一体化压铸的材料端国产替代已取得阶段性进展:立中集团免热处理铝合金专利牌号、上海交大JDA系列、广东鸿图自研牌号等相继落地,覆盖Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Sr等成分设计,国内企业整体处于"迎头赶上"的追赶阶段。其中立中集团于2020年获得免热处理铝合金发明专利证书,并与文灿合作推进应用;但美国铝业等国外企业研发布局更早,已实现规模化量产,国产材料在产业化进度与部分力学性能指标上仍有差距。

材料端:免热处理为何成为一体化压铸的关键

传统压铸件依靠固溶与时效热处理提升强度、韧性、疲劳性,但加热冷却过程中的热胀冷缩会使零部件尺寸变形并产生表面缺陷。小型部件可通过整形工装消除误差,而一体化压铸的大型铝合金部件变形风险被放大,矫正工艺虽能改善一定尺寸精度,却会拉低良品率、推高成本。因此,免热处理铝合金是大型一体化压铸结构件的前提条件。

目前主流路线是铝硅合金。铝镁合金整体性能更优,但流动性不如铝硅合金;一体化铸件体积大、最长可达两米四,充型流程长,对流动性要求高,因此行业普遍选用铝硅合金。主流免热处理铝合金基本思路是在传统铝硅合金基础上添加化学变质元素,结合实际压铸凝固条件,获得原本需要热处理才能达到的力学性能。

国产牌号与海外牌号的成分对照

从合金成分设计看,国产牌号已形成较完整的元素配比体系。立中集团专利牌号在Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Sr各元素上均有明确区间,并含Mo、Zr等其它元素,与Castasil 37、C611等海外牌号处于同一成分设计框架内;特斯拉Alloy 1-3则另含V、Cr等元素。

合金名称SiFeCuMnMgZnTiSr其它
Castasil 378.5-10.50.150.050.35-0.60.060.070.01-0.015Mo, Zr
Aural 69.5-11.50.1-0.250.020.3-0.70.150.030.04-0.150.01-0.015
C6114.0-7.00.15-0.20.4-0.80.15-0.250.10.01-0.015
Tesla Alloy 16.5-7.50.40.4-0.80.35-0.70.1-0.40.150.015-0.03V, Cr
立中集团专利9.1-10.00.150.030.35-0.60.060.050.06-0.150.015-0.025Mo, Zr

力学性能方面,立中集团专利材料抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥110MPa、伸长率≥12%;广东鸿图自研材料抗拉强度≥230MPa、屈服强度≥150MPa、延伸率≥6%。两者各有优劣:广东鸿图的抗拉强度与屈服强度更高,立中集团的延伸率更优。相较美铝C611的抗拉强度268MPa、屈服强度123MPa、延伸率16.2%,两家国产材料总体仍存在一定差距。

产业化进度与自主可控路径

从应用进度看,美国铝业于2015年4月发布EZCast™专用铝合金,已规模化量产;特斯拉自研材料于2021年7月申请专利,同样已规模化量产。国内方面,立中集团2014年启动研发、2020年获得发明专利证书,2020年12月实现小批量生产并用于电池支架结构件,合作方为文灿;广东鸿图2015年起研发免热处理材料,2016年获专利授权,是唯一自研自制免热处理材料的压铸厂;鸿图与中铝苏州研究院合作开发的材料,于2022年1月17日试制铸件成功,合作方为小鹏汽车;华人运通高合汽车与上海交通大学合作全球首发的TechCast™超大铸件用低碳铝合金,官方表述为流动性高于同级别材料15%以上、强塑积高30%以上,已量产下线。

自主可控的另一条路径是原材料替代。免热处理铝合金成分控制严格,目前需使用电解铝并精确添加合金元素,而一体化压铸所取代的小型压铸件多由再生铝制造,导致一体化压铸件碳排放相对偏高。立中集团作为再生铝行业龙头,在再生铝替代原生铝方面具备技术积累,官方预计未来两三年可用20%-30%的再生铝替代原生铝,五年后全部使用再生铝制造免热处理铝合金材料;同时其产业布局覆盖多个国内主要汽车产业集群地,靠近下游客户,具备渠道与铝回收经验优势,可多客户覆盖并节省运输费用。

常见问题

国产免热处理铝合金牌号目前进展到哪一步?

立中集团免热处理铝合金专利牌号已于2020年获得发明专利证书,并实现小批量生产用于电池支架结构件;广东鸿图自研牌号已获专利授权;上海交大JDA系列、华人运通高合汽车与上海交大合作的TechCast™材料等也在推进。整体看国内企业处于追赶阶段,产业化进度与部分性能指标相较美铝等早期布局企业仍有差距。

国产牌号与海外牌号在成分设计上有何异同?

立中集团专利牌号与Castasil 37、C611同属铝硅系免热处理合金框架,均对Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Sr等元素设定区间;差异在于具体配比与添加元素,如立中集团专利含Mo、Zr,特斯拉Alloy 1-3含V、Cr。成分设计趋同说明国产牌号已进入主流技术路线,但成分接近不等于性能等同,实际表现需以第三方实测为准。

一体化压铸材料自主可控的关键难点在哪里?

难点主要在两方面:一是免热处理铝合金成分控制严格,目前依赖电解铝加精确合金化,原材料成本与碳排放偏高;二是大型压铸件运输不便、压铸残余废料需回收,对材料企业的产能布局与回收体系提出要求。再生铝替代原生铝是降本减碳的重要方向,立中集团等再生铝企业在此具备相对优势。