高真空壓鑄技術及其在機體鑄造中的應用

【日】 林憲司

高真空壓鑄技術及其在機體鑄造中的應用

【日】 林憲司

日產(chǎn)汽車公司的高真空壓鑄技術是在關閉壓鑄模具的狀態(tài)下，由設置在壓鑄模內(nèi)的真空閥減壓，從壓鑄模內(nèi)到壓鑄套筒內(nèi)均實施減壓，利用產(chǎn)生的壓差，從壓鑄套筒下部的孔，經(jīng)由供給金屬熔液的管道向壓鑄套筒內(nèi)吸引金屬熔液。因此，金屬熔液與空氣的接觸較少，減少了在壓射及充填過程中卷入的空氣，從而生產(chǎn)出高品質的薄壁鑄件。介紹高真空壓鑄的主要基礎技術，及其在機體鑄造中的應用。

高真空壓鑄機體金屬模具真空密封

0　前言

在日本國內(nèi)，利用高真空壓鑄技術批量生產(chǎn)高品質壓鑄件的歷史已超過15年，不過，自2007年該技術被應用于車體鑄件之后，至今其應用范圍還沒有明顯的擴展，工藝本身也未能獲得新的進步。在歐洲，從1994年Audi A8轎車的全鋁合金立體構架開始，高真空壓鑄技術的應用領域得到了切實的擴展，技術本身也獲得持續(xù)發(fā)展，對汽車輕量化及改善燃油經(jīng)濟性作出了積極的貢獻。而且，近年來，北美地區(qū)也在車體鑄件上應用該技術，可以認為，在全球范圍內(nèi)，已展開了利用高真空壓鑄技術生產(chǎn)車體鑄件的競爭。

此外，作為汽車壓鑄零部件中的主要結構件，各種機體鑄造技術也得到不斷的進步和發(fā)展。本文介紹高真空壓鑄技術的開發(fā)過程，以及其在機體鑄造中的應用實例。

1　高真空壓鑄件的應用與技術開發(fā)過程

圖1示出了日產(chǎn)汽車公司開發(fā)高真空壓鑄技術的大致過程。日產(chǎn)汽車公司自20世紀90年代后半期開始實施高真空壓鑄技術的開發(fā)工作。2001年，高真空壓鑄技術在懸架零件下連桿首次實現(xiàn)批量生產(chǎn)［1］，該產(chǎn)品具有高強度和高延展性的特點（圖2、圖3）。2006年，通過對擴大鑄件尺寸的鑄造技術開發(fā)，大型前懸架構件開始進入量產(chǎn)階段（圖4、圖5）［2-3］，這是對以往的19種零件進行一體化設計后的結果，最終提高了精度和剛性，并實現(xiàn)了輕量化的目標。2007年，在日產(chǎn)GT-R車上首次采用大型薄壁車體零件（支撐蓋）（圖6、圖7），由此，高真空壓鑄技術的一系列技術開發(fā)順利告一段落。

從基礎的合金開發(fā)、設備技術，以及確保鑄件品質的金屬模具技術開始，高真空壓鑄技術的開發(fā)還包括與懸掛構件等大型零部件相關的鑄造仿真技術運用，用于確保鑄件的品質穩(wěn)定性，以及為防止大型薄壁鑄件產(chǎn)品變形的后續(xù)工序及變形抑制技術和熱處理技術等，目前已發(fā)展至能體現(xiàn)車體零件特征的大型薄壁鑄件的生產(chǎn)。應用高真空壓鑄技術的零部件共同特點是追求零件的一體化與輕量化，以及有助于實現(xiàn)汽車輕量化、提高其附加價值等。

2　高真空壓鑄技術與普通真空壓鑄技術的比較

圖8示出了日產(chǎn)汽車公司開發(fā)的高真空壓鑄技術（工藝名稱“NICS”）與普通真空壓鑄技術的比較。NICS是以日產(chǎn)汽車公司自主開發(fā)的高強度、高延展性鋁合金，以及Frech公司的Vacural壓鑄機為系統(tǒng)核心構成的技術，其特征是可以制造出能實施固熔熱處理與焊接工藝的高強度、高延展性薄壁壓鑄件。與普通真空壓鑄技術相比，NICS的最大差異在于金屬熔液的供給方式。

