中国铝合金压铸业的发展和现状

　　20世纪90年代以来，中国有色金属压铸工业在取得令人惊叹发展的同时，已成为一个新兴产业。现国内共有有色金属压铸企业3000家左右，压铸件产量从1995年的26.6万t上升到2005年的87万t，年均递增率为12.58％，其中铝合金压铸件占所有压铸件产量的3／4以上。

　　随着技术水平和产品开发能力的提高，铝合金压铸产品的种类和应用领域在不断扩宽，其合金种类、压铸设备、压铸模具和压铸工艺都发生了巨大的变化。

　　压铸铝合金的新进展

　　压铸铝合金自1914年投入商业化生产以来，随着汽车工业的发展和冷室压铸机的发明，其合金种类得到了快速发展。压铸铝合金按性能可分为中低强度（如中国的Y102）和高强度（如中国的Y112）两种。目前工业上应用的压铸铝合金主要有以下几大系列：Al—51、Al —Mg 、Al—Si—Cu 、Al—Si—Mg、AI－Si—Cu—Mg、Al—Zn等。工业发达国家应用的主要压铸铝合金系列．见表l。

表1 国内外主要压铸铝合金化学成分

　　1、Al—Si二元共晶合金Al—Si二元共晶合金是应用*早的压铸铝合金，它成型性好，有良好的耐蚀性，可压铸一些薄壁及有致密性要求的不受力零件，如仪表附件、盖板、护板、盖帽及有散热片的缸体、壳体等。但其再加工性能差，一般不用于生产精度要求较高、受力大的压铸件。2、A卜Si－Mg系及A丨－Si－Cu系合金这些合金具有较高的力学性能及良好的切削加工性能，也是压铸铝合金中应用*多的产品，其应用量约占铝合金压铸件的70％左右。特别是dash;Si—Cu系的压铸合金，其优良的综合性能已引起设计者的广泛关注。它也是铸造铝合金中*先由其他铸造方法转向压铸的铝合金系列。在压铸高压和急速冷却条件下，其合金组织部分得到固溶，从而强化了合金，加之压铸件的平均晶粒尺寸（约0.01mm）比金属型（约0.5～1.0mm）和砂型（1.0mm以上）铸件细小，所以结晶致密，强度和硬度也相对较高，甚至可以省去金属型和砂型铸造中的细化和变质工序。

　　3、Al－Mg系合金

　　Mg系合金主要用于一些有特殊外观和防腐要求的压铸件，这些合金通过适当的后处理有银白色外表，强度及抗蚀性亦较好，阳极化处理及承受抛光的性能比含Si铝合金好，由于Mg的加入，加剧了熔炼时的氧化和造渣倾向，压铸控制难度要比Al—Si系合金大（主要是合金结晶间隙大造成热裂倾向），所以必须严格控制熔炼工艺及压铸参数。压铸铝合金力学性能的提高往往伴随着铸造工艺性能的降低，压力铸造因其高压快速凝固的特点使这种矛盾在某些方面更加突出，因此一般压铸件难于进行固溶热处理，这就制约了压铸铝合金力学性能的提高，虽然充氧压铸、真空压铸等是提高合金力学性能的有效途径，但广泛采用仍有一定难度，所以新型压铸铝合金的开发研制一直在进行。

　　铝合金压铸技术的���变化

　　早期卧式冷室压铸机的压铸过程只有一个速度压送金属液进入模具，压射速度只有1～2m／s。采用这种工艺，铸件内部气孔多，组织疏松。不久人们将其改为2级压射，把压射的过程简单分解为慢速和快速2个阶段，但快速阶段的速度也不过3m／s。后来为了增加压铸件的致密度，在慢速和快速之后又增加了一个压力提升阶段，成为慢压射、快压射和增压3个阶段，这就是经典的3段式压射。20世纪60年代中期，这种3段式压射工艺已经得到了普遍推广，并且快压射阶段的速度已提高到5m／s。此后的40余年间，世界各国压铸机制造商们对其压射过程进行了更深入的研究试验，开发出了一些新的工艺，如70年代的抛物线压射系统，80年代的无飞边压铸系统，90年代的无飞边压射系统等。其中，有的对3阶段压射进行分阶段改进，成为3阶段经典压射系统的继续发展和延伸。现在压射速度、压力已由原来的人工手轮调节改为计算机控制。

　　近年来，人们为了解决压铸件内部存在的气孔和缩孔问题，使之能生产出高强度、高致密性、可焊接、能进行热处理、可扭曲等各种性能的压铸件，在继续完善真空压铸以外又发展了挤压铸造和半固态压铸等新技术，并概括地称之为“高密度压铸法”。

