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知识篇:铝合金挤压铸造在汽车轻量化上的应用及发展趋势

挤压铸造是一种集铸造、锻造为一体的先进铸造成型技术,与传统的重力铸造相比,液态金属在压力作用下强制进行补缩,从而可获得连续致密组织、晶粒细小、性能优异的精密铸件,目前已经在航空航天、汽车、机械制造及船舶工业得到了应用。

从目前的发展趋势看,为了保护环境、节约能源和资源,未来汽车研发将更主张汽车轻量化设计。在汽车生产中采用高强钢、铝合金、镁合金、复合材料等轻量化材料可以有效实现汽车轻量化,而铝合金凭借低密度、良好的耐蚀性、易于加工等优点,凭借挤压铸造技术,近年来已经发展成为汽车轻量化发展的新宠

1、 挤压铸造在汽车上的应用现状

间接挤压铸造工艺在日本和美国应用比较广泛,特别是在汽车领域很好地取代了铝锻件,我国在苏州三基研发成功设备之前,仅有上海交大及二汽等少数购买了宇部设备的厂家进行生产。哈尔滨吉星从2011年开始利用国产设备为丰田开发产品,2014年成为一汽丰田一级供应商,使用挤压铸造技术生产的支架系列产品达到了国际先进水平,现为亚洲龙及RAV4车型配套生产支架类系列产品,2018年为国内某自主品牌汽车开发以铝代铸铁转向节,减重50%以上,如图1所示。

 

(a) 丰田支架系列

(b) 转向节

图1 挤压铸造汽车件

 

2、挤压铸造工艺批量生产汽车零件存在的问题

我国关于间接挤压铸造研究起步较晚,目前在量产方面还有很多不足,导致挤压铸造产品质量稳定性差,废品率高等诸多问题,严重制约着间接挤压铸造技术的发展,批量生产汽车零件应从模具结构的设计与制作、生产参数选取与控制着手,来改善产品质量稳定性差,废品率高等诸多问题。

2.1粘模

在挤压铸造过程中,对于壁厚较厚部位,往往会出现粘模现象。这主要由于此处模具温度较高,解决粘模问题主要从脱模剂入手,通过喷涂脱模剂来调整模具温度场,这主要包括提高脱模剂的浓度、采用脱模效果更好的脱模剂,此外还有降低浇注温度等措施。

通过这些手段在一定程度上都会减少粘模现象的发生,但是强化脱模剂浓度时会使模具表面形成一层较厚的脱模剂层,从而使铸件表面形成麻点缺陷。

2.2冷隔、欠铸

在间接挤压铸造生产的铸件中,这种缺陷主要多发生于距离浇口较远位置,也有一些会发生在薄壁位置处,这些位置都容易形成未熔合类缺陷。主要形成原因有以下几个方面。

(1)金属液充型速度过慢,导致远离浇口位置处型腔金属液没有充满就开始凝固。这时应适当调整压射速度,满足金属液充型性。

(2)模具温度过低,导致金属液流动性变差,使金属液没有充满型腔就已经开始凝固。针对这一问题需实时监控模具温度,并利用模温机对模具进行加热,使模具温度达到一个较合理稳定的范围。

(3)集渣包设置不当或型腔排气条件不好,使铝液流动不畅;气体和夹渣排不出去或气道过早地被堵塞,将气体留在型腔某一部位形成孔洞或未充满型。

(4)挤压压力不足或压力损失过大,无力将金属液压送到远而窄的型腔中去。为此,对于薄壁或外形较大的铸件,在铸型设计时,要选择好浇口位置,尽量缩短浇口至铸件端头的距离,设置好集渣包、排气通道,并在工艺上适当增加充型速度。

3、 未来的发展趋势

(1)进一步完善间接挤压铸造理论。

(2)开发一种间接挤压铸造模拟专用软件,进一步精确控制工艺参数,当然模拟软件的开发也需要间接挤压铸造理论做支撑。

(3)进一步开发间接挤压铸造新工艺。半固态和近液相线成型工艺在间接挤压铸造中已得到了应用,但同样还存在一些问题需要解决,如半固态浆料的制备、近液相线温度的控制以及金属液充型问题。

(4)制定关于挤压铸造方面的标准,进一步明晰评价标准,来规范和统一设计人员和用户的认识。

(5)开发能够实时监控各种主要铸造参数的设备。