普通的壓鑄技術是利用鑄勺等從壓鑄套筒上方的開口供給金屬熔液，金屬熔液會與空氣發(fā)生接觸，并且為壓鑄套筒供給金屬熔液及壓射時，壓鑄套筒內(nèi)會卷入空氣，由此造成金屬熔液溫度降低等問題。日產(chǎn)汽車公司的NICS是在關閉金屬模具的狀態(tài)下，由設置在金屬模具內(nèi)部的真空閥進行減壓，從金屬模具內(nèi)部到壓鑄套筒內(nèi)部均實施減壓，并利用產(chǎn)生的壓差，經(jīng)由供給金屬熔液的管道和壓鑄套筒下部的孔，向壓鑄套筒內(nèi)吸引金屬熔液。因此，金屬熔液與空氣的接觸較少，同時，供給金屬熔液及射出充填時的卷入空氣也較少。

由于最大限度地利用了上述優(yōu)點，因此可以采用NICS工藝，制造出品質波動極少的大型薄壁壓鑄件。

3　高真空壓鑄技術的主要基礎技術

3.1真空密封技術

普通壓鑄是在金屬模具合模結束之后，向壓鑄套筒開口供給金屬熔液，此時，壓鑄套筒上部是開放式的，所以，金屬熔液的供給量依賴于型腔內(nèi)的真空度，只要真空度不改變，就可以實現(xiàn)穩(wěn)定量的鋁合金熔液供給。但是，NICS技術是在金屬模具合模操作完成后，從真空閥排氣，使金屬模具內(nèi)部與壓鑄套筒內(nèi)部均處于高真空狀態(tài)下，并通過產(chǎn)生的負壓，經(jīng)由設置在壓鑄套筒下方的金屬熔液供給管道，吸引保溫爐內(nèi)的金屬熔液進入壓鑄模。因此，即使是同樣的金屬熔液供給時間，金屬熔液的供給量也會因受到型腔及壓鑄套筒內(nèi)真空度的影響而發(fā)生變化。維持穩(wěn)定的真空度是實現(xiàn)高真空壓鑄的必要條件，在滿足這一嚴格條件的前提下進行鑄造加工是直接關系到鑄件品質穩(wěn)定的重要因素。

維持穩(wěn)定的真空度所不可缺少的技術是真空密封技術。密封部位不僅包括金屬模具的接合面，還有壓鑄套筒與金屬熔液供給管道之間、壓鑄套筒與壓鑄活塞之間等空氣有可能侵入型腔的所有空隙部位，對此必須采取相應的密封處理措施。尤其是壓鑄套筒與壓鑄活塞之間的間隙與射出阻力有密切的關系，一般情況下，必須在設定一定間隙的條件下進行操作，而隨著作業(yè)時間的增加，壓鑄活塞的磨損會導致間隙擴大，引起型腔內(nèi)真空度的惡化，這就有可能造成金屬熔液供給量出現(xiàn)波動。為將這一影響抑制在最低限度，必須密封壓鑄活塞背面及壓鑄套筒的末端，而且應采用能穩(wěn)定供給金屬熔液時真空度的金屬密封結構（圖9）。

3.2壓鑄套筒的潤滑

在大型零部件上應用高真空壓鑄技術以實現(xiàn)高品質鑄件時，產(chǎn)品內(nèi)的氣體缺陷將成為零部件機械特性產(chǎn)生波動及延展性降低的原因。要生產(chǎn)出具有穩(wěn)定品質的鑄件，除利用真空密封技術維持高真空度外，還必須在充填金屬熔液時盡可能抑制型腔內(nèi)產(chǎn)生的氣體。充填金屬熔液時產(chǎn)生氣體的主要原因是脫模劑中含有的有機物和水分，以及壓鑄套筒潤滑劑中含有的油分發(fā)生汽化的緣故。