　　1、真空压铸技术真空压铸法是将型腔中的气体抽空或部分抽空，降低型腔中的气压，以利于充型和排除合金熔体中的气体，使合金熔体在压力作用下充填型腔，并在压力下凝固而获得致密的压铸件。真空压铸法与普通压铸法相比具有以下特点：（l）气孔率大大降低；（2）铸件的硬度高，微观组织细小；（3）真空压铸件的力学性能较高。近年来，真空压铸抽除型腔气体主要有两种形式：（1）从模具中直接抽气；（2）置模具于真空箱中抽气。采用真空压铸时，模具排气道位置和排气道面积的设计至关重要。排气道存在一个“临界面积”，其与型腔内抽出的气体量、抽气时间及充填时间有关。当排气道的面积大于临界面积时，真空压铸效果明显；反之，则不明显。真空系统的选择也非常重要，要求在真空泵关闭之前，型腔内的真空度能保持到充型完毕。2、充氧压铸技术

　　压铸件中的气体绝大部分为N₂和H₂，几乎没有O₂，主要原因是O₂，与活性金属发生反应生成了固体氧化物，这为充氧压铸技术提供了理论基础。充氧压铸是在压铸前将氧气充入型腔，取代其中的空气。当金属液进入型腔时，一部分氧气从排气槽排出，残留的氧与金属液发生反应，生成弥散状的氧化物微粒，在铸型内形成瞬间真空，从而获得无气孔的压铸件。

　　在充氧压铸过程中，型腔内的真空是由化学反应产生的。生产中为保证**性，应严格控制充氧量，降低型腔压力，使其与充氧压力相匹配。将真空压铸与充氧过程结合起来，使型腔处于负压状态，可获得更好的效果。在金属液充型过程中，应使金属液以弥散喷射状态充型。浇道尺寸的大小也对充氧压铸的效果有较大影响，适当的浇道尺寸既可以满足金属液以紊流形式充满铸型，又可以避免金属液温度下降得过快。氧化物的高度弥散分布不会对铸件产生不利影响，反而可提高铸件的硬度，并使热处理后的组织细化。充氧压铸可用于与氧发生反应的Al、Mg及Zn系合金。目前，采用充氧压铸可生产各种铝合金铸件，如：液压变速器壳体、加热器用热交换器外壳、液压传动阀体、计算机用托架等。

　　对于需要热处理或组焊、要求气密性高和在较高温度下使用的压铸件，充氧压铸具有技术和经济上的优势。

　　3、半固态压铸技术

　　半固态压铸是在液态金属凝固时进行搅拌，在一定冷却速度下获得约50％甚至更高固相组分的浆料，然后通过压铸使浆料成形的技术。目前，半固态压铸有两种工艺：即流变成形工艺和触变成形工艺。前者是将液态金属送入特殊设计的压射成形机筒中，由螺旋装置施加剪切使其冷却成半固态浆料，然后进行压铸。后者是将固态金属粒或碎屑送入螺旋压射成形机中，在加热和受剪切的条件下使半固态金属颗粒经压铸成形。

　　半固态压铸成形工艺的关键是有效制取半固态合金浆料、**控制固液组分的比例及半固态成形的自动化控制。美国科学家认为要想实现半固态成形的自动化生产，需要大力发展以下几种技术：（1）具有自适性、灵活性的棒料运输；（2）精密的压铸润滑及维护；（3）可控的铸件冷却系统；（4）等离子除气及处理技术等。4、挤压压铸技术

　　挤压压铸又称“液态金属模压”。其铸件致密性好，力学性能高，且无浇冒口。我国一些企业已将其应用于实际生产中。挤压压铸技术具有极好的工艺优势，它不仅能替代传统的压铸、挤压铸造、低压铸造、真空压铸工艺，还能对差压铸造、连铸连锻、半固态流变铸造工艺进行兼容。专家认为，挤压压铸技术是一项前沿性的新技术，横跨多个工艺领域，内涵丰富，**性强，**挑战性。

　　5、电磁泵低压铸造

　　电磁泵低压铸造是一种新崛起的低压铸造工艺，同气体式低压铸造技术相比，在加压方式方面与其完全不同。其采用非接触式的电磁力直接作用于液态金属，大大降低了由于压缩空气不纯及分压过高所带来的氧化和吸气等问题，实现了铝液的平稳输送和充型，可防止由于紊流造成的二次污染。另外电磁泵系统完全采用计算机数字元控制，工艺执行非常准确、重复性好，使这种工艺在成品率、力学性能、表面质量和金属利用率等方面都具有明显优势。随着研究的不断深入，这项工艺也愈来愈成熟。

