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2019年北美压铸技术进步浅析,压铸从业者需要了解
发布日期:2019-06-21  来源:广州市鑫煜铸造设备材料制造有限公司  作者:修毓平  浏览次数:760
核心提示:北美压铸技术进步标志性的内容均体现在北美压铸协会每年公布的战略计划之中,它和美国金属铸造财团(AMC)确定的课题范围和战略
       北美压铸技术进步标志性的内容均体现在北美压铸协会每年公布的战略计划之中,它和美国金属铸造财团(AMC)确定的课题范围和战略是一致的。主旨是面向未来的技术进步。AMC的战略计划有4个主题范围,其中3个是NADCA的战略方向,即工艺,材料,设计。第4个主题---劳动力,内含在NADCA的教育培训计划中。每个主题都有若干分主题或聚焦区间,如附件加工,智能设备及制造,先进铸造技术,铸造材料,模具和加工材料,制造设计工具以及铸造设备工具,均体现在NADCA的研究计划中。每个聚焦区间还包含有较详细的聚焦研究范围和推动特定技术状态所需要的可操作技术路径。其研究成果对压铸行业带来很多实际利益,如使合金性能更高,焊合减少,压铸周期缩短,生产效率提高,废品和废料减少,成本降低,投产准备阶段缩短等。可以说NADCA的战略计划已成为推动全球压铸技术进步的风向标。

笔者自2001年以来,一直跟踪NADCA每年公布的战略计划,并通过苏州压铸协会的期刊,将计划内容和笔者的综合分析提供给国内压铸同仁参考。现将对2019年北美压铸技术进步的相关研究做如下归纳和简要说明。

一 在研项目浅析

目前有16个项目在研,启动资金约880万美元,资金来源包括:美国国防部(DOD),国防后勤局发展战略计划(DLA/R&D)和美国金属铸造财团(AMC),美国轻金属材料制造创新研究所(ALMMII)的未来轻量化创新分部(LIFT),数字化加工制造与设计创新研究所(DMDII)以及NADCA。

以下对这16个项目作一简要介绍:

一. 铸造材料

1) 用共形冷却方法快速成型----增材制造

这是2018年6月启动的项目,沃切斯特综合理工学院的Dr.Diran Apelian 担任首席研究者。研究内容涉及增材制造设计准则的制定和修订,快速加工制作的工艺和材料,以及共形冷却线的快速加工。模具组件如芯件和镶嵌件,也将考虑在模具生产时用增材制造方法取代。

2) 用于拓展工件寿命的先进工程涂层

        也是2018年6月启动的项目,科罗拉多矿业学院的Dr.Steve Midson首席研究。主旨是开发模具涂层,达到与熔融铝不润湿,同时改进模具涂层以尽可能延长模具镶嵌件的使用寿命。

3) 锌蠕变对截面厚度的敏感性

        对不同厚度(0.4—3.0mm)不同温度(60,90,120ºC)的锌合金,系统研究截面厚度对蠕变性能的影响,主要是扩大数据积累,寻求规律和适用厚度范围。

4) 纳米颗粒增强铝基复合材料的制造

    由NADCA和沃切斯特综合理工学院以及美国轻金属材料制造创新研究所(ALMMII)的未来轻量化创新分部(LIFT)联合开发,为了提升铝合金的轻量化性能。在引入铝基纳米复合材料生产工艺的基础上,开发其用于铸造生产,主要是高压铸造和挤压铸造及热处理的工艺技术。制备纳米颗粒增强铝基复合材料使用了原位生成(ISGR)工艺,自蔓延高温合成(SHS)工艺,以及非原位超声色散(UD)工艺。此纳米复合材料为铝基,AlN,TiC,SiC 颗粒分别为1-3%。

二. 模具材料及模具表面处理工程

涂层和表面处理性能的调查与评价

    利用各种非破坏性和破坏性分析技术,并在常规铸造生产条件下使用8小时,实验调查和评价几种商品涂层和表面热处理模具的早期行为和性能。目的是识别和更好地了解初始失效机制和相应的磨损率,同时有助于为改进铸造操作性能具体应用的取舍。

