服務(wù)熱線
0755-26825352
0755-26825352
18948189678
車(chē)鋁合金從動(dòng)鏈輪支架半固態(tài)壓鑄成形工藝研究陳曉陽(yáng)1，曾大本1，張連根2，薛黎明2，吳宗興（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京1000842.上海汽車(chē)有色鑄造總廠，上海200062）研究了用噴霧沉積工藝制造觸變性半固態(tài)A356鋁合金坯料，然后在自行研制的中頻感應(yīng)穿透加熱裝置中進(jìn)行二次加熱，再將處于半固態(tài)的合金錠料壓鑄成形的工藝方法。用該合金試制了上海通用汽車(chē)公司Buick車(chē)從動(dòng)鏈輪支架壓鑄件，經(jīng)X射線探傷和金相組織觀察表明，壓鑄件內(nèi)部顯微組織均勻致密，無(wú)氣孔、偏析等缺陷，力學(xué)性能優(yōu)于普通壓鑄件。
降低能耗、減少環(huán)境污染及節(jié)約有限資源是當(dāng)今面臨的一個(gè)十分重要而緊迫的問(wèn)題，因此，汽車(chē)輕量化是提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約能耗的重要措施和必然趨勢(shì)。半固態(tài)金屬成形技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近凈形成形等優(yōu)點(diǎn)，可滿足現(xiàn)代汽車(chē)制造業(yè)對(duì)有色合金鑄件高致密度、高強(qiáng)度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等綜合要求，因而倍受汽車(chē)制造廠商以及零部件配套生產(chǎn)廠商的重視。半固態(tài)金屬成形技術(shù)自20世紀(jì)70年代初由美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)二十多年的研究和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)零件制造業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用〔1～6〕，尤其是自1992年美國(guó)Alumax公司壟斷的麻省理工學(xué)院（M IT）有關(guān)半固態(tài)金屬成形技術(shù)專利保護(hù)期到期以來(lái)，半固態(tài)金屬成形技術(shù)在國(guó)外得到飛速發(fā)展，美國(guó)的AM P公司、CM I國(guó)際公司、GM公司，德國(guó)的EFUGmbh公司、意大利的Stampal SPA公司和法國(guó)的Aluminum Pechiney公司開(kāi)始了大規(guī)模地進(jìn)行半固態(tài)金屬成形商業(yè)化生產(chǎn)。其中，鋁、鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)在這些國(guó)家中已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用成長(zhǎng)期，它必將成為21世紀(jì)金屬加工技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，是面向未來(lái)的汽車(chē)零件制造技術(shù)中最具應(yīng)用潛力的成形技術(shù)。
半固態(tài)金屬成形（SSM F）是在合金處于固液兩相區(qū)半凝固狀態(tài)時(shí)直接加工成形的工藝方法，其關(guān)鍵技術(shù)包括：非枝晶半固態(tài)合金坯料制備技術(shù)、半固態(tài)合金坯料二次加熱技術(shù)和半固態(tài)合金坯料成形技術(shù)。
采用半固態(tài)金屬成形技術(shù)生產(chǎn)汽車(chē)零件，首先要求半固態(tài)合金坯料具有非枝晶組織，其制造方法分為固相和液相技術(shù)兩種，其中：固相技術(shù)包括混合粉末技術(shù)和應(yīng)變誘導(dǎo)激活技術(shù)（SIMA）液相技術(shù)包括攪拌（機(jī)械攪拌或電磁攪拌）技術(shù)和非攪拌技術(shù)（Os prey噴射沉積技術(shù)）〔7 ，8〕。目前國(guó)外已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)的有電磁攪拌、SIMA、Osprey等技術(shù)?，F(xiàn)已采用的半固態(tài)合金坯料二次加熱技術(shù)有中頻感應(yīng)穿透加熱、電阻恒溫加熱和鹽浴恒溫加熱等。