探析鋁合金壓力鑄造技術的現狀與展望

許武波 程文強 胡 周

江西鈴格有色金屬加工有限公司 江西 南昌 330044

近幾年來,由于冶煉方法和冶煉工藝的不斷升級,很多材料性的基礎問題得到了有效的突破,鋁工業發展速度很快,在交通運輸、航空航天、輕工建材、電子等多個部門。鋁材料得到了廣泛的應用。在世界各國,人們越來越重視鋁材料的應用和發展,特別是壓鑄技術的研發與推廣,在汽車工業中鋁合金材料作為主導材料,對汽車工藝的研究和發展起到了重要的推動作用。

一、我國鋁材料壓鑄工藝發展的基本狀況及相關技術

在近半個世紀中,我國的鋁材料壓鑄工業從無到有,實現了新興的發展。在汽車摩托車工業制造領域,始終是壓鑄工業最大的市場。我國的汽車摩托工業迅速發展與壓鑄技術的升級密切相關。我國從1990 年到1997年七年的時間,壓鑄件的產量翻了一番,增長始終保持在20%以上,而壓鑄件的主要材料為鋁合金材料,在汽車摩托車行業鋁合金材料的應用十分廣泛。通過綜合分析當前鋁合金壓力鑄造技術存在的問題,可以發現,只有確定研究方向,加大投入力度,才能盡快形成自主知識產權,推動鋁合金壓鑄工藝,形成規范性的產業規模,扭轉鑄造技術落后、能源浪費、金屬含量低的問題,提升我國的綜合競爭力和影響力。

(一)應用。鋁合金壓力鑄造技術作為鋁合金行業發展的重要依托,近年來得到了迅速的發展,我國的壓鑄企業多達1000多家,其中60%以上從事鋁合金壓力鑄造,可見鋁合金鑄造工藝在我國國民經濟發展過程中占有十分重要的比例。鋁合金壓鑄技術已經廣泛應用于航空航天、電子汽車等,對于西方國家來說,大部分汽油機的缸蓋、缸體都由鋁合金壓鑄構成。在我國汽車設計領域,鋁合金鑄造技術也得到了迅速的發展,廣州東風本田發動機有限公司率先引進了鋁合金缸體,重慶長安汽車集團、長安鈴木汽車公司和哈爾濱東安汽車動力公司都引進了全自動生產線,來進行鋁合金缸體的壓鑄,這些企業大力引進已經形成了一定的產業規模,對于扭轉我國汽車鑄造行業的被動局面具有重要意義。

(二)工藝。在鋁合金壓鑄件制作的過程中,最容易出現的問題就是內部的氣孔和疏松,這些氣孔和疏松將會直接降低材料的使用性能,因此,國內外公司都在探究新的工藝和新的方法,一般采用以下幾種方式來進行技術的改造與升級。

第1,真空壓鑄法。這種壓鑄方式是指把型腔內的空氣直接抽出來,形成一種真空狀態,再將金屬液鑄造成型。這種方式能夠直接減少出現內部的氣孔,提升鑄件本身的性能和質量,同時能夠有效減少型腔內的反壓力,降低鑄造性能較差的合金的可能性,提高鑄造的質量。

第2,加氧壓鑄法。在鋁合金液進行充型之前,用氧氣填充的方式取代原有的空氣,在填充時一方面通過排氣槽排出氧氣,而另一方面則將噴射的鋁液和沒有排出的氧氣直接發生化學反應,從而產生氧化鋁微粒分散在鑄件內部,使鑄件的氣孔能夠隨之消失,提升鑄件的機械強度,綜合性能得到提升,抗沖擊性也明顯提高,壓鑄件能夠在290--300℃的環境下進行工作。

第3,半固態壓鑄法。這種方式是指在液態金屬凝固之前進行強烈的攪拌。這種漿料進行壓鑄的過程中可以發現,金屬在攪拌的過程中已經有了50%的熔化潛熱散失,所以澆筑溫度會降低,減少了對壓力室、型腔以及壓鑄機的熱沖擊,因而壓鑄機的使用壽命將會得到提升,同時,由于它的粘度大于液態金屬,流速較低,所以在填筑時噴濺較少,卷入的空氣少也不容易產生更多的氣泡,固態金屬的收縮小,因此逐漸的綜合質量高,操作十分簡單方便,這種方式已經得到了大范圍的推廣和應用。

第4,計算機輔助工程技術(CAE)是近年來比較先進的一種壓鑄工藝,它能夠根據需求通過對計算相關數據來降低制造成本。由于壓力和充型時間得不到有效的控制,目前國際上并沒有關于模具變形、模具剛度和壓力控制準確研究,所以一些外部條件很難把握。為了進一步提升生產的的綜合能力,可以利用CAE技術明確邊界界限,優化制造流程,對整個鑄造過程進行可視化監管,這也是CAE 技術的重要作用之一。全國地上幾個大的汽車生產廠家,如Toyato、Daimler-Chrysler等公司,正在斥巨資研究CAE技術,旨在提升自身的綜合生產能力。

(三)裝備。國際上關于鋁合金發動機的鑄造已經有了近40 年的研究,發達的工業國家對于壓鑄機的生產都已經形成了CNC化的研究模式,直接檢測壓力室的溫度、推桿位移和速度,并且對鑄造流程進行全面的監控,而我國對此技術在很多方面還是十分空白的,國內壓力鑄造模具的質量和設計上也存在著很多的不足,比如說壽命短、成本高、模具可靠性差的問題,因而CAE技術的研究與發展應該被提上日程。

二、壓力鑄造技術的基本特點

由于整個鑄造工作是在壓鑄機中展開,需要澆入液態或半固態的鋁合金,在高壓的狀態下迅速填充并形成結晶,從而獲得鑄件。這種鑄件方式的特點在于生產效率高、鑄件的精度高、簡化生產流程,可以省去裝配工序,填充速度快,這些特點對于提升我國鋁合金壓力鑄造工藝具有重要意義。

它的充型壓力一般在20 至200MPa在進行大批量的生產作業過程中,生產周期短一次操作的循環時間約為5秒至180秒,很適合大批量的生產,操作前經濟性很強受到了生產廠家的一致歡迎。同時由于鑄件的精度較高,在工作過程中材料本身輪廓比較清晰,尺寸精度高,表面粗糙程度低,可以有效地減少機械加工。通過簡單的裝配就可以進行工作,同時產出的產品含氣量較少,組織精密、力學能力好,明顯強于其他鑄造工藝。鋁合金壓力鑄造技術通常采用鑲嵌法,它能直接省去裝配工序,簡化了生產操作流程,鑄件的材料有多種,有鋼、鑄鐵、銅、絕緣材料等,所以在制備過程中需要根據具體的操作方法來進行分類操作,但是這種操作方法也存在著一定的問題,比如充型速度過快使得鑄件中的空氣難以排出空氣的積存形成大氣泡,如果這些氣泡殘留在鑄件內部,會使得熱處理工作難以展開,導致鑄件直接報廢。

結束語

總之,為了進一步提升我國鋁合金壓力鑄造技術的綜合水平,必須深入研究當前存在的問題,與國際先進的鑄造技術相結合,積極借鑒其他國家的方法與我國目前的發展狀況相結合,全面提升鋁合金鑄造技術的能力和水平,為我國各個行業的發展提供更加有效的支撐。