铝合金压铸技术和发展里程

机械公敌 · 发表于 2008-7-6 13:08:07

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20世纪90年代以后，中国的压铸工业取得了令人惊叹的发展，已发展为一个新兴产业。目前，铝合金压铸工艺已成为汽车用铝合金成形工艺中应用最广泛的工艺之一，在各种汽车成型工艺方法中占49%。中国现有压铸企业3000家左右，压铸件产量从1995年的26.6万吨上升到2005年的87万吨，年增长率保持在20%以上，其中铝合金压铸件占所有压铸件产量的3/4以上。中国压铸件产品的种类呈多元化，包括汽车、摩托车、通讯、家电、五金制品、电动工具、IT、照明、扶梯梯级、玩具灯等。随着技术水平和产品开发能力的提高，压铸产品种类和应用领域不断扩宽，其压铸设备、压铸模和压铸工艺都发生了巨大的变化。压铸铝合金压铸铝合金自1914年投入商业化生产以来，随着汽车工业的发展和冷室压铸机的发明，得到了快速发展。压铸铝合金按性能分为中低强度(如中国的Y102)和高强度(如中国的Y112)两种。目前工业应用的压铸铝合金主要有以下几大系列:Al-Si、Al-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu-Mg、Al-Zn等。压铸铝合金力学性能的提高往往伴随着铸造工艺性能的降低，压力铸造因其高压快速凝固的特点使这种矛盾在某些方面更加突出，因此一般压铸件难于进行固溶热处理，这就制约了压铸铝合金力学性能的提高，虽然充氧压铸、真空压铸等是提高合金力学性能的有效途径，但广泛采用仍有一定难度，所以新型压铸铝合金的开发研制一直在进行。先进的压铸技术早期的卧式冷室压铸机的压铸过程只有一个速度压送金属液进入模具，压射速度只有1m~2m/s。采用这种工艺，铸件内部气孔多，组织疏松，不久便改进为2级压射，把压射过程简单地分解为慢速和快速2个阶段，但快速的速度也不过3m/s，后来为了增加压铸件的致密度，在慢速和快速之后增加了一个压力提升的阶段，成为慢压射，快压射和增压3个阶段，这就是经典的3段压射。 20世纪60年代中间，这种3级压射已经普遍推开，并且快压射阶段的速度已提高到5m/s。此后的40余年期间，世界各国领先的压铸机制造商对压射过程进行了研究试验，从而开发出一些新工艺，如70年代的抛物线压射系统，80年代的无飞边压铸系统，90年代的无飞边压射系统，其中有的从3阶段压射中对每个阶段加以再分解，这正是这个经典的3阶段压射的继续发展的延伸。现在压射速度、压力已由原来的人工手轮调节控制改为计算机控制。近年来，人们为了解决压铸件内部存在的气孔和缩孔问题，能够生产出高强度、高密性、可焊接可热处理、可扭曲等各种高要求的压铸件，除了继续完善真空压铸以外又发展了挤压铸造和半固态压铸等新的技术，并加以概括地称之为“高密度压铸法”。真空压铸技术真空压铸法是将型腔中的气体抽空或部分抽空，降低型腔中的气压，以利于充型和合金熔体中气体的排除，使合金熔体在压力的作用下充填型腔，并在压力下凝固而获得致密的压铸件。真空压铸法与普通压铸法相比具有以下特点[s:3]1)气孔率大大降低；(2)真空压铸的铸件的硬度高，微观组织细小；(3)真空压铸件的力学性能较高。近来，真空压铸以抽除型腔中的气体为主，主要有两种形式[s:3]1)从模具中直接抽气；(2)置模具于真空箱中抽气。采用真空压铸时，模具的排气道位置和排气道面积的设计至关重要。排气道存在一个“临界面积”，其与型腔内抽出的气体量、抽气时间及充填时间有关。