教授卢宏兴博士首先讲什么叫半固态金属，半固态是固相和液相混合的状态，它的温度一般在合金的固相线和液相线之间。可以分为两种情况，一种情况是固相比较多的，固相颗粒相互接触，液相位在固相颗粒之间的缝隙中间；另一种情况，液相比较多，固相颗粒均匀分布在液相中。由于特殊的微观结果，半固态金属具有一些特性。第一是，半固态金属具有较高的流动表观粘度，可以看右边的图，显示出半固态金属和液态金属流动的差异。第二是相对于液态，半固态金属的凝固收缩率比较小。第三是，相比于固态金属，半固态金属的变形抗力比较小，适用压铸机就能加工成形。

利用压铸机把半固态金属加工成形就叫半固态压铸。这个技术有什么优势呢？第一，半固态金属粘度很高，流动很平稳，充型的时候可以把型腔气体推到充型末端，在型腔末端开设排气口，就能把型腔气体排出，可以有效控制铸件气孔。第二，凝固收缩率小，可以降低缩孔发生倾向，减少铸件里边的缩孔含量。第三，可以有效减少热裂发生倾向，比如铝铜系铸造合金、7xxx系变形铝合金，热裂很严重，原来大部分采用砂芯铸造，现在就可以采用压铸成形。第四，保持了常规压铸的特点，生产效率比较高。

下边简单介绍一下它的工艺流程，工艺的前端和后端和常规压铸是一样的，在熔体除气之后到压铸成形之间加了一个环节，我们称之为半固态制浆。半固态金属的温度是在固液相线之间，自然有两种制浆方法，第一种是由固相升温到半固态温度区间，这个叫触变成形，第二种是从液态温度出发，降温，控制微观组织获得半固态浆料。这两种途径的区别显而易见，触变工艺流程长，成本高，但是目前来说产品质量也比较高，流变工艺流程短，成本低，成本大概比常规压铸多4%，缺点是产品质量参差不齐。主要原因是细分的流变技术种类很多，有应用的就有20多种，这些技术在缺陷控制方面的能力参差不齐，导致了目前市面上的流变成形产品质量也是参差不齐的。

把这个技术和其他一些常用成形技术对比一下，包括砂铸、金属铸造、压铸和锻造，这个比较不是我自己做的，是北美压铸协会给的结果。先对比产品的强度、致密度，通常锻造是最好的，半固态触变和锻造是相近的，半固态流变稍差一点，但都比常规压铸好很多。充型能力方面，常规压铸是最好的方法，几个子项目都得了最高分，半固态成形与之接近。几何工差方面，也是常规压铸和半固态比较好，锻造也不错。表面质量和生产效率方面，常规压铸比较高，半固态压铸借鉴常规压铸的设备，所以可以达到相同的水平。模具寿命方面，半固态有明显优势，通常模具失效的主要是热冲击和热疲劳，半固态压铸把模具的最高最低温度差减小了，提高了模具的热疲劳寿命。有数据表明仅仅使用10%的固相，模具寿命就可以提高一倍，效果还是比较不错的。再看一下成本，企业比较关心成本，单件成本，半固态压铸比常规压铸要高一点，毕竟工艺上多了一个环节，企业生产不光计算单件成本，还要考虑成品率等因数，半固态压铸的成品率比常规压铸要高很多，综合来看，半固态压铸，尤其流变成形，综合成本可以比常规压铸更低。把前面的表稍微总结一下，总的来说，半固态的产品质量和锻件比较接近，它的成本和常规压铸比较接近，这就给这个技术一个很不错的市场空间，当你的锻件成本很高的时候想去取代它，你可以尝试一下用半固态压铸的方法，半固态技术最初运用的场景就是想取代铝合金的锻件而不是铸件。