半固態(tài)合金坯料的成形工藝有半固態(tài)模鍛、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)壓鑄和半固態(tài)注射成形等，這些工藝技術(shù)大部分應(yīng)用在汽車(chē)零件生產(chǎn)領(lǐng)域。目前我國(guó)對(duì)半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)基本還處于實(shí)驗(yàn)室階段，有關(guān)在汽車(chē)制造業(yè)的工業(yè)應(yīng)用報(bào)道很少〔9 ，10〕。本研究是在完成國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，與上海汽車(chē)有色鑄造總廠聯(lián)合進(jìn)行的半固態(tài)壓鑄鋁合金汽車(chē)零件生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目對(duì)典型汽車(chē)零件的半固態(tài)壓鑄成形技術(shù)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)上海通用汽車(chē)（SGM）有限公司Buick轎車(chē)中的從動(dòng)鏈輪支架進(jìn)行了半固態(tài)壓鑄工藝試制，取得了突破性進(jìn)展，為該零件的大批量半固態(tài)壓鑄生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)，本文將介紹主要的研究?jī)?nèi)容。
1半固態(tài)鋁合金坯料的制備國(guó)際上現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)的半固態(tài)合金坯料制備技術(shù)為合金熔體電磁攪拌法、應(yīng)變激活誘發(fā)法和鑄造Osprey噴射沉積法等三種，本項(xiàng)目采用Osprey噴射沉積法制備半固態(tài)A356鋁合金坯料，主要是考慮到其快捷和適于小批量試制的特點(diǎn)。用于制備半固態(tài)A356鋁合金坯料的合金錠料化學(xué)成分（質(zhì)量分噴射沉積半固態(tài)A356合金坯料的顯微組織特征為：粒度10～25μm的細(xì)小球狀初生αAl相等軸晶顆粒，其余為深色片狀（αAl Si）共晶體，見(jiàn)圖1.其形成原因，一方面是由于高壓高速氮?dú)饬髋c熔體強(qiáng)烈對(duì)流換熱使霧化沉積合金凝固時(shí)獲得很高的冷卻速度K/s），另一方面是高速氣流帶動(dòng)的霧化熔滴在沉積時(shí)以很高的速度（50～100m/s）撞擊基板或沉積體表面，其沖擊動(dòng)能所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和剪切速度，足以將半固態(tài)霧化熔滴中的枝晶打碎，形成非枝晶初生αAl球狀顆粒。所形成的半固態(tài)合金中，初生固相顆粒與共晶液相的相對(duì)比例約為4∶6.
態(tài)A356合金圓棒坯料。豎立在感應(yīng)線圈中加熱的半固態(tài)A356鋁合金圓棒坯料，其高/徑比一般不超過(guò)2.5 ，原因是：過(guò)長(zhǎng)的坯料在加熱到半固態(tài)后會(huì)發(fā)生變形，使其下部變粗、鼓脹，且表面氧化皮增多。若坯料的高/徑比大于2.5 ，最好采用直徑更大的半固態(tài)坯料。
2半固態(tài)鋁臺(tái)金坯料二次加熱工藝研究為獲得壓鑄時(shí)具有良好觸變性能的半固態(tài)漿料，應(yīng)將半固態(tài)合金坯料二次加熱到固液兩相區(qū)，使坯料原始組織中的初生固相顆粒成為游離態(tài)，并控制液相體積分?jǐn)?shù)在40 ～60 范圍內(nèi)，以使坯料具有良好的觸變性。半固態(tài)坯料常用的二次加熱方法有中頻感應(yīng)穿透加熱、電阻爐恒溫加熱和鹽浴爐恒溫加熱等。
中頻感應(yīng)加熱是大批量生產(chǎn)時(shí)半固態(tài)坯料二次加熱的最佳方式，其主要優(yōu)點(diǎn)是：清潔、高效、可控能適應(yīng)用戶對(duì)半固態(tài)坯料尺寸變化的需要：能耗相對(duì)較小熱穿透能力強(qiáng)。具有良好觸變性能的半固態(tài)鋁合金坯料，必須是坯料中共晶組織完全熔化為液態(tài)，且初生αAl相為球狀顆粒的固液均勻混合的漿料，為此采用自行研制的中頻感應(yīng)穿透加熱裝置對(duì)半固態(tài)A356合金坯料進(jìn)行二次加熱。中頻感應(yīng)加熱時(shí)，半固態(tài)坯料表面存在集膚效應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)中頻頻率為1400Hz ，功率為10kW時(shí)，坯料心部與表面的溫差約為10℃。用熱電偶測(cè)溫時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)一般在坯料中心部位。但在感應(yīng)線圈中用熱電偶和其他方式測(cè)溫誤差較大，在大批量工業(yè)生產(chǎn)時(shí)更不可能進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫，一般都采用加熱功率時(shí)間曲線來(lái)保證加熱要求。因此建立加熱功率時(shí)間溫度關(guān)系曲線就非常重要。
