鋁合金壓鑄技術(shù)和發(fā)展里程

　　20世紀(jì)90年代以后，中國的壓鑄工業(yè)取得了令人驚嘆的發(fā)展，已發(fā)展為一個新興產(chǎn)業(yè)。目前，鋁合金壓鑄工藝已成為汽車用鋁合金成形工藝中應(yīng)用最廣泛的工藝之一，在各種汽車成型工藝方法中占49%。

　　中國現(xiàn)有壓鑄企業(yè)3000家左右，壓鑄件產(chǎn)量從1995年的26.6萬噸上升到2005年的87萬噸，年增長率保持在20%以上，其中鋁合金壓鑄件占所有壓鑄件產(chǎn)量的3/4以上。中國壓鑄件產(chǎn)品的種類呈多元化，包括汽車、摩托車、通訊、家電、五金制品、電動工具、IT、照明、扶梯梯級、玩具燈等。隨著技術(shù)水平和產(chǎn)品開發(fā)能力的提高，壓鑄產(chǎn)品種類和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬，其壓鑄設(shè)備、壓鑄模和壓鑄工藝都發(fā)生了巨大的變化。壓鑄鋁合金壓鑄鋁合金自1914年投入商業(yè)化生產(chǎn)以來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和冷室壓鑄機(jī)的發(fā)明，得到了快速發(fā)展。

　　壓鑄鋁合金按性能分為中低強(qiáng)度(如中國的Y102)和高強(qiáng)度(如中國的Y112)兩種。目前工業(yè)應(yīng)用的壓鑄鋁合金主要有以下幾大系列:Al-Si、Al-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu-Mg、Al-Zn等。壓鑄鋁合金力學(xué)性能的提高往往伴隨著鑄造工藝性能的降低，壓力鑄造因其高壓快速凝固的特點使這種矛盾在某些方面更加突出，因此一般壓鑄件難于進(jìn)行固溶熱處理，這就制約了壓鑄鋁合金力學(xué)性能的提高，雖然充氧壓鑄、真空壓鑄等是提高合金力學(xué)性能的有效途徑，但廣泛采用仍有一定難度，所以新型壓鑄鋁合金的開發(fā)研制一直在進(jìn)行。先進(jìn)的壓鑄技術(shù)早期的臥式冷室壓鑄機(jī)的壓鑄過程只有一個速度壓送金屬液進(jìn)入模具，壓射速度只有1m～2m/s。采用這種工藝，鑄件內(nèi)部氣孔多，組織疏松，不久便改進(jìn)為2級壓射，把壓射過程簡單地分解為慢速和快速2個階段，但快速的速度也不過3m/s，后來為了增加壓鑄件的致密度，在慢速和快速之后增加了一個壓力提升的階段，成為慢壓射，快壓射和增壓3個階段，這就是經(jīng)典的3段壓射。

　　真空壓鑄法與普通壓鑄法相比具有以下特點:(1)氣孔率大大降低;(2)真空壓鑄的鑄件的硬度高，微觀組織細(xì)小;(3)真空壓鑄件的力學(xué)性能較高。近來，真空壓鑄以抽除型腔中的氣體為主，主要有兩種形式:(1)從模具中直接抽氣;(2)置模具于真空箱中抽氣。采用真空壓鑄時，模具的排氣道位置和排氣道面積的設(shè)計至關(guān)重要。排氣道存在一個“臨界面積”，其與型腔內(nèi)抽出的氣體量、抽氣時間及充填時間有關(guān)。

　　在金屬液充型過程中，應(yīng)使金屬液以彌散噴射狀態(tài)充型。澆道尺寸的大小也對充氧壓鑄的效果有較大影響，適當(dāng)?shù)臐驳莱叽缂瓤梢詽M足金屬液以紊流形式充滿鑄型，又可以避免金屬液溫度下降得過快。氧化物的高度彌散分布不會對鑄件產(chǎn)生不利影響，反而可提高鑄件的硬度，并使熱處理后的組織細(xì)化。充氧壓鑄可用于與氧反應(yīng)的Al、Mg及Zn合金。目前，采用充氧壓鑄可生產(chǎn)各種鋁合金鑄件，如:液壓變速器殼體、加熱器用熱交換器、液壓傳動閥體、計算機(jī)用托架等對于需熱處理或組焊、要求氣密性高和在較高溫度下使用的壓鑄件，充氧壓鑄具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。半固態(tài)壓鑄技術(shù)半固態(tài)壓鑄是在液態(tài)金屬凝固時進(jìn)行攪拌，在一定的冷卻速度下獲得約50%甚至更高固相組分的漿料，然后用漿料進(jìn)行壓鑄的技術(shù)。半固態(tài)壓鑄技術(shù)目前有兩種成形工藝:流變成形工藝和觸變成形工藝。前者是將液態(tài)金屬送入特殊設(shè)計的壓射成形機(jī)筒中，由螺旋裝置施加剪切使其冷卻成半固態(tài)漿料，然后進(jìn)行壓鑄。后者是將固態(tài)金屬粒或碎屑送入螺旋壓射成形機(jī)中，在加熱和受剪切的條件下使金屬顆粒變成漿料后壓鑄成形。半固態(tài)壓鑄成形工藝的關(guān)鍵是有效制取半固態(tài)合金漿料、精確控制固液組分的比例及半固態(tài)成形過程自動化控制的研究開發(fā)。為實現(xiàn)半固態(tài)成形的自動化生產(chǎn)，美國科學(xué)家認(rèn)為需要大力發(fā)展以下幾種技術(shù):(1)具有自適性、靈活性的棒料運(yùn)輸;(2)精密的壓鑄潤滑及維護(hù);(3)可控的鑄件冷卻系統(tǒng);(4)等離子除氣及處理。