半固态技术的应用这个技术从80年代开始在市场上尝试应用，到现在走过了30多年，大家发现它逐渐形成两个细分的市场。第一个做高质量的铸件，以前主要是触变成形，因为触变成形的固相分数可以超过50%，可以充分发挥半固态压铸的工艺特点，在缺陷控制上可以发挥到最大。现在流变成形里边有少部分可以做到固相分数超过40%，也可以发挥半固态成形的优势，用于做高质量的铸件。这个细分市场的代表就是汽车件，对汽车件质量的控制是很好的，有很多成功案例制备出了内部完全没有缺陷的铸件。另外一个细分市场是改善常规压铸产品，代表性的应用是最近两年比较火的通讯件。低固相流变的方法比较适合做这个，因为低固相流变的成本比较低一些，技术难度也低一些，一般来说只要简单的应用就能带来几个好处，第一个是压铸件的综合性能得到提升，综合力学性能和导热性能会提升；第二个延长模具寿命；第三个叫降低综合成本，这几个优势都是比较明显的。

下边我就分开来介绍。先是触变这一块，触变成形的分支技术有很多种，目前应用最广的只有第一种，就是先用电磁搅拌连铸的方法把铝液做成特制的坯料，再用电磁感应加热的方法加热到半固态区间，然后把浆料直接送入压铸机的压铸室。最初的原料是一般的铝合金锭，组织是枝晶的，通过电磁搅拌连铸获得新的坯料，这个新的坯料具有蔷薇状微观结构，这个很重要，只有蔷薇状，在后续加热中才能形成固相颗粒为进球状的半固态浆料，才能发挥半固态的优势。这种方法目前适合于大部分的铝合金体系，不仅是铸造铝合金，锻造铝合金也可以应用，缺点是能耗比较高，工艺流程长，坯料表面氧化严重。最大的问题是电磁搅拌连铸，这个技术难度高，一致性控制难度大，国内外能做好的企业不多，原料上会受到限制。

我们来看看这个技术的一些案例。这是我们在北京的时候生产的一个产品，涡轮增加器里面用的叶轮，工作环境比较苛刻，最高是15万转/分，最高气氛温度能达到250度，产品内部不能有一点孔洞。这个产品质量要求很高，我们最初用的就是电磁搅拌连铸和电磁感应加热的方法制造的。我们前期做了很多工作，包括模具设计、模流分析。这个件的形状很复杂，模具设计难度很大。下面是充型的动图，可以看到，整个充型，尤其是零件部分的充型是非常平稳的。下面这个是CT的检测结果，有多个客户拿去检测过，都没有检测到缺陷。上面是它的微观组织，中间的是半固态加工成形的，右边是锻造的，每一个颜色是一个晶粒，可以看到半固态铸造的产品的晶粒尺寸是和锻造比较接近的，最左边是铸造的，可以看到晶粒尺度不是在一个数量级别上的。性能方面，可以看到右边两个柱状图是触变成形和锻造成形，两个性能比较接近，要比铸造的好。疲劳寿命方面也是，半固态成形和锻造成形的产品比较接近，比铸造的要好。这是我最喜欢的例子，这个产品是半固态最典型的用法，取代锻件，并且是用铸造合金取代锻造合金。

再举一个国外的例子，美国这家Vforge公司做过很多应用，他们从90年代做这个技术，生产汽车件和摩托车件，还有散热片。当然现在散热片不用这个方法做了，但是给我们一些启示，比如说3C产品可以使用这个方法。这个方法缺点很明显，成本高，2008年经济危机之后逐渐用的越来越少了，无论国内国外现在都把研发和应用的热点转向流变成形，下边我直接介绍流变的应用。

流变成形的细分技术很多，有应用的就有20多种，还有很多在实验室里的，还有各种变种，我这里列了一部分。可以看出它们有一些共通点，大部分技术都没有办法做到固相分数超过0.4，这个表里只有NRC法和旋转热焓平衡法。流变成形只有少量方法在汽车件上得到应用，下边来看几个成功案例。

先介绍一下这个方法，Advanced Semisolid Casting Technology，这个方法研发的比较早，是日本本田的技术，也是独家拥有从未对外公开。从公布的设备图可以看得出来，用的机械振荡的方法来控制晶粒生长，通过冷铁减低熔体温度。这个方法的优点是可以做大尺寸的浆料，缺点是比较明显的，浆料容易受污染，不能制备高固相的半固态浆料。这是一个应用案例，发动机缸体。

