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压铸铝合金铸件在汽车中的应用现状与前景

发布日期:2024-04-27 浏览次数:2528

铝是地球上蕴藏量最多的金属元素,制成铝合金后具有密度小、比强度高、耐腐蚀佳、热稳定性好、机械加工性能好、回收再生性能稳定、回收效率高、成本低等优点。1994年3月,奥迪在日内瓦车展上推出了款拥有世界上的奥迪全铝车身框架结构(Aluminum Space Frame,ASF)的豪华轿车AudiA8,整车减重50%,强度性能提升60%。2013年,美国福特百年车型Ford GT整车采用全铝质结构,绝大部分车身外覆盖件制造均采用铝合金超塑性成形技术,实现了64%的全车减重。目前就全球汽车行业制造而言,每辆汽车的铝合金平均用量均超出120 kg,约占全车总重的10%,以铝代钢的趋势不断增显。

随着汽车市场竞争愈加激烈,各制造厂商都在向高质量、高可靠性、轻量化、节能环保、低成本方向发展,且随着汽车排放标准和国际环保政策的逐年加严,新能源汽车已成为未来汽车领域的重点发展方向,高强韧、高质量新能源汽车结构部件(汽车车身、立柱、底盘、减震塔等)也越来越多需要采用压铸成形工艺来进行制造。这些都说明,铝合金压铸在压铸行业内占有举足轻重的地位,是压铸行业的主流。

1 压铸铝合金的成型工艺特点

压铸铝合金除了具有较好的压铸工艺性能及较佳的力学性能外,还需具备以下几点工艺性能:

(1)良好的热塑性流变性能,在过热度不高及液、固相线温度附近应具有良好的热塑性流变性能,以实现复杂型腔的填充,形成良好的铸造表面,避免缩孔缺陷的产生;

(2)较小的线收缩率,避免压铸过程产生裂纹和变形,提高制品的尺寸精度;

(3)较小的凝固温度区间,便于实现快速同时凝固,减少内部收缩孔洞等缺陷的数量;

(4)良好的高温热强度,避免开模时产生热裂或严重变形;

(5)较好的铸件/铸型界面性能,与压铸模具不发生化学反应、亲和力小,避免粘型和铸件/铸型界面发生合金化反应;

(6)良好的物化性能,在高温熔融状态下不易吸气、氧化,能满足压铸过程长时间保温的需求。

与其他制造工艺相比,压铸成形工艺生产效率高、尺寸精度高、力学性能优良、材料利用率高、批量化生产经济效益较佳。

在汽车用铝合金中,压铸铝合金与其他铸造铝合金约占80%,加工铝材(板、带、箔、管、棒、型、线、锻、粉、膏等)仅占20%左右,压铸件的用量占铸造产品总用量的70%左右,因此压铸铝合金制品在汽车用铝中约占54%~70%。

2 压铸铝合金综合力学性能的提升

压铸铝合金除可通过成分设计进行力学性能优化外,针对固溶强化型的压铸铝合金还可通过调整热处理工艺参数来调控压铸合金材料的强度与塑韧性,同时结合低压速、高压力的压铸工艺参数实现合金组织的致密化,有效提高压铸制品的力学性能。对于Al-Mg系压铸铝合金,主要通过控制Fe元素含量,调整Si、Mg元素添加比例改善合金的工艺流动性、线收缩率与热裂敏感性。

为了解决压铸制件内部存在的气孔与缩孔缺陷,有效提高压铸制品的冶金质量与力学性能,国内外研究人员已提出真空压铸、半固态压铸和挤压压铸等先进技术,以获得高强、高致密性、可焊接、热处理和扭曲的压铸制品。

常规压铸铝合金伸长率一般不超过4%,而选用高真空压铸制造工艺,压铸结构部件的伸长率一般可达到8%左右。

3 压铸铝合金在汽车上典型应用

压铸行业的发展与汽车行业密切相关,近年来人们对汽车的要求逐渐趋于高性能、低污染、低能耗等指标,汽车重量对燃料经济性起着决定性作用,车重每降低100 kg,油耗可减少0.7 L/100 km,轻量化设计已成为当前燃油型与新能源车辆设计最关键的指标。

20世纪40年代,意大利菲亚特汽车公司研制出了铝合金气缸盖并应用到部分车型上;50年代德国一家汽车公司对低压铸造技术进行改进,生产出了复杂结构的铝合金压铸件,并开始大量生产发动机后盖、空冷缸盖等铝合金压铸件;自60年代后,由于高压压铸技术的发展,压铸铝合金在汽车中的应用大幅增加,逐步取代铸铁,奠定了现代汽车工业广泛采用铝合金压铸件的基础。

目前,国内外汽车行业铝合金压铸件应用范围按使用功能分类,已用于结构件、受力件、安全件和装饰件等,主要包括以下几个方面:

(1)动力系统:缸体、缸体盖、缸盖罩、曲轴箱、气缸盖罩盖、油底壳、活塞、泵体、泵盖、进气管、发电机壳体、发动机齿轮室、六座摇臂座、发动机各类支架等;

(2)传动系统:变速器壳体、变速器油路板、离合器壳体、换挡拔叉、变速箱支架等;

(3)转向系统:链条盖、齿条壳体与涡轮壳体;

(4)底盘总成:悬置支架与横梁;

(5)车身:轮毂、骨架与装饰制品;

(6)其他:减震器下端盖、压缩机支架、离合器踏板及刹车踏板等。

4 压铸铝合金在汽车上应用未来发展趋势

电动新能源汽车行业近年来对动力性、安全性、舒适性、轻量化等技术指标要求的不断提高,所需铝合金制品逐渐向薄壁、高强、低成本与一体化集成结构方向发展,为压铸技术的发展提供了应用基础与源动力。近年来,铝合金压铸技术的发展总体而言,就是通过对合金材料成分进行不断优化调整,结合高真空压铸技术与热处理工艺参数调控,充分发挥合金材料的工艺特性,借助高压注射与低速充型不断提高压铸合金材料的综合力学性能。随着军民融合的不断深入,大量环筒类弹箭结构制品由于对疲劳性能要求不高,根据结构集成一体化轻量设计,可采用压铸工艺进行批量化生产研制,缩短产品的研制周期、降低其生产成本,为压铸铝合金的推广应用提供了发展基础。

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