中国压铸杂志

CFK及压铸铝制成的混合部件

作者:admin 来源:原创 发表时间:2017-10-31
 
纤维强化的铸造合金早已被应用于工业活动。有关文章便曾报道过在镁-锂-合金中加入特定高强度碳素纤维强化。此外,还提到纤维体可以被熔融状态下的合金压力渗透。
最新的生产制造初次尝试,使用力锁合连接结构,例如在金属和CFK(碳素纤维强化的合成材料)之间采用螺旋-和铆连接,不仅如此,也会采用材料结合的连接方式,例如通过铝压铸重铸CFK。通过重铸,合成材料的纤维与铝铸合金渗透,形成一种不仅粘结牢固而且具有形状锁合结构的连接形式。除此之外,过渡结构也在试验之列,目的在于获得有关设计,规划以及故障状态的基础认识。
试验的实践
这个研究指的是将CFK-层压塑料置于压铸模具中与铝合金一起进行重铸。CFK-层压塑料用树脂包裹,只是为了避免在压铸过程中,由于壁厚不足承受不必要的热量。
Hexply M21/T800S型CFK-预浸料与铝压铸合金AlSi9Cu3(Fe)进行重铸的可行性会再详细研究。试验得到的零件,其重量与另一种连接技术制成的相比并没有增加。图1示意了所铸样本的构成。
 

 
目的在于,将CFK-层压塑料(厚度:4mm)重铸成不仅具有形状锁合结构,同时是纯力锁合的材料。为此设置了四种经过不同加工方式的CFK-层压塑料(图2)。
 
节本:
轻型结构应用的趋势从未间断过,于是要求材料的复合方式有所创新。以前,由CFK(碳素纤维强化的合成材料)和铝制成的零件,优先采用粘合,铆合以及螺旋拧紧的方式。其中的缺点也逐渐显露出来,对粘合面的预处理昂贵,以及由于铆合和螺栓连接会出现额外的重量。
这个研究指的是将CFK-层压塑料置于压铸模具中与铝合金一起进行重铸及试验。
 
为了使CFK和铝之间形成形状锁合结构的连接方式,如图2所示,需在CFK-层压塑料上钻孔(直径6mm)(所有CFK-层压塑料的上部分钻孔直径为8.1mm,是为了在后期的拉力测试中,确保试样被夹钳固定,锁紧在测试机器上)。经过压铸达到形状锁合。当CFK-层压塑料没有钻孔时,形成纯力锁合的连接。这是由固化铝材的紧固力及其引起的静摩擦力合力作用而成的。
为了进一步研究CFK和铝之间电化学性质的接触腐蚀,会在试样表面喷涂石墨漆。
除此之外,CFK-层压塑料的壁厚及压铸进程中的活塞速度(2m/s和4m/s)都是多样化的。

 
压铸试验由图3所示的压铸工具完成。压铸过程中,CFK-层压塑料由紧固装置固定于压铸模的中央(图3和图4),然后与壁厚1mm的铝材一并进行重铸。使用一台冷箱压铸机,锁模力为4MN,制成不同参数的48个样本(图5)。
 
 
 
研究结果
从外观上看,样本并没有受到损坏。为了分析CFK-层压塑料内部的受损情况,将使用3-D-计算机X射线断层成像并生成显微照片。在CFK和铝材之间的过渡区存在微小的气孔。可以归因于CFK-层压塑料上的树脂受到的热负荷。图6和7是材料的显微照片和CT图像。在压铸工具中装配的压力-和温度传感器显示,零件再压制阶段压力达到1000bar,以及CFK-层压塑料部分充模时,模具最高温度可达460°C。
 

 
在拉力测试中研究CFK和铝材之间的连接稳固性。将试样固定在拉力测试机中,测定能够将试样连接部分拉断所需的最大力。这里有个例子是用一些试样的测试值绘成的“力-位移-图”(图8)。


 
结果很显然,试样中,有钻孔的CFK-层压塑料与没有钻孔的相比,前者的连接强度更高。其它试样还表明,没有钻孔的CFK-插入件,其滑动摩擦力在拉力达到最大值以后,趋于平均。与之相反的是有钻孔的试样,可以清楚地发现,它们的滑动摩擦曲线是毫无规律的。在“力-位移-图”中黄色箭头标记的峰值是由分隔通过钻孔形成的形状锁合连接引起的。每次分隔前都会出现一次沉降移动,紧接其后的即是分隔形状锁合连接的力有所增加。相应地,滑动摩擦也随之下降。


 
概述而言,所有研究的样本中,22份厚度为4mm的CFK-层压塑料,都达到了表1列示的最大力。
随后计算原始横截面积为120mm2 的CFK-层压塑料的抗拉强度,结果显示,最大应力可达200MPa。同时还可测定分隔连接销所需的剪力。由剪切已浇铸的连接销引起增加的力合计平均5kN/销。
总结
研究结果很显然,使用压铸法重铸CFK-层压塑料原则上是可行的。两种材料结合良好,由于压铸过程中的固化及冷却时间短,CFK-层压塑料的热负荷也较低,因此CFK-层压塑料面上的浇铸壁厚只有1mm。

 
拉力测试中,最大力达到24kN。这是针对横截面积为120mm2的层压塑料,相应的应力大约为200MPa。
经过铝压铸加工的层压塑料,厚度为4mm的包裹侧面积达到4080mm2。 两种材料通过铝合金缩孔得到压合,拉力测试中滑动摩擦产生的摩擦力与正交力成比例。然而,静摩擦和滑动摩擦的摩擦系数μ未知。
从拉力测试中的拉力变化可以算出挤压力,因为包裹的面积每mm滑动距离减68mm2(△F=力的变化量/△s=距离变化量,图9)。这个挤压力可以由挤压面积和单位面积内,力的变化量计算得出,即300N/60mm2=5MPa。除此之外,还能计算出, CFK-层压塑料的最大抗拉强度能够达到1000 MPa所需要重铸的面积。
剪断一并浇铸的连接销所需的力合计约为5 kN。因为每个直径为6mm的销,其横截面积有27mm2,剪断这样规格的铝材连接(抗拉强度且定为240MPa)所需的应力约为185 MPa。
通过侧切CFK-层压塑料取代销,拉力试验中的力就能够显著增加,因为层压塑料的抗拉强度约为1000MPa(图10)。CFK主体喷漆处理与否的一个对比(图11)显示出相差的系数为2,这意味着,喷漆的摩擦系数比没有喷漆的仅高出一半。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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