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半固态成型技术在铝合金轮毂及其它汽车零部件产品上的应用

发表于: 2018-11-26作者:王巨光点击:2765

    在铝合金的铸造过程中最容易产生的两个问题就是铸件的气孔和缩松,因此为改善铸造产品的品质,新的工艺技术不断被开发出来,例如专门用来改善气孔的真空压铸(Vacuum Die Casting)、低速压铸(Low Speed Die Casting)、无气孔压铸(Pore Free Die Casting);专门用来改善缩松问题的局部加压压铸(Partial Squeeze)和可以同时改善气孔及缩松问题的挤压铸造(Squeeze Casting)、半固态铸造(Semi-Solid Casting)。

    半固态成型技术既可以应用在高压铸造上也可以应在锻造工艺上。高压铸造半固态成型在欧美被称作Semi-Solid Forming (简称SSF)或Semi-Solid Metal Casting或Semi-Solid Metallurgy(简称SSM),而锻造半固态成型工艺被称为Semi-Solid Forging(简称SSF)。

    其中半固态高压铸造工艺(SSM)已广泛应用在铝合金汽车零部件领域,已经成功量产的SSM产品有:

  

    在铝合金轮毂产品半固态成型方面,国际上已有多家轮毂厂做了有益的尝试,其中美国AEMP、日本SSR、台湾六和机械等三家公司都已成功量产,前两者是采用触变法加立式锻造机进行铝合金轮毂的生产,台湾六和机械则是采用流变或触变法加卧式压铸机来进行生产,美国的AEMP公司还同时采用流变法加卧式挤压机生产其它铝合金铸件。在欧洲,瑞士的Buhler和意大利的Italpresse公司也已具备铝合金轮毂半固态成型的生产能力,他们采用的具体工艺是备触变法加卧式压铸机成型。

    半固态成型是一种介乎于锻造与传统铸造之间的中间工艺,其产品强度高、韧性好,同等情况下重量要轻于铸造产品,质量可媲美锻造产品,在完美的解决了铸造产品气孔和缩孔缺陷的同时还大大提高了产品的生产效率,特别适合少品种大批量的OEM产品的生产。

 铸件的缩孔

 

下图是铝合金半固态成型与传统铸造产品的金相对比:

  

 

 A356铝合金半固态工作温度范围

 

    铝合金的半固态成型具体分为触变和流变两种成型工艺。半固态触变成型(Thixocasting)是指将常温的固态球化胚料(Slug),利用感应炉加热至预定的固、液相比例的半固态再进行成型加工的方式。半固态流变成型(Rheocasting)是指将铝液通过不同的方式冷却至预定的固、液相比例的半固态球化浆料(Slurry)后再成型的工艺。下面是两种方式的流程示意图:

 触变成型流程图(资料来源:HS-Rheo)

 

 流变成型流程图(资料来源:HS-Rheo)

 

    半固态铝合金基本上属于一种非牛顿流体,其黏度在半固态状态下很高,但在较高的剪切力作用下,其黏度又可迅速降低便于成形。

半固态金属流动示意图:

 

 

铝合金半固态成型与压铸工艺模具型腔中金属充型状态对比(资料来源:NADCA):

  

铝合金轮毂半固态成型模具中金属流动分析:

  

半固态成型与低压铸造铝合金轮毂轮辐机械性能对比(A356.2材质):

  

从图表中可以看出半固态铝合金轮毂各项指标均优于低压铸造产品。

下图是各种工艺产品(T6)机械性能对比:

【注】GC:Gravity Casting(重力铸造)       

LP:Low Pressure Casting(低压铸造)

PF:Pore Free Die Casting(无气孔压铸)  

FG:Forging(锻造)

SQ:Squeeze Casting(液态模锻)  

SSM:Semi-Solid Casting(半固态成形)

资料来源:日本UBE与台湾工业技术研究院

 

铝合金轮毂半固态触变成型实例:

  

铝合金轮毂半固态流变成型实例:

  

铝合金轮毂半固态成型产品实例:

  

铝合金轮毂半固态触变成型产品金相图:

  

铝合金轮毂半固态流变成型产品金相图:

  

铝合金轮毂半固态流变加旋压成型产品:

 

半固态流变成型的其他铝合金产品:

    

铝合金半固态成型产品的焊接:一般压铸件因含气量太高,不易焊接;而半固态成型的铝合金件则可以轻松完成。

  

卧式半固态流变成型浆料制造设备:

  

半固态流变成型生产单元:

  

    虽然半固态触变成型与流变成型都可以用来生产制造铝合金轮毂,但实践证明流变法更加经济。首先,半固态成型的铝合金轮毂的材质就是A356.2合金,因此一个正在使用铸造工艺生产铝合金轮毂的轮毂厂,在准备使用流变法生产铝合金轮毂时,可以直接取用原生产线上熔化炉内的铝水,不良品与废料也可自行回用,同时硬件方面仅需增设一套浆料制备装置和经过改造的普通卧式高压铸造机或立式挤压机或锻造设备即可,如果能够再辅以旋压设备加工轮辋部分,则是以低成本手段生产高品质铝合金轮毂的最佳方案。其次,触变法使用的坯料在预热过程中消耗大量能源,且预热效果易受电力系统影响。而流变法是将原材料直接由液态冷却至半固态,可省去预热的过程,提高了效率降低了能耗。

    半固态成型最关键的技术是铝合金材料晶体的球化和减少或避免片状氧化物进入模具,经过多年的摸索与研究,HS-Rheo的技术团队已经充分掌握了这些技术Know-How并将成果付诸实践,已成功的制造出23Kg的半固态铝合金浆料,这其中也包括了造型复杂的曲面薄壁类的铝合金产品。

    铝合金半固态成型工艺与铸造工艺相比,除了上面提到的一些优点之外还有下列一些特有的优势:(1)铝合金半固态成型工艺由于原材料温度比铸造温度低,所以模具的使用寿命要远比重力铸造、低压铸造及液态模锻的模具长。(2)半固态成型产品的金属利用率要高于铸造和锻造工艺的产品,因此在降低了废料回收烧损损失的同时,由于加工量减少也减少了刀具的损耗。(3)半固态成型铝合金轮毂可以在降低T6温度的情况下保证其机械性能指标仍高于铸造工艺的产品,甚至可以T5处理即可,能够节能降耗。(4)半固态成型铝合金轮毂机械性能几乎与锻造产品相同,因此可以有效的实现轻量化目标。(5)因半固态成型铝合金轮毂的生产节拍(C/T)仅为120秒,所以大大提高了生产效率。

    总之,半固态成型就是“用近乎铸造的成本,产出相当于锻造级的产品!”半固态成形技术在近年来已经逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个新领域,被业界称为二十一世纪新兴的新一代金属成型技术,预计在不远的将来,半固态成型技术将会被广泛的应用到包括铝合金轮毂在内的铝合金汽车零部件产品的生产制造上,成为推进汽车轻量化的有效技术手段之一。

    以上技术资料由HS-Rheo以及AGS提供,王巨光整理。欢迎对半固态成型铝合金轮毂或其它铝合金产品有兴趣的投资者与我们联系(alwheel1988@163.com),我们将竭诚为您服务!

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