鋁合金壓鑄技術和發(fā)展里程

20世紀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%。

　　中國現有壓鑄企業(yè)3000家左右，壓鑄件產量從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量的3/4以上。中國壓鑄件產品的種類呈多元化，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。隨著技術水平和產品開發(fā)能力的提高，壓鑄產品種類和應用領域不斷擴寬，其壓鑄設備、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)化生產以來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和冷室壓鑄機的發(fā)明，得到了快速發(fā)展。

　　壓鑄鋁合金按性能分為中低強度(如中國的Y102)和高強度(如中國的Y112)兩種。目前工業(yè)應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行固溶熱處理，這就制約了壓鑄鋁合金力學性能的提高，雖然充氧壓鑄、真空壓鑄等是提高合金力學性能的有效途徑，但廣泛采用仍有一定難度，所以新型壓鑄鋁合金的開發(fā)研制一直在進行。先進的壓鑄技術早期的臥式冷室壓鑄機的壓鑄過程只有一個速度壓送金屬液進入模具，壓射速度只有1m~2m/s。采用這種工藝，鑄件內部氣孔多，組織疏松，不久便改進為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，這就是經典的3段壓射。

　　20世紀60年代中間，這種3級壓射已經普遍推開，并且快壓射階段的速度已提高到5m/s。此后的40余年期間，世界各國領先的壓鑄機制造商對壓射過程進行了研究試驗，從而開發(fā)出一些新工藝，如70年代的拋物線壓射系統(tǒng)，80年代的無飛邊壓鑄系統(tǒng)，90年代的無飛邊壓射系統(tǒng)，其中有的從3階段壓射中對每個階段加以再分解，這正是這個經典的3階段壓射的繼續(xù)發(fā)展的延伸。現在壓射速度、壓力已由原來的人工手輪調節(jié)控制改為計算機控制。近年來，人們?yōu)榱私鉀Q壓鑄件內部存在的氣孔和縮孔問題，能夠生產出高強度、高密性、可焊接可熱處理、可扭曲等各種高要求的壓鑄件，除了繼續(xù)完善真空壓鑄以外又發(fā)展了擠壓鑄造和半固態(tài)壓鑄等新的技術，并加以概括地稱之為“高密度壓鑄法”。真空壓鑄技術真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽空或部分抽空，降低型腔中的氣壓，以利于充型和合金熔體中氣體的排除，使合金熔體在壓力的作用下充填型腔，并在壓力下凝固而獲得致密的壓鑄件。

　　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，微觀組織細小；(3)真空壓鑄件的力學性能較高。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計至關重要。排氣道存在一個“臨界面積”，其與型腔內抽出的氣體量、抽氣時間及充填時間有關。

　　當排氣道的面積大于臨界面積時，真空壓鑄效果明顯；反之，則不明顯。真空系統(tǒng)的選擇也非常重要，要求在真空泵關閉之前，型腔內的真空度可保持到充型完畢。充氧壓鑄技術壓鑄件氣孔中的氣體絕大部分為N2和H2，幾乎沒有O2，主要原因是O2與活性金屬發(fā)生反應生成了固體氧化物，這為充氧壓鑄技術提供了理論基礎。充氧壓鑄是在壓鑄前將氧氣充入型腔，取代其中的空氣。當金屬液進入型腔時，一部分氧氣從排氣槽排出，殘留的氧與金屬液發(fā)生反應，生成彌散狀的氧化物微粒，在鑄型內形成瞬間真空，從而獲得無氣孔的壓鑄件。充氧壓鑄過程中，型腔內的真空是由化學反應產生的。生產中為保證安全性，應嚴格控制充氧量，降低型腔壓力，使其與充氧壓力相匹配。將真空壓鑄與充氧過程結合起來，使型腔處于負壓狀態(tài)，可獲得更好的效果。

　　在金屬液充型過程中，應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，適當的澆道尺寸既可以滿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化。充氧壓鑄可用于與氧反應的Al、Mg及Zn合金。目前，采用充氧壓鑄可生產各種鋁合金鑄件，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，充氧壓鑄具有技術和經濟上的優(yōu)勢。半固態(tài)壓鑄技術半固態(tài)壓鑄是在液態(tài)金屬凝固時進行攪拌，在一定的冷卻速度下獲得約50%甚至更高固相組分的漿料，然后用漿料進行壓鑄的技術。半固態(tài)壓鑄技術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)金屬送入特殊設計的壓射成形機筒中，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)。

