半固態(tài)壓鑄高鐵零部件應(yīng)用進(jìn)展

【摘要】基于鎂合金壓鑄件在高鐵上的應(yīng)用品種和重量都在不斷增加，本文對(duì)半固態(tài)觸變成型壓鑄工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品進(jìn)行組織和性能分析，結(jié)果表明，該成形法所生產(chǎn)的鎂合金產(chǎn)品的組織及力學(xué)性能均優(yōu)于壓鑄產(chǎn)品，且產(chǎn)品合格率有較大幅度提升，半固態(tài)觸變成型產(chǎn)品在高鐵和乘用車上得到批量應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】鎂合金;半固態(tài)觸變成型;支臂;組織;力學(xué)性能

引言

鎂合金是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在具有輕量化需求的領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值巨大。軌道交通車輛采用鎂合金零件，明顯降低車體重量，提高車速，降低能耗，滿足反復(fù)起停、提高車輛減震性能。我國(guó)是鎂資源大國(guó)，儲(chǔ)量、產(chǎn)量、出口量均為世界第一，生產(chǎn)成本也是世界最低，鎂合金的資源優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)，以及我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，列車內(nèi)飾、內(nèi)部結(jié)構(gòu)支架等中、小零部件得到了批量應(yīng)用。

壓鑄領(lǐng)域廣泛采用的鎂合金成形方法為冷室壓鑄法。冷室壓鑄鎂合金產(chǎn)品具有尺寸穩(wěn)定性好、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，但也具有夾雜多、氣孔多、裂紋多、成形后難熱處理、尺寸精度差等不足，采用冷室壓鑄法制造的零件很難滿足軌道交通中的高性能鎂合金零部件的要求。同冷室壓鑄法相比，半固態(tài)壓鑄制造的產(chǎn)品具有鑄造缺陷少，產(chǎn)品的力學(xué)性能、尺寸精度、表面和內(nèi)在質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，此外還有節(jié)約能源、安全性好、近凈成形性好等優(yōu)點(diǎn)。

1鎂合金半固態(tài)觸變成形工藝原理

半固態(tài)觸變注射成形法是近些年來開發(fā)的一種新工藝，源于美國(guó)DOW化學(xué)公司，美國(guó)THIXOMAT公司將其商業(yè)化。該工藝是將塑料的注塑成形原理與半固態(tài)金屬成形工藝相結(jié)合，集半固態(tài)金屬漿料的制備、輸送、成形等過程于一體，該法較好地解決了半固態(tài)金屬漿料的保存輸送、成形控制困難等問題。

鎂合金半固態(tài)觸變成型法主要工藝過程如下：鎂顆粒原料在料筒加熱至半固體狀態(tài)，在螺桿的剪切和推動(dòng)作用下，以相當(dāng)于塑料注塑機(jī)的十倍速率壓射到模具內(nèi)成形。

2鎂合金壓鑄件與鎂合金半固態(tài)觸變成型生產(chǎn)產(chǎn)品的性能比較

與冷室壓鑄相比，半固態(tài)壓鑄介于鑄造和鍛造之間，既有鍛造不具備的良好填充性，又有鑄造不具備的內(nèi)部組織致密性。鎂合金在半固溶剪力作用下，晶粒更細(xì)化，相對(duì)提高涂裝性能85%。

半固態(tài)生產(chǎn)工藝是從固體坯料到制件在一個(gè)裝置內(nèi)完成，省去了外部熔融金屬的處理及運(yùn)輸工序，且成形溫度低，成形方式如下圖：

工藝決定了產(chǎn)品質(zhì)量，冷室壓鑄鎂合金熔煉時(shí)易氧化，壓鑄過程易卷氣，對(duì)比動(dòng)車小桌板支臂X光圖片發(fā)現(xiàn)：冷室壓鑄機(jī)產(chǎn)品有細(xì)小縮孔，半固態(tài)壓鑄組織細(xì)密，無縮孔和夾渣。如下圖

對(duì)支臂進(jìn)行橫切，觀察橫截面低倍組織，也發(fā)現(xiàn)冷室壓鑄產(chǎn)品晶粒不均勻，致密性也較差，且有氣孔或夾雜缺陷，半固態(tài)晶粒均勻。如下圖。