　　電磁泵低壓鑄造電磁泵低壓鑄造是一種新崛起的低壓鑄造工藝，與氣體式低壓鑄造技術(shù)相比，在加壓方式方面是完全不同的。其采用非接觸式的電磁力直接作用于液態(tài)金屬，大大降低了由于壓縮空氣不純及壓縮空氣中氧的分壓過高所帶來的氧化和吸氣等問題，實現(xiàn)了鋁液的平穩(wěn)輸送和充型，可防止由于紊流造成的二次污染。另外電磁泵系統(tǒng)完全采用計算機(jī)數(shù)字控制，工藝執(zhí)行非常準(zhǔn)確、重復(fù)性好，使鋁合金鑄件在成品率、力學(xué)性能、表面質(zhì)量和金屬利用率等方面都具有明顯的優(yōu)勢。這項技術(shù)隨著研究的不斷深入，工藝也愈來愈成熟。

　　壓鑄設(shè)備的發(fā)展通過近幾年的發(fā)展，中國壓鑄機(jī)的設(shè)計水平、技術(shù)參數(shù)、性能指標(biāo)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量等都有不同程度的提高，特別是冷室壓鑄機(jī)，由原來的全液壓合型機(jī)構(gòu)改為曲肘式合型機(jī)構(gòu)，同時還增加了自動裝料，自動噴涂，自動取件，自動切料邊等，電器也由普通電源控制改為計算機(jī)控制，操控水平大大提高，有的已經(jīng)達(dá)到或接近國際水平，正在向大型化、自動化和單元化進(jìn)軍。在此期間，國內(nèi)新的壓鑄機(jī)企業(yè)陸續(xù)嶄露頭角，其中香港力勁公司是典型的代表，該公司開發(fā)了多項國內(nèi)領(lǐng)先的壓鑄機(jī)型，例如，臥式冷室壓鑄機(jī)最大空壓射速度6m/s(1997年)和8m/s(2000年初)，鎂合金熱室壓鑄機(jī)(2000年初)勻加速壓射系統(tǒng)(2002年)，最大空壓射速度10m/s及多段壓鑄系統(tǒng)(2004年6月)，實時控制壓射系統(tǒng)(2004年8月)和鎖模力30000kN的大型壓鑄機(jī)(2004年7月)等。

　　中小型壓鑄機(jī)仍以國產(chǎn)設(shè)備為主。國產(chǎn)壓鑄機(jī)與國外先進(jìn)的壓鑄設(shè)備的差距主要表現(xiàn)在以下幾方面:(1)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計落后;(2)漏油嚴(yán)重;(3)可靠性差:這是國產(chǎn)壓鑄機(jī)最突出的缺陷，據(jù)了解，國產(chǎn)壓鑄機(jī)的平均無故障運(yùn)行時間不到3000小時，甚至達(dá)不到國外50和60年代的水平。而國外一般超過20000小時;(4)品種規(guī)格不全，配套能力差:雖然在臥式冷室壓鑄機(jī)方面已基本成系列，但仍有個別斷檔，如從16000kN到28000kN間就無產(chǎn)品。熱室壓鑄機(jī)也缺少4000kN以上的產(chǎn)品。壓鑄模具的發(fā)展最早的壓鑄模模芯材料選用的是45?鋼、鑄鋼和鍛鋼等，由于其耐高溫沖擊性差，所以當(dāng)時使用壽命也較短。隨著科技的發(fā)展，壓鑄模芯材料也發(fā)生了重大變化，現(xiàn)都采用高溫、高強(qiáng)度的3Cr2N8VH13熱鍛鋼作為模芯材料，近年來又采用了進(jìn)口的8407材料，使模具的使用壽命大大提高，特別是近年國內(nèi)大部分廠都采用了計算機(jī)設(shè)計及模擬充填技術(shù)，使壓鑄模生產(chǎn)質(zhì)量大大提高，生產(chǎn)期大大縮短。

　　中國模具行業(yè)發(fā)展迅猛，1996年至2004模具產(chǎn)量年平均增長率14%，2003年壓鑄模當(dāng)年產(chǎn)值為38億元。目前，中國國內(nèi)模具對市場的滿足率僅為80%左右，其中以中低檔模具為主，大型、復(fù)雜的精密模具，在生產(chǎn)技術(shù)、模具質(zhì)量和壽命以及生產(chǎn)能力方面均不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。研究及發(fā)展方向汽車、摩托車工業(yè)以及汽車附件的消耗和配套產(chǎn)品的需求，為壓鑄件生產(chǎn)提供了一個廣闊的市場，壓鑄鋁合金在汽車上的應(yīng)用也將不斷擴(kuò)大。

　　在今后的壓鑄技術(shù)研究與開發(fā)中，鋁合金壓鑄的深化依然會是壓鑄技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。為了適應(yīng)市場需求，今后應(yīng)進(jìn)一步解決以下問題:(1)推廣應(yīng)用新型高強(qiáng)度、高耐磨性的壓鑄合金，研究可著色的壓鑄合金以及用于有特殊安全性要求的鑄件等方面的新型壓鑄合金;(2)開發(fā)性能穩(wěn)定、成分易于控制的壓鑄鋁合金;(3)簡化合金成分，減少合金牌號，為實現(xiàn)綠色化生產(chǎn)提供基礎(chǔ);(4)進(jìn)一步完善壓鑄新工藝(真空壓鑄、充氧壓鑄、半固態(tài)壓鑄、擠壓鑄造等);(5)提高對市場的快速反應(yīng)能力，推行并行工程(CE)和快速原型制造技術(shù)(RPM);(6)開展CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的研究與開發(fā);(7)開發(fā)和應(yīng)用更多的壓鑄鋁合金汽車零部件。