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鋁合金車體壓鑄結構件控制要素的剖析

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-08-06  作者:熊儀  瀏覽次數:403
核心提示:鋁合金車體壓鑄結構件控制要素的剖析作者:熊儀核心提示:一、概述在美國特斯拉新能源汽車推出以前,德國斯圖加特汽車研發中心及
鋁合金車體壓鑄結構件控制要素的剖析
作者:熊儀 
核心提示:一、概述在美國特斯拉新能源汽車推出以前,德國斯圖加特汽車研發中心及萊茵公司就有關鋁合金壓鑄結構件的材料和工藝等方面進行了
一、概述
在美國特斯拉新能源汽車推出以前,德國斯圖加特汽車研發中心及萊茵公司就有關鋁合金壓鑄結構件的材料和工藝等方面進行了有效的研發工作,并在相關的車型上得到了應用。
新能源汽車的推出,導致了一場對傳統燃油汽車的革命,并預示著汽車智能化開啟的前景………,而車體壓鑄結構件的推出將進一步拓展鋁合金壓鑄產品的應用空間,對汽車輕量化將產生深遠影響。
從傳統燃油汽車向新能源汽車轉型的變革中,車體結構件采用鋁合金壓鑄整體結構緊湊,剛性增強,重量得到減輕,這些優勢得到體現,但要實現這種技術轉型和變革,許多技術要素尚要認真剖析和討論
二、車體壓鑄結構件的控制要素
1、車體結構件產品設計圖與壓鑄鑄件圖的協調,產品圖涉及的合金材料選材,關系到鑄造工藝性及其合理可行性,按ASTMB85鋁合金技術標準中對壓鑄合金的壓鑄特性應進行評估,對結構件重要部位的應力負荷區域要標示清楚,以備進行壓鑄件切取試樣檢驗提供依據,以保證結構件質量,如此這些是以往常規鋁合金壓鑄少見的。
2、結構件壓鑄模設計與制造、澆排系統設計及模流分析
壓鑄模的工藝設計、澆排系統的設計,模具冷卻及加熱系統的熱平衡布局以及關鍵的澆口截面與比例的設計等技術方案要合理可行,并保證產品高應力區的質量,必要時可適當提高按投影面積選擇壓機鎖模力的噸位以及真空壓鑄能力。
3、壓鑄結構件的合金選材
壓鑄結構件一般力學性能的高塑性要求是突出特點,而選擇合金化學成分既要考慮性能,也要兼顧壓鑄件成型要求和壁厚均勻程度,歐洲已進行的壓鑄結構件合金選材工作,大致歸納為下表:

我們試制研制的是GM-1組化學成分
其力學性能要求:抗拉強度≥250Mpa,延伸率≥10%,根據性能要求,結合GM-1化學成分組成和其產品圖的結構件特點進行了多組分的分爐分批次的試制測試。選擇接近共晶成分的硅元素是滿足該壓鑄產品的壁薄、形狀復雜的成型需要,加入硅的另一特點是新近顯微研究分析表明,在鑄件凝固過程中,硅元素產生膨脹,減少了收縮,并且與其他元素產生的熱裂傾向達到平衡作用,對鑄造應力也有一定抑制。但是硅元素降低液態合金中氫氣溶解度,以至含硅較高特別是接近共晶成分的含硅合金孔洞缺陷是最大弊端。嚴格控制鐵含量是高塑性能所必需的,至于壓鑄件粘模問題,外加適當的錳可以起到類似的作用。以下就有關諸元素的金相圖譜示意,它們在合金中的作用加以解讀,就壓鑄鋁合金而言,添加Cu或Mg是通常的基體強化元素,即相應形成Al2Cu或Mg2Si強化相,通過壓鑄過程中的激冷使其部分固溶強化,而對壓鑄件采用T1時效處理,其也對固溶部分產生析出硬化而實現性能的提高。
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圖1:共晶AL-SI類合金的孔洞典型缺陷

圖2:壓鑄鋁合金中AL3Fe\AL6Mn化合物
高塑性壓鑄鋁合金雖然高速冷卻速度可以抑制AL3Fe長大,但它的針狀組織形態對高塑性是致命的,故采用加Mn形成方塊的AL、Mn化合物代替鐵實踐證明是有效可行的。
鍶的長效和對壓鑄共晶Al-Si類合金的變質是有效的,雖然它有吸氫傾向,但可在合金的強化凈化工藝中解決。