三. 设计工具/计算机模型

1) 虚拟指导认证

为了开发虚拟的集成信息认证工具,同时具有计算、验证、和可预报的框

工具,可以根据工艺条件预报各种厚度铸件的机械性能。如开发的流场和凝固软件可以给出模拟的铸件二次枝晶臂间距,并提供机械性能。还开发了可以模拟金相组织的软件,正在实际铸造生产中验证。

2) 面向工人的高压铸造过程模拟技术的进步

    此课题2018年6月开始,目标是推动实际压铸机的发展,基于UIUC和合并

流动模拟以适应工艺变化的干扰并显示工艺改变后铸件的3D图像。此外还开发了两个虚拟铝熔炉,可以用工艺参数决定从炉中放出的金属液的质量。虚拟炉将使操作者可以直观并合理控制炉内的熔炼过程。

四. 工艺技术

1) 铝合金压铸脱模剂的评价方法

识别测定脱模剂润滑表现的关键特征,确定测试方法,以保证购进脱模剂的质量。实验设备使用一块加热平板,在平板的特殊位置埋入热电偶以测量温度。平板安装有一定角度,将各种脱模剂置于平板表面,在喷涂前,中,后,均测量温度。画出热曲线,和铝液在平板上流动的距离,以评价喷涂的热特性及铝液与之接触时的不润湿特点。

2)模具喷涂研究

      评估各种脱模剂对金属流动性的影响,评价脱模剂在不同温度下的气化特征,在喷嘴处堆积的特点,并分析测量脉冲喷涂的效果。实验采用不同压力,认为脉冲喷涂是一种有效的方法,较之连续喷涂,可减少60%用量。且喷涂压力可适当减小。

3)订制熔炼

      开发计算机程序精确快速计算需加入到金属液中的合金种类与数量,从而熔炼出指定的合金。识别并开发了专门选择小批量熔炼用的熔炉,同时,对将金属液转移到压铸机料管的方法进行评价。开发了相应的计算机模型并通过系统实验,表明熔化率约为熔化1磅铝水需时22秒,其目标是缩短至6秒。下一步实验要增加感应圈预热,使熔炼总时间进一步缩短。

4)铝合金结构铸件研究

了解实用铝合金的成分结合适当热处理,得出大量数据,以消除或大幅减少常见的破裂。测量热处理铸件与钢板结合处的强度。明确了合金成分,热处理工艺和工艺参数对形成破裂的相互关系。目前研究结果表明,常见破裂取决于合金成分,热处理可减少破裂的出现。目前工作集中在破裂缺陷的计算机模拟和减少破裂形成的参数确定。

5)喷涂实验研究

研究目的是确立全面评价脱模剂性能的可行性实验方法。实验设备的设计装配已完成,然后进行手动喷涂实验,将各种脱模剂喷涂到实验平板上,然后将铝液倒向平板,同时测量平板喷涂前、中、后期的温度,同时测量铝液流过平板期间的温度,观测铝液对平板的粘附状况及在平板上的流动距离,以评价铝合金脱模剂的性能。

6)开发性能更好的耐火材料

了解耐火材料的原料及混合料抵抗铝液化学反应冲击的特性,开发有更高能力抵抗炉壁清渣、投料和侵蚀造成炉壁破坏的耐火材料。目前尚在起步阶段。

7)改进武器系统的净形钛合金部件的定制铸造

        此项目2018年6月开始,阿拉巴马州伯明翰大学、科罗拉多矿业学院、俄亥俄州立大学、普渡大学参加了此项研究。主要工作是确定工艺,压铸材料,钛合金的订制熔炼以及压铸钛合金铸件用的钛合金成分。

