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鎂應用:鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝進展

來自: 鎂言 收藏 邀請

通過對國內外低壓鑄造技術發展歷程、鎂鋁合金汽車輪轂低壓鑄造工藝現狀的總結,分析了汽車輪轂低壓鑄造生產中的缺陷產生的原因與計算機數值模擬現狀,并對鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝提出了展望。

鑄造是人類掌握較早的一種金屬熱加工工藝,已有約6 000年的歷史。在已有的金屬成形方法中,鑄造工藝也是較為經濟的一種,尤其是用于成形一些形狀復雜或者難以進行切削加工的零件。對于汽車輪轂材料,生產中更多的選用鋁合金。鎂合金具有密度低(約為鋁合金的2/3)、比強度和比剛度高、鑄造和切削加工性能好、熱穩定性高、阻尼降噪等優點,也可作為輪轂材料。目前用于鎂合金的鑄造工藝有重力鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造以及低壓鑄造等。其中低壓鑄造作為鎂合金的主要成形方法之一,利用其平穩的充型和順序凝固特點可以生產出優質的鎂合金鑄件。但鎂合金汽車輪轂的低壓鑄造工藝仍有待深入研究和改進,尚未普及應用。隨著計算機技術的發展,數值模擬技術被廣泛地用于鑄造工藝的開發和優化,通過對鑄件的鑄造過程進行模擬,可以有效預測鑄件中產生的氣孔、縮松、縮孔及夾渣等缺陷,進而縮短產品工藝開發的周期,降低生產成本。目前,國內外學者已開發了多種用于鑄造工藝數值模擬的軟件,其中在我國較有影響的主要是ProCast、Magma、FtStar和華鑄CAE。 

本文通過文獻研究,介紹幾種用于鎂合金汽車輪轂的鑄造工藝與低壓鑄造工藝發展及數值模擬研究現狀,并對鎂合金輪轂低壓鑄造技術提出了展望。


1  鎂合金汽車輪轂鑄造工藝

1.1  重力鑄造

重力鑄造,是指熔融金屬在自身重力的作用下注入型腔的工藝。采用該工藝生產鎂合金汽車輪轂時,由于材料的密度較小,自身重力難以保證獲得高強度,因此,在澆注時需使用更多的熔融鎂合金,進而造成相當大一部分金屬浪費,工藝成本較高。蔡鎖岐等采用金屬型重力鑄造方法試制成滿足用戶要求的AM60B鎂合金車輪鑄件,但其工藝出品率僅為65%。

1.2  壓力鑄造

傳統的壓力鑄造工藝,簡稱壓鑄,首先是將熔融金屬注入壓射缸內,然后通過柱塞對其施加高壓(一般為30~70 MPa),使其在高壓作用下充型和凝固,并在保壓一定時間后再開模,頂出鑄件。利用該工藝生產鎂合金輪轂時,由于高壓充型,型腔內氣體以及由壓鑄涂料產生的氣體將滯留在鑄件內,形成許多彌散分布的氣孔,所以不能對鑄件進行熱處理強化,且其伸長率低,使用可靠性差。意大利的菲亞特汽車公司和美國的道屋(DOW)公司合作,生產出了可滿足使用要求AM60A鎂合金壓鑄車輪;美國通用汽車公司制備了壓鑄AM60B鎂合金車輪,其抗拉強度達到240~270 MPa,屈服強度為120~150 MPa,伸長率為4%~8%。 

針對傳統壓鑄工藝的氣孔殘留和鑄件不能進行熱處理強化的問題,對該工藝改進后得到了真空壓鑄和充氧壓鑄工藝。真空壓鑄,如Gibbs真空輔助垂直壓鑄工藝,首先是提前將型腔以及進料管中的氣體抽出,并借助真空將熔融金屬吸入注射筒,當達到工件所需的熔融金屬量時,通過柱塞的第一次運動而切斷注射筒和進料管之間的金屬流,然后通過柱塞的再次運動將熔融金屬注入型腔,然后對凝固中的金屬施加高壓,同時保持真空,適當停留后開模彈出工件。該工藝的真空環境可以消除或顯著減少鑄件內的氣孔,并提高其力學性能和表面質量,但抽真空設備的增加使設備投資比較大。而充氧壓鑄,是在充型前用氧氣或其他活性氣體置換型腔內的空氣,使之在充型時與金屬液反應生成金屬氧化物,并彌散分布在壓鑄件內,從而消除壓鑄件內的氣孔,使壓鑄件可熱處理強化。但需附加充氧控制裝置,這既增加了鑄造工藝周期,又增加了成本。