第二个技术是源于美国，半固态流变铸造法，SSR。铝液在钢制管道内流动，形成大量晶核，然后在冷却介质中冷却，获得半固态浆料。这个方法在国内外有很多的变形，这个通道设计成不同的各种形状，但是原理上是一样的。这个方法有一个共同的缺点，管道很容易堵塞，一旦堵塞很难清理。另外也是不能制备高固相的半固态浆料，熔体容易受到污染。这是美国的一个应用案例，做的是一个滤芯器的壳体，用的380铝合金。

接下来是一个我们国内研发的技术，叫强制对流搅拌法，这个方法有一些不错的优势，它可以用在7000系合金上。这个方法有一个大的缺点，设备很复杂，用的螺旋搅拌的方法，一旦堵塞之后清理也是很麻烦的。这个方法有一个案例，是北京科技大学做的，这是减震器的零件，图ACEG是液态压铸，图BDFH是半固态压铸，可以看到，液态压铸产品有很多缩孔气孔，半固态压铸产品少了很多，但是在拐角的位置还是有一部分缩孔存在。这个方法对于改善常规压铸件的性能是可行的，但是想制备很完美的铸件是比较困难的。

下边是RSF，快速制浆法，这个方法在国内有应用。它的原理比较简单，先取出部分溶体浇铸成一个小块，这个小块中间插一个棒，把这个小块放在浇勺里面旋转，利用这个小块的熔化把铝液的温度降到半固态温度。这个方法的缺点也是比较明显的，旋转容易引起气体污染，这个固体小块表面有氧化皮，放在铝液里面搅，氧化皮直接搅拌进去了。这个技术最早在瑞典的Rheometal公司应用，这是他们官网给出的唯一的汽车方面的应用，卡车的载重轮。这个技术现在国内引进了，比如福建的瑞奥迈特，这是他们应用的一个例子，5G基站滤波器壳体，没有查到他们在汽车件上的应用。

还有一个技术这两年在国内推广的也比较快，叫气体诱导法，这个方法原理更简单了，把石墨搅拌棒插到铝液里面，通入惰性气体，惰性气体是室温的，就把铝液的温度降下来。这个方法过程很简单，操作很方便，整个的操作可以在浇勺里面就可以做了，不需要太多的设备投入，在国外应用过6000系、7000系合金，它的缺点也显而易见，第一个搅拌容易引起溶体污染，第二个通入铝液的惰性气体如果控制不好会留在铝液里面，凝固以后成为气孔的来源。目前这个方法在国外有在汽车件上应用，这是这个技术的拥有者，泰国的GISSCO CO，刹车卡钳，7075铝合金，T6热处理。韩国现也用了这个技术，燃油泵支架，这个是CT的检测结果，第一个图和最后一个图是液态压铸的，孔洞含量在1%以上，剩下几个是半固态压铸的，最好的一个孔隙率只有0.36%。印度也有厂家在用这个技术，这是个密封件，这个是CT的结果，还是有孔洞在里面的，没有完完全全的消除。

下面介绍一下旋转热焓平衡法，把铝液放到坩埚里面，利用换热使熔体达到半固态的温度。这个方法可以制备高固相含量的半固态浆料，过程中浆料内部不受气体污染，整个过程只有表面氧化，表面的氧化皮可以通过模具设计去除掉。这个是国外的例子，这是摩托车件，雅马哈车架，最上面的接头用的是半固态成形的，通过焊接和其它部件连接起来。我们团队现在也掌握了这个技术，这是我们在北京的时候制备的刹车卡钳，用的是铸造合金，性能达到抗拉强度380MPa，屈服强度300MPa，延伸率4%，取代钢锻件，减重50%。我们还做了一些其他产品，这是大巴车骨架接头，取代的砂型铸铁件，可以减重35%。那两个件是特种车上的配件，是泵车、消防车上的卡箍，减重效果也是很好的，取代砂型铸铁件，减重分别达到58%和35%。这两个件的性能远远超过了设计要求，还有进一步减重的空间。

