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铸造技术路线图-高压铸造(-)​
发布时间:2020年09月24日 10:48


1、 概述

压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种少无切削的特种铸造方法,具有生产效率高、经济指标优良、铸件尺寸精度高和互换性好等特点,在制造业,尤其是规模化产业得到了广泛应用和迅速发展。压力铸造是铝、镁和锌等轻金属的主要成形方法,适用于生产大型复杂薄壁壳体零件。压铸件已成为汽车、运动器材、电子和航空航天等领域产品的重要组成部分,其中汽车行业是压铸技术应用的主要领域,占到70%以上。随着汽车、摩托车、内燃机、电子通讯、仪器仪表、家用电器、五金等行业的快速发展,压铸件的功能和应用领域不断扩大,从而促进了压铸技术不断发展,压铸件品质不断提高。


在压铸过程中,熔融金属在冲头的作用下以高速充填型腔(一般可达10~100m/s),并在高压(常见的压力为15~100MPa)下结晶凝固形成铸件。高压、高速是压铸的主要特征。根据不同阶段冲头速度以及压力的变化,以冷室压铸为例,压铸一般分为给汤、压射(分慢压射和快压射两个阶段)、保压凝固、开模和取样等过程。在给汤过程中,高温金属液与空气接触,发生氧化,所产生的氧化物会随着压射过程进入型腔,造成氧化夹杂。在低速压射过程中,当低速速度过高时,位于冲头前端的金属液易向前翻转而卷入空气,形成气孔,在高速充填过程中,金属液以湍流形式进入型腔,型腔中的空气来不及排出而被金属液卷入,最终导致铸件中出现气孔。由于压铸件多数为复杂薄壁件,因此为了满足其充型完整性,通常将内浇口设计得非常小,以保证可以达到高速充填的效果,但在凝固过程中,较小的内浇口相比于铸件易于较早凝固,从而阻断了压室与型腔间的液相补缩通道,使得后续的高压补缩阶段作用时间较短,效果不甚理想。另一方面,压室预结晶组织(ESCs)作为压铸件中一种典型组织,是金属液在压室中凝固形成的预结晶颗粒随熔体充填型腔而形成的粗大枝晶状晶粒,在ESCs 聚集的区域,由于补缩效果不理想,极易出现缩孔缺陷。因此,气孔和缩孔构成了压铸制品的主要缺陷———孔洞缺陷。孔洞缺陷造成压铸件力学性能的下降和不稳定,降低压铸件的气密性,并限制了压铸件的焊接和热处理应用。靠近表面的孔洞缺陷还会造成压铸件在机加工后报废,极大地限制了压铸件的应用范围。


虽然压铸件现已广泛应用于汽车、通信电子及航空航天等领域,但由于其绝对强度较低、高温力学性能较差且难以进行后续的热处理、焊接等工艺,因此,压铸件主要用于生产常温下对力学性能要求不高的壳体零件,而对于对力学性能有较高要求的结构件仍采用其他生产效率相对较低、经济指标相对较差的成形工艺或其他比强度较低的材料。随着我国汽车工业的迅猛发展,一方面对汽车用压铸件的需求量日益提升,另一方面为了应对环境污染以及资源紧张的发展现状,对汽车用压铸件的质量要求及应用范围提出了更高的要求。相关文献指出,车身重量每降低10%,就可以降低5%~7%的能源消耗。因此发展高性能、高致密度压铸成形技术以拓展压铸件应用范围,是压铸行业未来主要的发展趋势。


2 、关键技术

2.1 高性能压铸合金开发

2.1.1 现状

目前,工业上常用的压铸合金为铝合金及镁合金。其中压铸用铝合金主要有Al- Si(Al- Si- Cu、Al- Si-Mg)及Al-Mg 等几种系列,其中Al- Si 系合金应用最为广泛。然而,目前工业上所使用的压铸铝合金,主要是针对压铸工艺特点所开发的,而对力学性能及后期的热处理及焊接工艺要求等方面较少进行考虑。因此,尽管当前压铸件的强度能够达到300MPa,但塑性较差,断后伸长率较低,且无法满足后续的热处理及焊接工艺要求,极大地限制了压铸铝合金件的应用范围。压铸用镁合金主要有AZ系(Mg- Al- Zn)、AM系(Mg- Al-Mn)及AE 系(Mg- Al- RE) 等几种系列,如AZ91D、AM60B 及AE42 等压铸镁合金在汽车、电子等领域得到了广泛应用。与压铸铝合金相似,压铸镁合金的开发同样是基于压铸工艺特点进行的。而由于常用的压铸镁合金绝对力学性能较低,耐蚀性及高温性能较差,因此,压铸镁合金件难以大范围应用。


对于新型高强韧压铸铝合金的开发,主要包括两个方面:一是针对现有传统压铸铝合金的合金成分或添加合金元素进行优化设计;二是开发新型压铸铝合金系。而新型压铸铝合金一般要求其满足以下几点:

①适用于壁厚为2~4 mm复杂结构压铸件的生产;

②铸态下的抗拉强度和屈服强度分别可以达到300 MPa 和150 MPa,且具有15%的伸长率;

③具有良好的耐腐蚀性能;

④可以通过工业上对变形铝合金常用的高温喷漆过程对合金进行一定的强化;

⑤可进行热处理强化处理;

⑥可回收利用且环境友好。当前常用的高强韧压铸铝合金有Silafont-36、Magsimal- 59、Aural- 2 及ADC- 3 等牌号,均为国外开发,其共同特点是Fe 含量均比普通压铸铝合金更低,另外其他杂质元素如Zn、B、Ti 等均进行了严格控制。

目前,国外关于高强韧压铸铝合金的研究内容较为全面,包含微观组织形成机理,组织与性能之间的关系,以及不同合金元素及其含量对合金力学性能的影响。如德国Aluminum Rheinfelden公司开发的Silafont- 36 合金,在确保强度的前提下,将Fe 元素含量降到0.2%以下,从而使得塑性提高,同时为了避免粘模现象,加入0.5%~0.8%的Mn 元素,并且可进行后续热处理工艺,进一步提高合金性能,目前已将该合金应用于汽车车门的制造。


对于新型压铸镁合金的开发,主要包含三个方面:超轻高强度压铸镁合金;抗高温蠕变压铸镁合金;耐蚀压铸镁合金。针对超轻高强度压铸镁合金的研究主要集中在Mg- Li 系合金,Li 元素可提高合金的韧性,而强度则下降,通过添加第三元素,经过热处理后,可使合金的强度得到大幅度提高。针对抗高温蠕变压铸镁合金主要集中在添加合金元素,其有三方面作用:一是细晶强化,合金元素的添加有利于形成高熔点形核质点达到异质形核细化晶粒的效果;二是析出相强化并钉扎晶界,组织晶界滑移;三是固溶强化,Y等元素固液界面前沿形成强的溶质过冷层,抑制了初生相生长而细化晶粒。而针对耐蚀压铸镁合金同样集中在添加合金元素上,同时还应与提高力学性能和抗高温蠕变性能相结合,以开发耐腐蚀热稳定优良的压铸镁合金系列为目的,加强对压铸镁合金添加合金元素的研究;开展压铸镁合金后期处理的研究,例如对镁合金表面进行涂层、强化处理,阻止氧化反应和介质腐蚀。


在压铸过程中产生的金属原料废料以及报废后压铸合金的回收利用方面,国外部分经济发达国家因其具有技术先进、济实力强、环保意识强及标准要求高等多方面有利因素和条件,在压铸合金废料的回收处理及再利用领域投入研究较多,技术相对先进、成熟,率先走出了一条经济、环保、实用的路子。其在回收利用的合金原料中加入其他元素或调整元素成分,以开发出新的具有优良性能的压铸合金。目前国内对这部分压铸合金的规模化回收处理通常是采用直接加入火焰炉或感应炉内重熔的方式,此种回收处理工艺所带来的主要问题是金属烧损大,重熔能耗高,环境污染较重,员工劳动强度大、作业条件恶劣等。


2.1.2 挑战

随着汽车工业的发展,为了满足汽车轻量化及大批量的需求,压铸铝、镁合金的质量需要进一步提高,以替代钢制品或其他成形工艺。当前传统的压铸铝合金塑性较差,且不宜进行热处理及焊接等后续工艺,而传统的压铸镁合金绝对力学性能较低,耐腐蚀性及高温性能较差,均难以满足汽车结构件对力学性能的要求。目前,国外车企及研究学者已开发出多种结构件用压铸合金,并展开了系统的研究。而国内关于结构件用压铸合金的研究鲜有报道,在结构件用压铸合金开发方面基本处于空白,所使用的结构件用压铸合金基本依靠进口。因此,亟需自主开发新型结构件用压铸合金,并开展合金工艺- 组织- 性能之间关系的基础研究,来应对和满足国内外汽车用压铸结构件的挑战及需求。另一方面,需针对压铸合金废料及报废后的压铸零件,开展相关研究以其为基础开发出新型压铸合金进行回收利用。


2.1.3 目标

1)预计到2020年,要达到的目标:开发一系列具有自主知识产权的新型高强韧压铸铝合金,及高强度、抗高温蠕变及耐蚀性良好的镁合金,使其兼具良好的压铸性能及力学性能,并对其工艺- 组织- 性能之间的关系进行研究分析并建立相应的关联关系。

2)预计到2025年,要达到的目标:基于自主开发的新型压铸铝、镁合金,采用先进的压铸技术进行铝、镁合金结构件的开发及应用。

3)预计到2030年,要达到的目标:开发基于压铸合金废料及报废后的压铸零件为原料的新型压铸合金,探索出一条经济、环保、实用的压铸合金回收利用的工艺方法。