1.3  擠壓鑄造

擠壓鑄造,又分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造。二者均是在相對較低的流速下將金屬液注入型腔,然后閉模并在高壓下凝固。 

直接擠壓鑄造也稱液態模鍛(圖1),一般在立式機器上進行,該工藝首先是將熔融鎂合金注入型腔,然后閉模,并通過上模持續施加機械靜壓力,使鎂液在高壓下凝固,且已凝固的殼層會由于鍛造作用而產生微小的塑性變形,這將極大地減少鑄件中的疏松和氣孔缺陷,提高鑄件的致密度和力學性能。 

圖1  直接擠壓鑄造工藝操作示意圖

間接擠壓鑄造類似于傳統的高壓壓鑄,使用立式或臥式機器。該工藝中,是先將熔融鎂合金轉移到壓射缸內,然后通過一個較大的澆口以相對較低的速度將鎂液注入型腔,然后通過柱塞間接地對熔融鎂合金施加壓力,使其在高壓下凝固。 

間接擠壓鑄造和傳統壓鑄的金屬流動情況對比如圖2所示,間接擠壓鑄造較低的注射速度使熔融鎂合金前沿在型腔中平面推進,從而避免了卷氣。

圖2 金屬流動示意圖

1.4 低壓鑄造

低壓鑄造是熔融金屬在較低氣體壓力作用下自下而上充型,然后在壓力下凝固以獲得鑄件的一種成形方法,如傳統的置頂式氣壓低壓鑄造、真空低壓消失模鑄造以及電磁低壓鑄造等。 

傳統的置頂式氣壓低壓鑄造工藝原理如圖3所示。該工藝是通過向密封坩堝內通入0.009 8~0.049 MPa的壓縮空氣,氣體壓力逐漸增加,使金屬液在較低壓力下沿升液管自下而上緩慢充型,待充型結束后停止加壓,并保壓至鑄件完全凝固,然后卸壓使多余的金屬液流回坩堝,接著開模頂出鑄件。該工藝的低壓低速充型使液面平穩,可減少因金屬液沖擊飛濺而引起的氧化夾雜;在壓力下充型有利于提高鑄件致密性,并生產薄壁鑄件;另外,澆冒口系統簡單,金屬利用率可達80%以上。 

圖3  傳統置頂式氣壓低壓鑄造原理圖

真空低壓消失模鑄造技術是一種將低壓鑄造和真空消失模鑄造結合在一起的新型鑄造方法,該技術主要應用于比較復雜的鎂合金零件的液態成形,且獲得的鑄件精度較高,尤其是它解決了重力消失模中鑄件易出現的澆不足以及冷隔等問題。華中科技大學將反重力的低壓鑄造與真空消失模鑄造有機地結合起來,應用于Mg(Al)合金的液態精密成形,開發出了一種新的Mg(Al)合金真空低壓消失模鑄造方法及其設備。 

電磁低壓鑄造技術是一種生產效率高、近無余量精確成形的方法。圖4為電磁泵低壓鑄造工藝的示意圖。該工藝首先是將金屬液注入保溫爐,當達到澆注溫度時,通過給金屬液通以電流,使之在磁場中受到洛倫茲力的作用而沿升液管向上定向移動,同時可以根據鑄件不同截面處體積的不同利用計算機精確控制金屬液的流量,從而實現平穩充型。當充型結束,經過一定的結殼時間,再進行升壓保壓,以確保鑄件質量。