8)评价脉冲喷涂工艺

        通过模型和脉冲喷涂技术演示,预期可以缩短喷涂时间和减少喷涂量达80%。同时相对于连续喷涂,可以用较低的喷涂压力并延长模具寿命。

9)与截面厚度对应的规格标准及技术转让

        建立压铸件与截面厚度相对应的主要特性,以更好地指导产品设计。首先围绕A380进行实验,试棒厚度为3-9mm,取自铸件本体。用CT扫描机检测并完成力学性能测试。所有资料结果将收入NADCA产品规格标准。

二 新思路及新热点

    北美压铸协会每年都会公布其发展战略计划,其最显著的特点是项目很务实

且具有连贯性,尽可能与财政支持保持平衡,与美国金属铸造财团的研发保持同

步。始终围绕提升压铸件的性能,提高生产效率,改进工艺效率和降低作业成本

这四个核心展开研究。

随着压铸设备的日臻成熟,近几年来北美把研发关注的重点更多地向新材料

和新工艺方面倾斜。一些新的思路和导向值得我们借鉴。现归纳如下:

A.铸造材料

   * 高温耐热铝合金

   * 镁合金结构材料

   * 高强度铝合金

   * 通过实时监测合金熔炼减少夹杂

   * 系统分析缺陷与铸件性能的对应关系

B.模具材料及模具表面工程

   * 一次性芯

   * 压铸高温合金用模具材料

   * 多层智能涂层

   * 局部熔融(激光上光,摩擦扰动)强化模具

C.计算机模型

   * 压射力预报

   * 压铸全过程特征建模

   * 结构铸件模型

D.工艺技术

   * 熱室压铸铝合金

   * 钛及镍合金压铸

   * 钢压铸

   * 无孔洞压铸

三 近两年战略回顾

    北美压铸协会推出的研发项目,很多属于延续性的课题,在取得实际效果前

一般不会收手,回顾2017年和2018年NADCA的战略计划,将有助于我们进一

步认识北美压铸技术的发展趋向。

2017年研究项目:

一. 铸造材料

1) 薄壁铝合金和镁合金

2) 206合金的半固态及挤压铸造

3) 标准及转变

4) 锌蠕变对截面厚度的敏感性

5) 薄壁高真空铝合金压铸

6) 极高韧性A360压铸

二. 模具材料及模具表面工程

1) 激光沉积抗冲蚀料管

2) 扩散结合涂层

3) 具有复合冷却的芯

三. 计算机模型剂辅助设计

1) 喷涂的热转移模型(喷涂参数对热流,对压铸工艺操作的作用,热转移效率及理想喷涂参数)

四. 工艺技术

1) 无润滑剂压铸(铝镁锌压铸用自润滑永久或半永久模具涂层)

2) 铝合金压铸模具润滑剂的评价方法

3) 脉冲喷涂评估

4) 模具喷涂研究

5) 订制熔炼

2018年研究项目:

一. 铸造材料

1) 薄壁铝合金

2) 206合金的半固态及挤压铸造

3) 标准及转变

4) 锌蠕变对截面厚度的敏感性

5) 薄壁高真空铝合金压铸

6) 极高韧性A360压铸

7) 纳米颗粒增强铝基复合材料的制备

二. 模具材料及模具表面工程

1) 激光沉积抗冲蚀料管

2) 扩散结合涂层

3) 具有复合冷却的芯

4) 延长模具寿命的复合涂层

5) 模具涂层及表面处理性能的研究与评判

三. 设计工具/计算机模型

1) 虚拟指导认证

四. 工艺技术

1) AlCrN涂层无润滑剂压铸模具

2)铝合金压铸脱模剂的评价方法

3)脉冲喷涂评估

4)模具喷涂研究

5)订制熔炼

6)铝合金结构铸件研究

将2017年和2018年的研发项目与2019年的项目进行比照,不难看出,其中有些项目几年来一直在延续进行,这是由科研内容本身的性质决定的。很多研究项目需要大量的实验和积累,没有捷径,不可能一蹴而就,更不能急功近利,半途而废,或无疾而终。

因篇幅及学识所限,本文对各研发项目没有展开深入介绍分析,即使有简要表述,亦可能挂一漏万,仅供压铸界同仁参考,并欢迎指正,不吝赐教。

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