圖10示出了套筒潤滑劑種類與鑄件產(chǎn)品氣體含量的關系。鑄件產(chǎn)品內(nèi)的氣體含量隨套筒潤滑劑種類的不同而各有差異，尤其是在作為非澆口一側的溢流道附近，其差異更為顯著。基于涂敷比及附著性方面的考慮，通常的套筒潤滑劑是使用油性石墨潤滑劑或礦物油系的潤滑劑，但在高真空壓鑄工藝中，為抑制氣體的產(chǎn)生，一般會使用固態(tài)蠟或粉末作為潤滑劑。尤其是在鑄造大型鑄件的情況下，鋁合金的流動長度加大，必須采用更易受影響且更少氣體產(chǎn)生的套筒潤滑劑。

除上述技術外，高真空壓鑄技術還應用了其他多項基礎技術，最終實現(xiàn)了鑄件的高品質。

4　高真空壓鑄技術的課題

以往曾多次報道過在汽車結構零件上應用高真空壓鑄技術，對車體輕量化及提高車輛運動性能作出貢獻的實例，但多數(shù)情況下，高真空壓鑄技術的應用對象是高級乘用車或賽車等具備成本提升空間的車型［4］。在日本國內(nèi)，尚未出現(xiàn)將該技術應用于小型車或低價車的實例，從這方面來看，降低成本是擴大高真空壓鑄技術應用范圍的最大課題。與普通壓鑄工藝相比，高真空壓鑄技術成本增加的原因涉及材料、設備、金屬模具、輔助材料等多方面。另外，在鑄造之后的工序中，還必須考慮到鑄件與其他汽車零件的接合問題，尤其是在異種材料間接合的情況下，必須防止可能會出現(xiàn)的電蝕現(xiàn)象，而解決問題的對策都會導致相應的成本增加。

為解決上述課題，下文介紹近年來歐洲的制造商所采取的一些技術對策，也希望這類技術能在日本國內(nèi)得到推廣和普及。

4.1材料費用

為獲得具有更高強度、更高屈服強度，以及更高延展性的鑄件，目前最為廣泛采用的材料是被稱為“Silafont-36”的合金材料。為確保高延展性，要求盡可能減少材料組分中的Fe元素，這是為了避免鐵系結晶物降低材料的延展性。材料中Fe元素的容許含量為0.15%以下，為了滿足這一低含鐵量的要求，很難采用二次合金，因此直接導致了鋁合金價格的上升。最近，有報道提出歐洲汽車制造商放寬材料中Fe元素含量的實例，今后應繼續(xù)關注這方面的發(fā)展動向。

4.2設備費用

與普通的壓鑄機相比，高真空壓鑄機由于其附加功能而導致價格偏高。另外，由于壓鑄零部件的尺寸都較大，所以，壓鑄機本身的尺寸也大，這進一步導致了設備費用的增加，隨著可應用零部件范圍的擴大，又必須引進新設備，而高成本設備的引進又使固定資產(chǎn)投資大幅上升，其影響直接反映到鑄件生產(chǎn)成本上，也導致鑄件的成本上升。為解決這一問題，如果能將提高真空度的追加設備附加在普通的真空壓鑄機上，通過提高原有設備的功能來抑制新的投資，就有可能生產(chǎn)出高品質的鑄件。

在考慮模腔內(nèi)真空度及剩余空氣量時，假設壓鑄套筒的充填率為50%，供給金屬熔液后模腔及套筒內(nèi)金屬熔液與空氣的比例為1∶2左右，這樣在套筒上半部分就會形成剩余大量空氣的狀態(tài)。如果壓鑄套筒的充填率更低，大量空氣卷入鋁合金熔液中的可能性就越大。為此，也有報道介紹過從套筒上部排出大量空氣的方法。像這樣采用在普通壓鑄機上追加設備的方法，可以確保鑄件品質與高真空壓鑄產(chǎn)品的品質相當。