圖4  電磁泵低壓鑄造工藝示意圖


2  低壓鑄造的發展歷程

早在1910年,英國人E.F.Lake和A.L.J.Queneau便提出了低壓鑄造技術,且Lake于1911年發明了巴氏合金鑄造用設備的專利。國際上低壓鑄造的發展大致歷經三個階段。①試驗階段(1910-1945年),法國于1920年首先將低壓鑄造用于鋁合金生產,英國于1937年通過采用惰性氣體將該技術應用于鎂合金,此階段由于生產率低,設備存在較多問題,且鋁合金應用較少,所以低壓鑄造技術并未得到實際應用。②應用于實際階段(第二次世界大戰結束至20世紀50年代末),低壓鑄造技術雖逐漸應用于實際生產,但并未得到普遍應用。1950年以后,由于汽車工業的發展,汽車輪轂等零部件需求量較大,且適于低壓鑄造,因此極大地促進了低壓鑄造技術的發展。20世紀50年代中期,美國采用低壓鑄造技術先后制備了采煤車輪芯、卡車輪轂等零部件。至1960年,全世界使用低壓鑄造法進行生產的企業只有七八家,且主要集中在美國、英國和西德。而低壓鑄造機也僅有大約30臺,且其中多數結構簡單。③大發展階段(20世紀60年代以后),此階段世界各國深入研究了低壓鑄造技術的基本原理,并改進了低壓鑄造設備,同時也不斷完善低壓鑄造工藝,進一步擴大了該技術的應用范圍,現已廣泛應用于各種機械產業及汽車、航空、航天領域。20世紀80年代中期,美、英、法等歐美國家加快發展低壓鑄造技術。20世紀80年代末期,日本開發出了一種用于鎂合金鑄造的先進金屬型低壓鑄造設備,其包括熔煉爐、鑄造爐和壓鑄機三個部分。豐田汽車公司采用壓鑄工藝制造了鎂合金汽車輪轂等零部件。國外汽車輪轂行業在20世紀70年代開始快速發展,鑄鋁輪轂的市場占有率在1981年僅有4%,但到2000年便擴大到60%,至此,低壓鑄造法成為國際上鑄鋁輪轂的主要生產方法。目前,國際上輪轂行業正致力于鎂合金輪轂新材料、新工藝的開發研究。


3  汽車輪轂低壓鑄造工藝的研究現狀

我國對低壓鑄造工藝的研究始于20世紀50年代,其后發展一直較緩慢。但隨著航空航天和汽車工業的發展以及大量新技術的應用,在2000年前后,低壓鑄造得到了快速發展,國產低壓鑄造機的功能和性能已逐步追上國際先進水平,并大量用于生產汽車輪轂以及發動機缸蓋等鑄件。 

目前,鋁合金由于其優異的鑄造性、耐腐蝕性以及高的比強度而廣泛應用于工業生產中。針對大尺寸低壓鑄造A356鋁合金輪轂輪輞縮松、漏氣,以及90°沖擊試驗不合格等問題,代穎輝通過改進輪輞型腔結構實現了順序凝固,并通過在側模增設冷卻風盒提高了輪輞力學性能。針對A356.2低壓鑄造鋁合金車輪表面的針孔缺陷,薛喜偉等通過對樣品進行化學成分及力學性能檢測、OM和SEM表征,發現鑄件表面的針孔是凝固時未及時逸出的氫氣所形成的縮松;另外,通過合理調整冷卻風孔對針孔位置進行強冷,明顯改善了針孔缺陷。劉洋等采用多種表征手段對低壓鑄造鋁合金輪轂輪輞上緣處的缺陷進行了分析,發現缺陷主要是包含夾雜的圓整孔洞以及由針狀β-Fe相引起的狹長狀縮孔縮松,并提出選用高質量鋁液、合理設置澆冒口等改善措施。 

在汽車輕量化及節能減排的大趨勢下,現代材料更要求其輕質、高強度的特性。相比于鋁合金,鎂合金質量更輕,更有利于汽車的減重,改善汽車的加速性能。另外,在其他條件相同時,使鎂合金輪轂壁厚增至鋁合金輪轂的1.17倍,即可獲得與鋁輪轂相同的剛度,而其質量也僅為鋁輪轂的78%[21],因此可以在對輪轂重量影響較小的情況下,通過適當增加壁厚來提高鎂合金輪轂的剛度,使其即使在遇到障礙物沖擊時也能較好地保持原形,從而提高輪胎的使用壽命。 

另外,新能源汽車已成為當前汽車工業的發展方向,路況實驗表明,用同尺寸的鎂合金輪轂替換新能源汽車的鋁合金輪轂,將使其續航能力提高8%以上?;谶@些特點,鎂合金材料便凸顯出其在工業領域的優勢。鎂合金的低壓鑄造工藝也被廣大學者爭相研究。 

何慶彪等分析了航天器復雜薄壁鎂合金低壓鑄造的成形特點,并在此基礎上提出綜合重力鑄造和低壓澆注的優點,通過適當降低充型速度及壓力來改善鑄型的排氣能力,進而提高航天器復雜薄壁鎂合金鑄件的內部質量。為提高中型鎂合金鑄件的尺寸精度,陳廣森等提出采用陶瓷型低壓鑄造工藝進行生產。 

對于鎂合金汽車輪轂,上海交通大學基于前期的低壓鑄造技術,開發出鑄造+旋壓復合成形技術。與單純的低壓鑄造成形技術相比,該技術能顯著提高鑄坯成品率。圖5為使用該技術制備的鎂合金汽車輪轂,其輪輞部分旋壓前屈服強度、抗拉強度、伸長率分別為85 MPa、138 MPa、4.8%,旋壓后屈服強度、抗拉強度、伸長率分別為278 MPa、317 MPa、8.4%,在經旋壓變形后組織明顯細化,室溫力學性能明顯提升。