　　為實現半固態(tài)成形的自動化生產，美國科學家認為需要大力發(fā)展以下幾種技術:(1)具有自適性、靈活性的棒料運輸；(2)精密的壓鑄潤滑及維護；(3)可控的鑄件冷卻系統(tǒng)；(4)等離子除氣及處理。

　　擠壓壓鑄技術擠壓壓鑄又稱“液態(tài)金屬模壓”。其鑄件致密性好，力學性能高，且無澆冒口。我國的一些企業(yè)已將其應用于實際生產中。擠壓壓鑄技術具有極好的工藝優(yōu)勢，它能替代傳統(tǒng)壓鑄、擠壓鑄造、低壓鑄造、真空壓鑄工藝，以及對差壓鑄造、連鑄連鍛、半固態(tài)加工的流變鑄造工藝進行兼容。專家認為，擠壓壓鑄技術是一項前沿性的新技術，橫跨多個工藝領域，內涵豐富，創(chuàng)新性強，極具挑戰(zhàn)性。

　　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)完全采用計算機數字控制，工藝執(zhí)行非常準確、重復性好，使鋁合金鑄件在成品率、力學性能、表面質量和金屬利用率等方面都具有明顯的優(yōu)勢。這項技術隨著研究的不斷深入，工藝也愈來愈成熟。

　　壓鑄設備的發(fā)展通過近幾年的發(fā)展，中國壓鑄機的設計水平、技術參數、性能指標、機械結構和制造質量等都有不同程度的提高，特別是冷室壓鑄機，由原來的全液壓合型機構改為曲肘式合型機構，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控制，操控水平大大提高，有的已經達到或接近國際水平，正在向大型化、自動化和單元化進軍。

　　在此期間，國內新的壓鑄機企業(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)了多項國內領先的壓鑄機型，例如，臥式冷室壓鑄機最大空壓射速度6m/s(1997年)和8m/s(2000年初)，鎂合金熱室壓鑄機(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(2004年7月)等。

　　近年來，上海壓鑄機廠，灌南壓鑄機廠等骨干企業(yè)都開發(fā)了最大空壓射速度為8m/s以上的臥式冷室壓鑄機和鎖模力在10000kN以上的大型壓鑄機；2005年投產的廣東順威伊力精壓科技有限公司將生產10000kN~30000kN大型壓鑄機。可見中國正在形成一個有實力的、具有自主知識產權的壓鑄機制造業(yè)。中國現有壓鑄機總數1.2萬臺，其中國產壓鑄機約占85%，進口壓鑄機約占15%。近兩年中國壓鑄機的年銷售量均在1800臺以上，其中10000kN及以上壓鑄機占2%，8000kN~9000kN壓鑄機占5%，5000kN~7000kN壓鑄機占13%，3500kN~4000kN壓鑄機占20%，3000kN及以下壓鑄機占60%。在3000kN以下壓鑄機中，熱室壓鑄機約占30%。

　　中小型壓鑄機仍以國產設備為主。國產壓鑄機與國外先進的壓鑄設備的差距主要表現在以下幾方面:(1)總體結構設計落后；(2)漏油嚴重；(3)可靠性差:這是國產壓鑄機最突出的缺陷，據了解，國產壓鑄機的平均無故障運行時間不到3000小時，甚至達不到國外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方面已基本成系列，但仍有個別斷檔，如從16000kN到28000kN間就無產品。熱室壓鑄機也缺少4000kN以上的產品。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，現都采用高溫、高強度的3Cr2N8VH13熱鍛鋼作為模芯材料，近年來又采用了進口的8407材料，使模具的使用壽命大大提高，特別是近年國內大部分廠都采用了計算機設計及模擬充填技術，使壓鑄模生產質量大大提高，生產期大大縮短。

　　中國模具行業(yè)發(fā)展迅猛，1996年至2004模具產量年平均增長率14%，2003年壓鑄模當年產值為38億元。目前，中國國內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、復雜的精密模具，在生產技術、模具質量和壽命以及生產能力方面均不能滿足國民經濟發(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品的需求，為壓鑄件生產提供了一個廣闊的市場，壓鑄鋁合金在汽車上的應用也將不斷擴大。

　　在今后的壓鑄技術研究與開發(fā)中，鋁合金壓鑄的深化依然會是壓鑄技術發(fā)展的一個主要方向。為了適應市場需求，今后應進一步解決以下問題:(1)推廣應用新型高強度、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，為實現綠色化生產提供基礎；(4)進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能力，推行并行工程(CE)和快速原型制造技術(RPM)；(6)開展CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的研究與開發(fā)；(7)開發(fā)和應用更多的壓鑄鋁合金汽車零部件。