当排气道的面积大于临界面积时，真空压铸效果明显；反之，则不明显。真空系统的选择也非常重要，要求在真空泵关闭之前，型腔内的真空度可保持到充型完毕。充氧压铸技术压铸件气孔中的气体绝大部分为N2和H2，几乎没有O2，主要原因是O2与活性金属发生反应生成了固体氧化物，这为充氧压铸技术提供了理论基础。充氧压铸是在压铸前将氧气充入型腔，取代其中的空气。当金属液进入型腔时，一部分氧气从排气槽排出，残留的氧与金属液发生反应，生成弥散状的氧化物微粒，在铸型内形成瞬间真空，从而获得无气孔的压铸件。充氧压铸过程中，型腔内的真空是由化学反应产生的。生产中为保证安全性，应严格控制充氧量，降低型腔压力，使其与充氧压力相匹配。将真空压铸与充氧过程结合起来，使型腔处于负压状态，可获得更好的效果。在金属液充型过程中，应使金属液以弥散喷射状态充型。浇道尺寸的大小也对充氧压铸的效果有较大影响，适当的浇道尺寸既可以满足金属液以紊流形式充满铸型，又可以避免金属液温度下降得过快。氧化物的高度弥散分布不会对铸件产生不利影响，反而可提高铸件的硬度，并使热处理后的组织细化。充氧压铸可用于与氧反应的Al、Mg及Zn合金。目前，采用充氧压铸可生产各种铝合金铸件，如:液压变速器壳体、加热器用热交换器、液压传动阀体、计算机用托架等对于需热处理或组焊、要求气密性高和在较高温度下使用的压铸件，充氧压铸具有技术和经济上的优势。半固态压铸技术半固态压铸是在液态金属凝固时进行搅拌，在一定的冷却速度下获得约50%甚至更高固相组分的浆料，然后用浆料进行压铸的技术。半固态压铸技术目前有两种成形工艺:流变成形工艺和触变成形工艺。前者是将液态金属送入特殊设计的压射成形机筒中，由螺旋装置施加剪切使其冷却成半固态浆料，然后进行压铸。后者是将固态金属粒或碎屑送入螺旋压射成形机中，在加热和受剪切的条件下使金属颗粒变成浆料后压铸成形。半固态压铸成形工艺的关键是有效制取半固态合金浆料、精确控制固液组分的比例及半固态成形过程自动化控制的研究开发。为实现半固态成形的自动化生产，美国科学家认为需要大力发展以下几种技术[s:3]1)具有自适性、灵活性的棒料运输；(2)精密的压铸润滑及维护；(3)可控的铸件冷却系统；(4)等离子除气及处理。挤压压铸技术挤压压铸又称“液态金属模压”。其铸件致密性好，力学性能高，且无浇冒口。我国的一些企业已将其应用于实际生产中。挤压压铸技术具有极好的工艺优势，它能替代传统压铸、挤压铸造、低压铸造、真空压铸工艺，以及对差压铸造、连铸连锻、半固态加工的流变铸造工艺进行兼容。专家认为，挤压压铸技术是一项前沿性的新技术，横跨多个工艺领域，内涵丰富，创新性强，极具挑战性。电磁泵低压铸造电磁泵低压铸造是一种新崛起的低压铸造工艺，与气体式低压铸造技术相比，在加压方式方面是完全不同的。其采用非接触式的电磁力直接作用于液态金属，大大降低了由于压缩空气不纯及压缩空气中氧的分压过高所带来的氧化和吸气等问题，实现了铝液的平稳输送和充型，可防止由于紊流造成的二次污染。另外电磁泵系统完全采用计算机数字控制，工艺执行非常准确、重复性好，使铝合金铸件在成品率、力学性能、表面质量和金属利用率等方面都具有明显的优势。这项技术随着研究的不断深入，工艺也愈来愈成熟。压铸设备的发展通过近几年的发展，中国压铸机的设计水平、技术参数、性能指标、机械结构和制造质量等都有不同程度的提高，特别是冷室压铸机，由原来的全液压合型机构改为曲肘式合型机构，同时还增加了自动装料，自动喷涂，自动取件，自动切料边等，电器也由普通电源控制改为计算机控制，操控水平大大提高，有的已经达到或接近国际水平，正在向大型化、自动化和单元化进军。