線。坯料中共晶組織完全熔化溫度為T(mén)由于感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，半固態(tài)坯料表面與心部之間存在溫度梯度，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，確定半固態(tài)坯料壓鑄時(shí)的工作溫度為：T 10℃。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定加熱時(shí)間為16min左右，先用10kW功率加左右至575～580℃，然后用5kW功率均熱1min左右。
鑄造陳曉陽(yáng)等：SGM Buick車(chē)鋁合金從動(dòng)鏈輪支架半固態(tài)壓鑄成形工藝研究在二次加熱過(guò)程中，半固態(tài)鋁合金坯料的組織轉(zhuǎn)變機(jī)制是：在坯料加熱前期，共晶組織中的Si相通過(guò)向初生α相中擴(kuò)散，由片狀變成點(diǎn)鏈狀，并隨著加熱溫度的升高進(jìn)一步細(xì)化成顆粒狀當(dāng)共晶Si相溶解到一定程度后，原來(lái)的共晶部分開(kāi)始熔化，熔化速度由共晶組織中片狀Si相的厚度決定，初生αAl相的形狀和尺寸則在熔化后才發(fā)生明顯變化。Osprey法制備的半固態(tài)坯料細(xì)等軸晶組織中的共晶熔化溫度為575℃。圖4為半固態(tài)A356鋁合金坯料二次加熱到580℃時(shí)水淬后的金相組織。
3半固態(tài)壓鑄工藝研究半固態(tài)鋁合金壓鑄是將半固態(tài)坯料二次加熱至坯料組織恢復(fù)到由40 ～60 球狀初生αAl固相顆粒和共晶液相共存的固液混合態(tài)，隨即用夾持工具夾持到壓鑄機(jī)壓射室中壓鑄成形，其主要工藝參數(shù)包括壓射比壓、壓射速度、壓射時(shí)間、型溫和壓射室溫度等。壓射比壓是壓射室內(nèi)半固態(tài)坯料所受的靜壓力，是半固態(tài)鋁合金壓鑄最重要的工藝參數(shù)之一。由于半固態(tài)鋁合金壓鑄時(shí)，坯料粘度較大，流動(dòng)性較液態(tài)金屬差，為了充分利用半固態(tài)鋁合金坯料的流變性，其壓射比壓應(yīng)較液態(tài)金屬壓鑄時(shí)要高20 ～30 .
壓射速度為壓射室內(nèi)壓塞的推進(jìn)速度。在低速壓射階段，由于不存在液態(tài)金屬壓射時(shí)的噴射、紊流和卷氣現(xiàn)象，因此該階段的壓射速度可比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)快，有利于提高充型速度，縮短充型時(shí)間，提高鑄件表面質(zhì)量。
壓鑄機(jī)進(jìn)料口尺寸應(yīng)根據(jù)具有半固態(tài)特點(diǎn)的坯料大小來(lái)開(kāi)設(shè)，并充分考慮半固態(tài)坯料經(jīng)二次加熱后的直徑膨脹，略大于坯料膨脹后的直徑。壓射室的預(yù)熱溫度應(yīng)足夠高，保證半固態(tài)坯料在壓射室內(nèi)不冷卻凝固，并應(yīng)保持穩(wěn)定。
半固態(tài)鋁合金壓鑄時(shí)壓鑄型的溫度也比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)要高，且要求溫度穩(wěn)定，一般應(yīng)控制在280～350℃。其對(duì)型內(nèi)澆注系統(tǒng)的要求與對(duì)擠壓鑄造澆注系統(tǒng)的要求相似，采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)、澆道流程短、澆道位置不遠(yuǎn)離鑄件。
用于夾持二次加熱半固態(tài)鋁合金坯料的夾具應(yīng)具有對(duì)坯料的夾緊、整形、保溫、搬運(yùn)等功能，應(yīng)保證坯料在夾持、搬運(yùn)過(guò)程中的溫度降不超過(guò)5℃。
上海通用汽車(chē)有限公司Buick轎車(chē)從動(dòng)鏈輪支架是該車(chē)動(dòng)力總成的關(guān)鍵鑄件，國(guó)產(chǎn)化率為1.01 .