圖5  JDM1鎂合金鑄旋成形汽車輪轂(a)、旋壓前顯微組織(b)和旋壓后顯微組織(c)


4  汽車輪轂低壓鑄造數值模擬現狀

隨著計算機技術的飛速發展,多種鑄造模擬軟件相繼出現,并被用于分析構件在鑄造過程中可能出現的各種缺陷,進而采取相應措施加以改進。對于汽車輪轂來說,常見的鑄造缺陷主要是縮孔、縮松,且往往出現于輪輻與輪輞相連接的肋、輪輻與輪輻連接處、輪輞壁厚尺寸梯度較大處、輪轂中心等處。這些部位要么是熱集中區,容易形成熱節,要么是因壁厚突變而無法保證順序凝固,從而使對應部位的凝固落后于周邊區域,無法充分得到液態金屬的補縮,并最終形成縮松、縮孔等缺陷。此外,如果輪輻上帶有凹槽,則在其中部可能由于無法保證金屬液的平穩填充而發生卷氣,并最終形成氣孔。這些缺陷的產生嚴重影響著輪轂的質量,且與工藝參數及輪轂本身結構密切相關,如果通過實際試驗來優化輪轂結構和工藝參數,將浪費大量的人力、物力以及時間,而通過鑄造模擬軟件來模擬輪轂的鑄造過程,可以準確地預測出缺陷可能產生的部位,并在分析其產生原因后,可以便捷地對工藝參數或者輪轂結構進行相應修改,而后再次模擬,直到得出最佳工藝?;跀抵的M的優勢,目前,廣大材料工作者已利用鑄造模擬軟件對其低壓鑄造充型和凝固過程進行了大量的模擬,這為輪轂低壓鑄造工藝的優化提供了一定的工藝指導。 

Dashan Sui等利用Magma鑄造模擬軟件模擬了鋁合金輪轂的低壓鑄造過程,通過分析輪輻連接處等易產生缺陷位置的凝固時間,確定了合理的冷卻和保溫措施,在鑄件壁厚較薄位置進行適當保溫以延長該處冷卻時間,從而優化工藝,減少縮孔、縮松。針對大型鋁合金輪轂低壓鑄造的熱節問題,趙巖等通過模擬其凝固過程,發現降低模具初始溫度和減小模具壁厚并不能明顯消除“孤立熔池”,而通過在相應位置增設水冷管則效果顯著。田曉生等使用ProCast模擬了A356鋁合金輪轂的低壓鑄造充型及凝固過程,并采用該軟件自帶的Niyama判據對鑄件中可能出現縮孔縮松缺陷進行預測,最后通過合理設計水冷管道加以優化。 

相比鋁合金輪轂,目前鎂合金輪轂的低壓鑄造工藝仍不成熟,鑄件存在各種鑄造缺陷,而且由于鎂合金和鋁合金的性能差異,生產鋁合金輪轂的鑄型并不適用于鎂合金,因此,對于低壓鑄造鎂合金輪轂,通過對其工藝過程進行數值模擬來優化工藝參數和模具結構仍是不可或缺的。 

金鑫焱等利用清華大學自行開發的FDM/FEM集成應力分析系統,研究了AM60B鎂合金輪轂低壓鑄造過程中的溫度場和應力場,發現應力集中部位與實際輪轂裂紋位置基本符合,經分析后提出針對輪輻與輪輻或輪輞連接處等應力集中部位,應改變鑄件結構或加強模具冷卻,另外,還可以通過提升鎂合金本身的抗熱裂性能來改善鑄件質量。 

張華等基于AnyCasting鑄造模擬軟件分析了AZ91D鎂合金汽車輪轂的充型和凝固過程,得出輪芯上處于流道中間位置的沉孔或凹坑易導致充填不平穩而發生卷氣。另外,輪輞上邊緣由于壁厚尺寸梯度過大而無法得到鎂液的充分補縮,形成縮孔、縮松。針對這些缺陷,通過對輪轂的工藝結構進行優化,提高了鑄件質量。 