5　高真空壓鑄基礎技術在機體鑄造中的應用

日產(chǎn)汽車公司陸續(xù)推出了量產(chǎn)型電動車Leaf、混合動力車、清潔型柴油機及小型增壓發(fā)動機等各種環(huán)保新技術，為社會可持續(xù)發(fā)展作出了積極貢獻。該公司的MR16DDT發(fā)動機的開發(fā)目標是力求高功率、低燃油耗和輕量化，該發(fā)動機采用新開發(fā)的鏡面缸孔涂覆工藝機體（圖11），這是在配裝于高性能GT-R賽車的VR38DDT發(fā)動機所采用的等離子噴鍍涂覆缸孔技術基礎上，經(jīng)進一步改良而成的。這種鏡面缸孔涂覆工藝機體所采用的多項鑄造技術都是以高真空壓鑄技術為基礎的［5］。

圖12為氣缸缸孔內(nèi)表面的照片。在上文所述日產(chǎn)汽車公司的等離子噴鍍涂覆技術中，為保持具有固體潤滑材料效果的FeO及潤滑油，通過珩磨網(wǎng)槽加工，確保了氣缸缸孔內(nèi)表面的耐熱膠黏性。另一方面，鏡面缸孔涂覆工藝則是通過氣缸缸孔內(nèi)表面分散的氣孔，保持必要的潤滑油，以維持潤滑性能。但是，后者的噴鍍保護膜厚度約為200 μm，在鑄造時如發(fā)生氣孔等，再經(jīng)珩磨加工之后就會留下如圖12所示凹坑形狀，從而加大潤滑油的消耗。為此，在鑄造時，應具備控制氣缸缸孔表面發(fā)生氣孔的相應技術。

作為提高鑄造品質的技術對策，有快速充填、模腔高真空化、使用油性潤滑劑，以及控制金屬模具溫度等措施，而對于高真空壓鑄技術來說，效果較為顯著的是模腔高真空化、在金屬模具分型面增加密封（圖13），以及延長抽取真空的時間等。真空度越高，則氣缸缸孔內(nèi)表面發(fā)生氣孔缺陷的面積就越?。▓D14）。這是因為隨著真空度的提高，向型腔內(nèi)充填金屬熔液時卷入的空氣減少了的緣故。此外，提高真空度后，在抽氣時從中心銷及襯墊分割部等處容易發(fā)生脫模劑水分滲出的現(xiàn)象。型腔內(nèi)滲入水分會導致充填金屬熔液與水分接觸后被汽化，從而成為發(fā)生氣孔缺陷的原因，所以必須采用油性脫模劑，并將脫模劑涂敷量最小化，以防止脫模劑中水分的滲出。

6　結語

高真空壓鑄技術并不是只能應用于高真空壓鑄件，在多數(shù)情況下，它也能應用于普通壓鑄工藝。今后，仍須發(fā)展這一關鍵技術，并根據(jù)用戶需求的變化不斷推廣其應用范圍。屆時，要特別注意的是不能原封不動地照搬現(xiàn)有的技術，而是應該基于鑄件所要求的品質水平，實施相應的改進。即便是本文所介紹的真空密封技術，也并不是一定要采取與高真空壓鑄技術完全相同的實施方式，而應在必要的部位，按照實際需要采取適當?shù)墓に?。在普通壓鑄工藝基礎上予以改良后所得到的技術，也能反過來對高真空壓鑄技術起到發(fā)揮促進作用，為整個壓鑄行業(yè)的發(fā)展作出積極的貢獻。

［1］工藤勝弘，田代政巳，淺井宏一，ほか.［J］.素形材，2002，43 （9）：8.

［2］神戸洋史.［J］.軽金屬，2007，57：331.

［3］大杉泰夫，金指研，田渕満智，ほか.［J］.素形材，2007，48 （12）：31.

［4］金指研，田代政巳，鈴木信夫，ほか.［J］.軽金屬，2009，59.

［5］水江保晴，滝沢左知雄，甲斐信貴，ほか.［C］.日本ダイカスト會議，2014，JD14-28.

彭惠民譯自素形材，2015，56（3）

朱曉蓉校

朱曉蓉編輯

2015-07-30）