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車鋁合金從動鏈輪支架半固態(tài)壓鑄成形工藝研究陳曉陽1，曾大本1，張連根2，薛黎明2，吳宗興（1.清華大學(xué)機械工程系，北京1000842.上海汽車有色鑄造總廠，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公司Buick車從動鏈輪支架壓鑄件，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)今面臨的一個十分重要而緊迫的問題，因此，汽車輕量化是提高汽車燃油經(jīng)濟性、節(jié)約能耗的重要措施和必然趨勢。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，可滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對有色合金鑄件高致密度、高強度、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年代初由美國麻省理工學(xué)院發(fā)明以來，經(jīng)過二十多年的研究和開發(fā)，現(xiàn)已在工業(yè)發(fā)達國家汽車零件制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用〔1～6〕，尤其是自1992年美國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)專利保護期到期以來，半固態(tài)金屬成形技術(shù)在國外得到飛速發(fā)展，美國的AM P公司、CM I國際公司、GM公司，德國的EFUGmbh公司、意大利的Stampal SPA公司和法國的Aluminum Pechiney公司開始了大規(guī)模地進行半固態(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)在這些國家中已進入工業(yè)應(yīng)用成長期，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，是面向未來的汽車零件制造技術(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〕。目前國外已進入商業(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)用在汽車零件生產(chǎn)領(lǐng)域。目前我國對半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究和開發(fā)基本還處于實驗室階段，有關(guān)在汽車制造業(yè)的工業(yè)應(yīng)用報道很少〔9 ，10〕。本研究是在完成國家863計劃資助項目的基礎(chǔ)上，與上海汽車有色鑄造總廠聯(lián)合進行的半固態(tài)壓鑄鋁合金汽車零件生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)的工業(yè)實驗研究項目，該項目對典型汽車零件的半固態(tài)壓鑄成形技術(shù)進行了研究和開發(fā)，對上海通用汽車（SGM）有限公司Buick轎車中的從動鏈輪支架進行了半固態(tài)壓鑄工藝試制，取得了突破性進展，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內(nèi)容。
1半固態(tài)鋁合金坯料的制備國際上現(xiàn)已進入商業(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。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，見圖1.其形成原因，一方面是由于高壓高速氮氣流與熔體強烈對流換熱使霧化沉積合金凝固時獲得很高的冷卻速度K/s），另一方面是高速氣流帶動的霧化熔滴在沉積時以很高的速度（50～100m/s）撞擊基板或沉積體表面，其沖擊動能所產(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2.5 ，原因是：過長的坯料在加熱到半固態(tài)后會發(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)鋁臺金坯料二次加熱工藝研究為獲得壓鑄時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)時半固態(tài)坯料二次加熱的最佳方式，其主要優(yōu)點是：清潔、高效、可控能適應(yīng)用戶對半固態(tài)坯料尺寸變化的需要：能耗相對較小熱穿透能力強。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)穿透加熱裝置對半固態(tài)A356合金坯料進行二次加熱。中頻感應(yīng)加熱時，半固態(tài)坯料表面存在集膚效應(yīng)，根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)中頻頻率為1400Hz ，功率為10kW時，坯料心部與表面的溫差約為10℃。用熱電偶測溫時，測溫點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溫誤差較大，在大批量工業(yè)生產(chǎn)時更不可能進行連續(xù)測溫，一般都采用加熱功率時間曲線來保證加熱要求。因此建立加熱功率時間溫度關(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，確定半固態(tài)坯料壓鑄時的工作溫度為：T 10℃。根據(jù)試驗結(jié)果，確定加熱時間為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。
鑄造陳曉陽等：SGM Buick車鋁合金從動鏈輪支架半固態(tài)壓鑄成形工藝研究在二次加熱過程中，半固態(tài)鋁合金坯料的組織轉(zhuǎn)變機制是：在坯料加熱前期，共晶組織中的Si相通過向初生α相中擴散，由片狀變成點鏈狀，并隨著加熱溫度的升高進一步細化成顆粒狀當(dāng)共晶Si相溶解到一定程度后，原來的共晶部分開始熔化，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，坯料粘度較大，流動性較液態(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)金屬壓鑄時要高20 ～30 .