切片試樣的力學(xué)性能對(duì)表面質(zhì)量要求較高，冷室壓鑄產(chǎn)品涂裝后易將微波產(chǎn)品最后工序?yàn)橥垦b，因座椅總成件為外觀件，對(duì)表面質(zhì)量要求較高，冷室壓鑄產(chǎn)品涂裝后易將微小氣孔擴(kuò)大化，半固態(tài)產(chǎn)品涂裝良好。自去年將冷室壓鑄改為半固態(tài)后，支臂產(chǎn)品合格率提高8個(gè)百分點(diǎn)。

通過半固態(tài)和冷室壓鑄在產(chǎn)品外觀、顯微組織、力學(xué)性能、涂裝性能和量產(chǎn)性上分析，得出如下結(jié)論：應(yīng)用半固態(tài)壓鑄可得到組織細(xì)小、致密，力學(xué)性能相對(duì)較高的鎂合金部件，其綜合力學(xué)性能優(yōu)于目前廣泛采用的壓鑄鎂合金部件，且可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和自動(dòng)化。

3研發(fā)應(yīng)用情況

山東銀光鈺源輕金屬精密成型有限公司于2015年6月，正式投入動(dòng)車輕量化研發(fā)，首先致力于小桌板支臂生產(chǎn)，供應(yīng)國(guó)內(nèi)高鐵系列座椅總成。公司憑借半固態(tài)成形細(xì)化晶粒在外觀涂裝上的優(yōu)勢(shì)及快速成形的特性，獲得客戶的肯定。生產(chǎn)期間，銀光鈺源進(jìn)行了實(shí)際組裝測(cè)試，以83公斤重荷反覆施壓，半固態(tài)桌板支臂完整無缺，不歪不斜，如圖13。

隨著節(jié)能減排的聲浪持續(xù)高漲，鎂合金半固態(tài)壓鑄憑借著產(chǎn)品外觀與強(qiáng)度兼顧、優(yōu)越的涂裝性能、高效的生產(chǎn)效率，在高鐵座椅領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，提倡綠色環(huán)保的歐盟國(guó)家更深深的關(guān)注這截然不同的工藝所帶來的效益，世界名車品牌如奧迪等大型車廠，近年來更是不斷的嘗試使用更輕的零件材料來達(dá)到汽車整體輕量化的目標(biāo)。

4目前存在的問題和建議

（1）觸變成型設(shè)備高昂，原材料鎂粒要求高、成本高，整體投資比較大。僅適用于那些具有較高要求和高附加值產(chǎn)品的加工。

（2）鎂合金壓鑄技術(shù)相對(duì)成熟，但半固態(tài)觸變成型關(guān)鍵技術(shù)人才奇缺，目前多依托國(guó)外專家人才。

（3）市場(chǎng)推動(dòng)和批量應(yīng)用難度較大，目前僅應(yīng)用在車用內(nèi)飾件，還希望得到相關(guān)政府支持。

（4）鎂合金的防腐技術(shù)還不能滿足高鐵用部件的特殊要求。

5展望

鎂合金（鑄造件、鍛造件、軋制件、擠壓件）即將成為有潛力的換代材料規(guī)模應(yīng)用于軌道交通裝備。開發(fā)鎂合金在軌道交通車輛上的應(yīng)用，適合我國(guó)資源和技術(shù)現(xiàn)狀，是提升我國(guó)軌道交通裝備技術(shù)水平、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的絕佳機(jī)會(huì)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家研究部門和生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)了高規(guī)格、高品質(zhì)的鎂合金和鎂合金型材/板材，可訂單式供應(yīng)多規(guī)格、多系列的鎂合金板材/型材，產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)防、航空等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在鎂合金連續(xù)/半連續(xù)鑄錠、連續(xù)鑄軋、多規(guī)格型材擠壓等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平，部分高端產(chǎn)品已經(jīng)被美國(guó)、日本企業(yè)訂貨。中國(guó)目前已成為全球高速鐵路的領(lǐng)跑者，這為鎂合金在高鐵上的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介：王前進(jìn)（1975.10—），男，漢族，山東臨沂人，工程師，專科，研究方向?yàn)殒V合金。