在此期间，国内新的压铸机企业陆续崭露头角，其中香港力劲公司是典型的代表，该公司开发了多项国内领先的压铸机型，例如，卧式冷室压铸机最大空压射速度6m/s(1997年)和8m/s(2000年初)，镁合金热室压铸机(2000年初)匀加速压射系统(2002年)，最大空压射速度10m/s及多段压铸系统(2004年6月)，实时控制压射系统(2004年8月)和锁模力30000kN的大型压铸机(2004年7月)等。近年来，上海压铸机厂，灌南压铸机厂等骨干企业都开发了最大空压射速度为8m/s以上的卧式冷室压铸机和锁模力在10000kN以上的大型压铸机；2005年投产的广东顺威伊力精压科技有限公司将生产10000kN~30000kN大型压铸机。可见中国正在形成一个有实力的、具有自主知识产权的压铸机制造业。中国现有压铸机总数1.2万台，其中国产压铸机约占85%，进口压铸机约占15%。近两年中国压铸机的年销售量均在1800台以上，其中10000kN及以上压铸机占2%，8000kN~9000kN压铸机占5%，5000kN~7000kN压铸机占13%，3500kN~4000kN压铸机占20%，3000kN及以下压铸机占60%。在3000kN以下压铸机中，热室压铸机约占30%。中小型压铸机仍以国产设备为主。国产压铸机与国外先进的压铸设备的差距主要表现在以下几方面[s:3]1)总体结构设计落后；(2)漏油严重；(3)可靠性差:这是国产压铸机最突出的缺陷，据了解，国产压铸机的平均无故障运行时间不到3000小时，甚至达不到国外50和60年代的水平。而国外一般超过20000小时；(4)品种规格不全，配套能力差:虽然在卧式冷室压铸机方面已基本成系列，但仍有个别断档，如从16000kN到28000kN间就无产品。热室压铸机也缺少4000kN以上的产品。压铸模具的发展最早的压铸模模芯材料选用的是45﹟钢、铸钢和锻钢等，由于其耐高温冲击性差，所以当时使用寿命也较短。随着科技的发展，压铸模芯材料也发生了重大变化，现都采用高温、高强度的3Cr2N8VH13热锻钢作为模芯材料，近年来又采用了进口的8407材料，使模具的使用寿命大大提高，特别是近年国内大部分厂都采用了计算机设计及模拟充填技术，使压铸模生产质量大大提高，生产期大大缩短。中国模具行业发展迅猛，1996年至2004模具产量年平均增长率14%，2003年压铸模当年产值为38亿元。目前，中国国内模具对市场的满足率仅为80%左右，其中以中低档模具为主，大型、复杂的精密模具，在生产技术、模具质量和寿命以及生产能力方面均不能满足国民经济发展的需要。研究及发展方向汽车、摩托车工业以及汽车附件的消耗和配套产品的需求，为压铸件生产提供了一个广阔的市场，压铸铝合金在汽车上的应用也将不断扩大。在今后的压铸技术研究与开发中，铝合金压铸的深化依然会是压铸技术发展的一个主要方向。为了适应市场需求，今后应进一步解决以下问题[s:3]1)推广应用新型高强度、高耐磨性的压铸合金，研究可着色的压铸合金以及用于有特殊安全性要求的铸件等方面的新型压铸合金；(2)开发性能稳定、成分易于控制的压铸铝合金；(3)简化合金成分，减少合金牌号，为实现绿色化生产提供基础；(4)进一步完善压铸新工艺(真空压铸、充氧压铸、半固态压铸、挤压铸造等)；(5)提高对市场的快速反应能力，推行并行工程(CE)和快速原型制造技术(RPM)；(6)开展CAD/CAM/CAE系统的研究与开发；(7)开发和应用更多的压铸铝合金汽车零部件。

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