為預測鎂合金輪轂低壓鑄造過程中可能產生的缺陷,邱克強等利用ProCast模擬軟件對鎂合金輪轂的充型和凝固過程進行模擬分析,發現適當降低加壓速度可以有效減少因鎂液充型不平穩而產生的縮孔、縮松及氧化夾雜缺陷;另外,對于輪輻與輪輻連接處外沿的熱節,可以通過在輪芯上部放置冷鐵,使熱節因激冷作用而消除,進而改善鑄件質量。

 朱陽利用專業鑄造模擬分析軟件,模擬了AZ91D鎂合金汽車輪轂的充型和凝固過程,通過研究其溫度場分布,發現輪轂中心部位可能產生的縮松并不能僅靠調節充型速度而消除;此外,通過在上模輪芯處增加局部冷卻水道(圖6)來改善凝固順序后,鑄件質量明顯優化。 

圖6  增加冷卻水道后的模具

崔樂等利用ProCast軟件,模擬了汽車輪轂鑄件的充型和凝固過程,并經多次優化,確定了最終AZ91D鎂合金輪轂的工藝方案為:澆注系統為底注式的雨淋式澆注、補縮系統冒口為5個,可獲得無缺陷和少缺陷的汽車輪轂鑄件。 

張晨等用ProCast軟件模擬了AZ91D鎂合金輪轂低壓鑄造成形的充型和凝固過程,并以澆注溫度和填充壓力為設計變量,收縮孔隙率和二次枝晶臂間距為目標變量,開發了基于SiPESC的自動多目標優化程序,以獲得最小收縮孔隙率和二次枝晶臂間距,從而確定AZ91D鎂合金輪轂低壓鑄造過程的最佳工藝參數組合為:澆注溫度689℃,填充壓力6.5 kPa。在該最優參數組合下,收縮孔隙率的預測值從4.1%降低到2.1%,二次枝晶臂間距從88.5μm減至81.2μm。 

綜上所述,對于鎂合金汽車輪轂的低壓鑄造來說,其鑄造過程中可能出現的各種缺陷,可以從工藝參數、輪轂結構、模具結構以及鎂合金材料本身的性能等多方面進行解決。如針對輪輻與輪輻或輪輞連接處等應力集中部位易產生裂紋的問題,可以通過優化輪轂結構、加強模具冷卻或者提高輪轂材料的抗熱裂性能來改善。對于輪輞、輪輻及輪芯處的熱節,可以對模具相應位置采取放置冷鐵或增設局部冷卻水道、風冷管道等局部激冷措施或者對輪轂本身結構進行優化;另外,對于輪輞上的熱節,還可以通過對輪輞壁厚較薄處進行適當的保溫,從而保證輪輞整體上順序凝固。針對輪輻及輪芯上的凹坑易發生卷氣的問題,可以對凹坑尺寸進行合理的調整。最后,充型過程中的氧化夾雜缺陷可以通過降低充型速度而得到改善。 

此外,數值模擬軟件的使用可以準確地預測可能出現的鑄造缺陷,節省實際試驗的成本和時間,這將極大地加快鑄造工藝開發進程,進而促進鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝的發展。


5  展望

近年來,世界各國均提倡節能減排,在此趨勢下,隨著市場需求的不斷提升和技術的發展,鎂合金材料將在更多領域替代鋁合金。相比鍛造成形,鑄造可以極大地降低生產成本。但對于鑄造鎂合金來說,其成形較困難,鑄造缺陷多,強度難以保證且易腐蝕,因此,今后低壓鑄造鎂合金輪轂的發展仍需從多方面考慮:

(1)鎂合金汽車輪轂的低壓鑄造技術仍不成熟,鑄件往往存在嚴重的鑄造缺陷,且防氧化保護致使工藝繁雜。后續應進一步開發適用于鎂合金輪轂的低壓鑄造新工藝。

(2)真空低壓消失模鑄造雖然可以有效消除氧化,但鎂合金充型能力較差,易出現縮孔、縮松、夾渣等缺陷,且鑄件組織一般較粗大,性能難以滿足要求。另外,設備結構復雜且投資大。應繼續優化真空低壓消失模鑄造工藝,簡化設備結構,以便獲得高性能鑄件并充分發揮低壓鑄造的低成本優勢。

(3)目前,對于鎂合金汽車輪轂低壓鑄造工藝的優化已普遍與計算機數值模擬相結合,但對于低壓鑄造充型規律、充型性能與工藝參數之間的關系,以及充型臨界壁厚等尚未進行系統的研究,后續應加大重視。

(4)鎂合金本身的性能嚴重影響著最終鑄件的質量,因此,開發適合低壓鑄造的低成本、高性能鎂合金材料也是發展方向之一。

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本文作者2022-5-20 14:03
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