圖3:鍶的變質效果對比
從圖3的鍶的變質效果看出這種變質后共晶硅的形態是高塑性所盼求的。
4、合金熔煉與凈化
由于車體壓鑄結構件對力學性能的要求,決定了它必須通過熱處理來實現,而壓鑄件的熱處理特別是固溶處理,對合金的凈化和真空壓鑄是有特殊要求的,故對車體結構件合金液處理既要除氣同時也要除渣,必要時尚需加熔劑處理。試驗表明,鋁液中AL2O3的夾渣對精煉中的氫氣有極強的吸附作用,將形成吸附核心,使其難于去除,凈化處理的目的就是兼顧其雙重作用,凈化處理的下圖裝置時間證明是有效的。

5、真空壓鑄
鑒于車體結構件性能的特殊要求,以及壓鑄件的結構特點,對車體結構件一般采用真空壓鑄,而采用專用的真空壓鑄機實踐證明是最佳選擇,如德籍的富萊真空壓鑄機反映良好,真空壓鑄機可將經凈化良好的合金液壓鑄成基本無缺陷的產品,當然其中參數的優化和模具的設計制造的準備及涂料噴涂等都要與其相適應。真空壓鑄件的質量好壞與熱處理最后性能密切相關。壓鑄機鎖模力噸位選擇,可按車體結構件重要性優化,必要時可按一般投影面積選擇高一級別的機型。確保結構件質量安全。
6、熱處理
對于鋁合金車體結構件的熱處理,至目前知道的信息表明,國內外一般采用的是固溶處理加高溫時效,即是T7處理,筆者主編的國家軍標GJB1695鑄造鋁合金熱處理規范中對T7熱處理規范有專門的列述,它是國防科工委批準頒發的,由國家航空工業多家企業驗證,我們在和GM公司總冶金師討論溝通中也得到認可,實踐中也得到驗證,對保證合金的高塑性是可行的。
需指出的是,固溶處理和高溫時效規范的確定視合金成分和壓鑄件具體情況而定,包括處理的溫度保溫時間亦如此,具體規范可參照GJB1695有關合金系列進行。
綜上對車體壓鑄結構件控制要素的剖析,涉及的工藝要點頗多,僅是對已實踐的歸納,很難以概論全,不少論點尚值得商榷和進一步驗證。
三、討論:
1、車體壓鑄結構件取代的是原變形鋁的部分型材板材,比較多的是沖壓件、鉚接和焊接件,雖從車體整體結構緊湊,剛性和減輕重量方面優勢明顯,但從結構件的設計安全系數,使用壽命以及對現有壓鑄操作手段全面衡量起來尚有完善之處,特別是對壓鑄件的質量偶然性和內部質量的不穩定怎么防患于未然,尚值得進一步深究。
2、建立健全相關對車體壓鑄結構件的檢驗手段,包括對現有常規手段的細化,深化,特別是通過定期抽檢設計指定部位的切取樣件的性能測試,通過穩定工藝和過程控制來實現壓鑄件質量穩定等。
3、嚴格鋁合金結構件試制與定型的評估,設計與工藝的評估,必要時對關鍵結構件要執行會簽制度,這在航空工業中有較成功的先例和成熟的經驗可以參考。
4、對于外貿的相關壓鑄結構件,可以通過客戶的質量要求,提高相應的檢驗級別,條件不充分的創造條件,以外促內,提升壓鑄件質量水平,適應外貿市場需求。
5、實行以企業為中心的產校研結合的研發體制是可行的,特別是企業研發力量薄弱的情況下更是最佳選擇。
6、近期,對討論比較多的共晶Al-Si合金中強化元素是否可以疊加的問題,筆者的看法是:就目前國內外壓鑄鋁合金的應用現狀而言,除過共晶Al-Si之外,如美國的390或日本的ADC14及我國的YL-117等過共晶AL-Si合金,它們的共同特點是將強化元素Cu和Mg同時疊加加入的,這是基于過共晶的Si的共晶組織可以包容其強化相的共存,但對這類合金必須有相應加磷變質手段,以及相應的澆鑄工藝控制措施,以抑制初晶Si粗大組織出現而給機加工造成困難。

 

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