壓射速度為壓射室內(nèi)壓塞的推進速度。在低速壓射階段，由于不存在液態(tài)金屬壓射時的噴射、紊流和卷氣現(xiàn)象，因此該階段的壓射速度可比液態(tài)金屬壓鑄時快，有利于提高充型速度，縮短充型時間，提高鑄件表面質(zhì)量。
壓鑄機進料口尺寸應(yīng)根據(jù)具有半固態(tài)特點的坯料大小來開設(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)鋁合金壓鑄時壓鑄型的溫度也比液態(tài)金屬壓鑄時要高，且要求溫度穩(wěn)定，一般應(yīng)控制在280～350℃。其對型內(nèi)澆注系統(tǒng)的要求與對擠壓鑄造澆注系統(tǒng)的要求相似，采用開放式澆注系統(tǒng)、澆道流程短、澆道位置不遠離鑄件。
用于夾持二次加熱半固態(tài)鋁合金坯料的夾具應(yīng)具有對坯料的夾緊、整形、保溫、搬運等功能，應(yīng)保證坯料在夾持、搬運過程中的溫度降不超過5℃。
上海通用汽車有限公司Buick轎車從動鏈輪支架是該車動力總成的關(guān)鍵鑄件，國產(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。鑄件機械加工后須經(jīng)氣密性試驗合格方可使用。
零件圖紙中要求中方的滲漏量為在試驗氣壓下小于500ml/min.目前進口的北美CKD鑄件，在試驗氣壓下滲漏量小于700ml/min的情況下，合格率為70 ～80 .為提高Buick車國產(chǎn)化率，上海汽車有色鑄造總廠受上汽集團委托，從1997年底開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50 ～75 ，主要缺陷為氣孔和縮松?？磥?，用普通壓鑄法生產(chǎn)該零件似乎已走入死胡同，很難通過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)來生產(chǎn)該鑄件。圖5為試制成功的半固態(tài)壓鑄Buick車從動鏈輪支架。與用普通壓鑄法生產(chǎn)的鑄件相比，抗拉強度由～330MPa提高到330～357MPa，伸長率由小于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，氣密性試驗合格，且在中試階段的合格率高達95 ，為工廠通過SGM公司美方的PPAP認(rèn)證打下了堅實的基礎(chǔ)。
4結(jié)語半固態(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：消除了傳統(tǒng)鑄件中的柱狀晶和粗大樹枝晶，金相組織細密均勻，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，便于實現(xiàn)自動化，改善了勞動條件金屬在半固態(tài)狀態(tài)下成形，成形溫度較液態(tài)金屬低許多，對壓鑄型熱沖擊小，延長了壓鑄型的壽命，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)金屬充型時的卷氣現(xiàn)象，減少了對金屬的污染凝固收縮小，可以減小澆冒口系統(tǒng)，實現(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程中不采用液態(tài)金屬，改善生產(chǎn)環(huán)境和工人勞動條件，便于生產(chǎn)管理和安全管理，進行精益生產(chǎn)。
面向21世紀(jì)的我國汽車及零部件制造工業(yè)，為了增強其產(chǎn)品的市場競爭力，采用先進、高效的半固態(tài)金屬成形技術(shù)生產(chǎn)高致密性、高可靠性汽車零件的潛力非常巨大，我們的研究和開發(fā)工作表明該技術(shù)在我國的工業(yè)應(yīng)用已開始起步，未來在汽車制造業(yè)的應(yīng)用前景光明。
徐駿，張景新，樊建中。金屬學(xué)報， 1999， （2）：127）硼鑄鐵的耐腐蝕性能的研究劉云秋1，洪鶴1，何獎愛2，張秋霞（1.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，遼寧沈陽023 2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽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，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)用范圍不斷擴大〔1 ，2〕。在以前的研究文獻中，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，筆者對硼鑄鐵的耐腐蝕性進行了一些試驗研究。
1試驗內(nèi)容與方法1.1試驗材料本試驗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