这个技术现在在国内推广的也很不错，国内有4家企业建设了自动化生产线，其中有两家已经建成，具备生产能力，两外两家年底也将建成投产，生产能力是足够的。右边的是徐州戴卡斯町的车间，很漂亮的车间，并不像常规的压铸车间和砂铸车间。

下面再举一些这个技术的应用案例，这是几个汽车件，在这一年内才研发出来的。这三个是发动机周边支架的部件，都是取代重铸的铝件，减重在10%-11%。这几个，左边的控制臂取代钢件，之前是用钢板焊接的，现在用铝半固态压铸，减重可以达到56%。右边两个取代的是砂型铸铁件，减重都超过了50%。还有主轴承盖支架和后处理支架，取代的钢件和铁件，减重效果都不错，超过了45%。这个方法在3C产品上也有一些应用，包括基站腔体、滤波器，等等。这个技术先讲这么多，国内国外应用的都很多，尤其在国内，取代钢件和铁件减重基本在45%以上，国内有两家企业可以实现稳定供货。

介绍了半固态压铸技术这么多优点和应用成功案例，那么在应用过程中有没有什么短处呢？目前应用问题是不大的，但是进一步应用，未来拓展应用，还是存在一些问题。

第一个问题是材料和工艺之间的矛盾。昨天很多专家提到，轻量化是把合适的材料、合适的工艺和合适的设计用在合适的部位上，材料和工艺两个往往是联系密切的。在半固态压铸进一步应用的时候就出现一个矛盾，材料和工艺之间的矛盾。现在流变成形主要用的合金是硅含量在6%左右的铝硅铸造合金，这些合金强度相对有限，最好的是319s合金，抗拉强度可以到380MPa。抗拉强度超过400，铸造铝硅合金是比较困难的。另外一个方面，高强度的铝合金，6000系、7000系的铝合金，具有很高的强度，但是这些铝合金不太适合高固相流变压铸成形，低固相的可以做，10%的固相率没问题，但是低固相的半固态压铸难以完全消除气孔和缩孔。在汽车上使用得很小心，一些微小的孔洞，直径小于10微米的孔洞对拉伸性能可能没有明显的影响，但是对疲劳寿命的影响是很大的，汽车件疲劳寿命是很重要的指标。目前，流变成形过程制备高固相半固态浆料还有很多困难。我们刚刚拿到深圳市400万的项目来解决这个问题，计划用两年时间，推出1-2款可以适合高固相流变压铸成形的合金，满足市场的需求，进一步扩展半固态压铸技术的应用。

第二个问题，高固相的流变制浆方法，例如我们比较推荐的旋转热焓平衡法，目前不能制备10公斤以上的半固态坯料，限制了技术的进一步应用。这个也是需要突破的地方。

第三个问题，半固态压铸成形毕竟还是用了压铸的方法，所以产品结构复杂度也受到模具限制，太复杂的产品，模具太复杂，模具成本很高，对工艺要求也很高。如何来突破这个问题也是目前高校研究的一个热点，可能产业界目前还没有关注到这一块。除了半固态压铸以外，我们团队还有一个很重要研究方向，金属的增材制造。我们现在把两个技术结合在一起，开发一种新的技术，铝合金的半固态直写技术。这个过程和塑料丝材的增材制造相类似，丝状的半固态金属从笔头出来，在冷却板上堆积成形。我们这个课题已经得到国家自然科学基金、深圳市科创委的经费支持。

我再稍微补充介绍一下我们团队。刚才介绍了很多轻量化的技术，现在和未来运用还有很多问题，技术方面还有很多需要创新的地方，所以我们成立了一个创新团队，我们希望从材料、工艺和方法、以及智能制造三个方面来推动轻量化技术上的创新，未来进行技术孵化，为企业服务，为市场服务。这个团队现在已经获得深圳市2000万的无偿资助，专门从事轻量化方面的研究工作。