該鑄件毛坯凈重1.85kg ，壁厚在厚壁處為15～40mm ，薄壁處為5～7mm ，為典型的壁厚不均勻鑄件。鑄件機(jī)械加工后須經(jīng)氣密性試驗(yàn)合格方可使用。
零件圖紙中要求中方的滲漏量為在試驗(yàn)氣壓下小于500ml/min.目前進(jìn)口的北美CKD鑄件，在試驗(yàn)氣壓下滲漏量小于700ml/min的情況下，合格率為70 ～80 .為提高Buick車(chē)國(guó)產(chǎn)化率，上海汽車(chē)有色鑄造總廠受上汽集團(tuán)委托，從1997年底開(kāi)始用普通壓鑄法試制該鑄件。在近兩年的攻關(guān)中，該鑄件廢品率始終高居不下，達(dá)50 ～75 ，主要缺陷為氣孔和縮松?？磥?lái)，用普通壓鑄法生產(chǎn)該零件似乎已走入死胡同，很難通過(guò)SGM公司批量生產(chǎn)前美方的PPAP認(rèn)證。工廠一直在尋找新的生產(chǎn)工藝來(lái)解決生產(chǎn)難題，在與清華大學(xué)合作的基礎(chǔ)上，初步確定采用半固態(tài)成形技術(shù)來(lái)生產(chǎn)該鑄件。圖5為試制成功的半固態(tài)壓鑄Buick車(chē)從動(dòng)鏈輪支架。與用普通壓鑄法生產(chǎn)的鑄件相比，抗拉強(qiáng)度由～330MPa提高到330～357MPa，伸長(zhǎng)率由小于3 提高到10 左右，力學(xué)性能明顯提高。X射線和熒光探傷及金相組織觀察表明，該鑄件內(nèi)部顯微組織均勻致密、各向同性，無(wú)氣孔、縮松等缺陷，且由于凝固收縮減小，半固態(tài)壓鑄件外形輪廓清晰，尺寸精度高，表面不存在普通壓鑄件常有的流紋等缺陷，氣密性試驗(yàn)合格，且在中試階段的合格率高達(dá)95 ，為工廠通過(guò)SGM公司美方的PPAP認(rèn)證打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
4結(jié)語(yǔ)半固態(tài)金屬成形技術(shù)與傳統(tǒng)熱加工的鑄造、鍛造工藝相比具有以下特點(diǎn)：消除了傳統(tǒng)鑄件中的柱狀晶和粗大樹(shù)枝晶，金相組織細(xì)密均勻，減少了鑄件內(nèi)部的疏松、偏析等缺陷，提高了鑄件的力學(xué)性能，可生產(chǎn)出高致密度、高力學(xué)性能的鑄件高生產(chǎn)率，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，改善了勞動(dòng)條件金屬在半固態(tài)狀態(tài)下成形，成形溫度較液態(tài)金屬低許多，對(duì)壓鑄型熱沖擊小，延長(zhǎng)了壓鑄型的壽命，降低了生產(chǎn)成本復(fù)雜鑄件可以使用芯子，既適用于生產(chǎn)薄壁鑄件又能生產(chǎn)厚壁鑄件半固態(tài)金屬壓鑄成形的鑄件可以進(jìn)行熱處理（T 5、T6）和焊接加工大大減少了金屬的氧化、吸氣、夾雜和液態(tài)金屬充型時(shí)的卷氣現(xiàn)象，減少了對(duì)金屬的污染凝固收縮小，可以減小澆冒口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)近凈形化成形，減輕鑄件毛坯的重量，減少切削加工余量在成形過(guò)程中不采用液態(tài)金屬，改善生產(chǎn)環(huán)境和工人勞動(dòng)條件，便于生產(chǎn)管理和安全管理，進(jìn)行精益生產(chǎn)。
面向21世紀(jì)的我國(guó)汽車(chē)及零部件制造工業(yè)，為了增強(qiáng)其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，采用先進(jìn)、高效的半固態(tài)金屬成形技術(shù)生產(chǎn)高致密性、高可靠性汽車(chē)零件的潛力非常巨大，我們的研究和開(kāi)發(fā)工作表明該技術(shù)在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用已開(kāi)始起步，未來(lái)在汽車(chē)制造業(yè)的應(yīng)用前景光明。
徐駿，張景新，樊建中。金屬學(xué)報(bào)， 1999， （2）：127）硼鑄鐵的耐腐蝕性能的研究劉云秋1，洪鶴1，何獎(jiǎng)愛(ài)2，張秋霞（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，遼寧沈陽(yáng)023 2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)0063.西安泵閥總廠，陜西西安710032）本文研究了利用含硼生鐵做加硼劑生產(chǎn)的硼鑄鐵的耐（酸）腐蝕性，結(jié)果表明，硼鑄鐵的耐（酸）腐蝕性明顯好于灰鑄鐵，當(dāng)含硼量為0.06 時(shí)，硼鑄鐵的耐（酸）腐蝕性能最好隨溫度升高，硼鑄鐵的耐（酸）腐蝕速度增大，隨介質(zhì)中pH值減小，耐（酸）腐蝕速度增大。
硼系鑄鐵是50年代問(wèn)世的具有較好的耐腐蝕性的鑄鐵，在短短的幾十年里，許多的學(xué)者的研究表明，硼鑄鐵是一種良好的耐磨材料，而且硼鑄鐵已從減磨材料發(fā)展到抗磨材料領(lǐng)域，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大〔1 ，2〕。在以前的研究文獻(xiàn)中，多次提到硼鑄鐵具有較好的抗蝕性〔3， 4〕，本課題是結(jié)合八五攻關(guān)項(xiàng)目硼鎂鐵礦的綜合利用課題―――含硼生鐵的研究與應(yīng)用專題而提出的，為了使含硼生鐵發(fā)揮更大的效益，筆者對(duì)硼鑄鐵的耐腐蝕性進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究。
1試驗(yàn)內(nèi)容與方法1.1試驗(yàn)材料本試驗(yàn)采用含硼生鐵做加硼劑，采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，其化學(xué)成分如下。
鑄造