　　压铸设备及模具的发展

　　1、压铸设备的发展

　　通过近几年的发展，中国压铸机的设计水平、技术参数、性能指标、机械结构和制造质量等都有不同程度的提高，特别是冷室压铸机，已由原来的全液压合型机构改为曲肘式合型机构，同时还增加了自动装料、自动喷涂、自动取件、自动切料边等功能。电器系统也由普通电源控制改为计算机控制，操控水平大大提高，有的已经达到或接近国外水平。现正在进一步向大型化、自动化和单元化进军。在此期间，国内压铸机企业的技术实力在快速增强，其中香港力劲公司的成长变化*为典型。该公司已开发出多项国内**的压铸机型，例如，其开发的卧式冷室压铸机*大空压射速度已达6m／s（1997年）和8m／s（2000年初），镁合金热室压铸机（2000年初）匀加速压射系统（2002年）的*大空压射速度达l0m／s，并开发出多段压铸系统（2004年6月），实时控制压射系统（2004年8月）和锁模力为30000kN的大型压铸机（2004年7月）等。近年来，上海压铸机厂，灌南压铸机厂等骨干企业都开发出*大空压射速度为8m／s以上的卧式冷室压铸机和锁模力在10000kN以上的大型压铸机；2005年投产的广东顺威伊力精压科技有限公司也将生产出10000kN～30000kN大型压铸机。可见中国正在形成一个有实力、具有自主知识产权的压铸机制造产业。

　　中国现有压铸机总数为1.2万台，其中国产压铸机约占85％，进口压铸机约占15％。近两年中国压铸机的年销售量均在1800台以上，其中l0000kN及以上压铸机占2％，8000～9000kN压铸机占5％，5000～7000kN压铸机占13％，3500～4000kN压铸机占20％，3000kN及以下压铸机占60％。在3000kN以下的压铸机中，热室压铸机约占30％。中小型压铸机仍以国产设各为主。

　　国产压铸机与国外先进压铸设备的差距主要表现在以下几方面： （1）总体结构设计落后； （2）漏油严重；（3）可靠性较差：这是国产压铸机*突出的缺陷。据了解，国产压铸机平均无故障运行时间不到3000小时，甚至达不到国外20世纪50～60年代的水平，而国外该指标一般超过20000小时；（4）品种规格不全，配套能力差：我国虽然在生产卧式冷室压铸机方面已基本成系列，但仍有个别断档，如从16000kN到28000kN间就无产品。热室压铸机也缺少4000kN以上的产品。2、压铸模具的发展*早的压铸模模芯材料选用的是45号钢、铸钢和锻钢等，由于其耐高温冲击性差，所以使用寿命也较短。随着科技的发展，压铸模芯材料也发生了重大变化，现都采用高温、高强度的3Cr2N8VH13热锻钢制作模芯材料，近年来又采用了进口的8407材料，使模具的使用寿命大大提高。此外，国内大部分企业都采用了计算机设计及模拟充填技术，从而进一步提高了压铸模的质量，其生产周期也因之大大缩短。中国模具行业发展迅猛，1996年～2004年其产量年均增长率为14％，2003年压铸模行业的产值达38亿元。目前，国产模具只能满足市场需求的80％左右，其中又以中、低档模具为主；在生产大型、复杂的精密模具方面，其工艺技术、模具质量、使用寿命以及生产能力等均不能满足国民经济发展的需要。

　　铝合金压铸技术的研究及发展方向

　　汽车、摩托车以及汽车附件的消耗需求，为压铸件生产提供了一个广阔市场，压铸铝合金在汽车上的应用将不断扩大。为了适应市场需求，今后还应进一步解决以下问题^[11]：（1）、推广应用新型高强度、高耐磨性的压铸铝合金，研究可着色的压铸铝合金以及用于生产有特殊**性要求铸件的新型压铸铝合金；（2）、开发性能稳定、成分易于控制的压铸铝合金； （3）、简化铝合金成分，减少合**号，为实现绿色生产提供基础；（4）、进一步完善压铸新工艺（真空压铸、充氧压铸、半固态压铸、挤压铸造等）；（5）、提高对市场的快速反应能力，推行并行工程（CE）和快速原型制造技术（RPM）； （6）、开展CAD／ CAM／CAE系统的研究与开发； （7）、开发和应用更多的压铸铝合金汽车零部件。