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现代工程材料及应用 曾大本清华大学基础工业训练中心2012 7 新材料 现代高科技的一个重要部分 材料 能源 信息 生物技术已成为国民经济的支柱产业 新材料占突出的地位 胡锦涛 在2010年6月初出席中科院 工程院院士大会上重要讲话中关于 当前要重点推动的科技发展工作八点意见 2 大力发展新材料和先进制造科学技术 加快推动材料产业结构调整 促进我国制造业结构升级和战略调整 发展先进装备制造业 其它7方面 能源 信息网络 现代农业 健康 生态环境 空间和海洋 国家安全和公共安全 主要内容 一 通用工程材料二 现代新型材料三 应用实例 汽车材料 航空材料 模具材料 一 传统 通用 工程材料 工程材料主要指应用于工程构件 机械零件 工具等领域的结构材料 包括金属材料 非金属材料及复合材料 金属材料 工业用钢 碳素钢 合金结构钢 合金工具钢 特种钢 铸铁 普通灰铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 可锻铸铁 特种铸铁 非铁金属 铝合金 镁合金 铜合金 轴承合金 钛合金 粉末冶金 非金属材料 高分子材料 塑料 橡胶 合成纤维 工业陶瓷 结构陶瓷 要求强度 韧性 硬度 耐磨及高温性能等 常用Al2O3 Si3N4 ZrO2等 制造结构零部件如高温发动机耐热部件 切削工具等 功能陶瓷 利用无机非金属材料优异的物理和化学性能 如电磁 热 光及生物性能等 制作功能器件如电容器的介电陶瓷BaTiO3 电磁元件的铁电陶瓷等 随着科技发展 人们对材料性能的要求日益苛刻 传统材料已不能满足某些性能要求 于是采用现代技术制造的新型材料应运而生 下一节作简要介绍 近10多年来 全球范围内节能减排进程的加快 也推动了传统工程材料及其加工成形技术的发展 拓宽了应用领域 二 现代新型材料 材料是人类社会进步的物质基础和先导 是人类发展的里程碑 从石器 青铜 铁器 复合材料 纳米材料 材料品种成千上万的增加 出现了具有各种各样新性能的材料 这些新材料已成为当今高科技发展的支柱 新材料的发展与一个国家的经济 军事 科技实力密切相关 世界各国都将新材料的研究开发置于特殊地位 1 现代新型材料类别 新材料是指新近发展或正在发展的 具有优异性能和特定的功能 对科技进步和国民经济发展以及提高综合国力有重要作用的一类材料 其主要有 1 纳米材料1纳米是1米的10亿分之一 即1nm 10 3 m 10 6mm 氢原子直径为1 则1nm等于10个氢原子排一起的长度 可见纳米是一个极小的尺寸 纳米材料是指尺寸在1 100nm之间的超细颗粒 在结构 光电 化学性质等方面的诱人特征 使之成为研究热点 碳纳米管扫描电镜 a 透射电镜 b 图 2 超导材料冷却到一定的温度下 这些材料出现零电阻率 即失去电阻 3 形状记忆合金能够根据环境的变化进行自我调节 也是一种智能材料 4 梯度功能材料是两种或多种材料复合组成和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料 5 非晶态合金如气体 液体都属于无序结构 非晶态材料具优异的物理 化学性能 6 信息材料指应用于信息技术方面的新材料 主要包括微电子材料 光电子材料 储存和显示材料 光纤传输材料 传感材料 磁性材料 电子陶瓷等材料 7 新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所用到的关键材料 新能源包括太阳能 核能 风能 生物质能 低热 海洋能等 8 光学材料主要是传输光线的材料 这些材料以折射 反射和透射的方式 改变光线的方向 强度和位相 使光线按预定的要求传输或改变光线的光谱成分 9 新型高分子材料是有机化合物 高分子分子化合物一般具长链的结构 有很高的强度和韧性 如塑料 合成纤维 合成橡胶 但为了航空 宇宙及微电子领域的需要 仍需开发具有优异耐热性 耐环境性能的高分子材料 通过改性技术高性能化 10 新型无机非金属材料是以人工合成的高纯原料经特殊的工艺 如超高压 超高温 超低温 超高冷速等 制成的材料 如工程陶瓷 功能陶瓷 特种玻璃 无机多孔材料等 高分子 11 智能材料是指能模仿生物体 同时具有感知和控制等功能的材料或结构 它既能感知环境状况又能传输分析有关信息 同时作出类似有生命物体的智能反应 如自诊断 自适应或自修复等 12 磁性材料按其功能分有磁芯材料 用磁材料 磁记录材料 磁光记录材料 磁致电阻材料 磁致伸缩材料 磁性流体等 13 生物医用材料又称生物材料 是对生物体进行诊断 治疗和置换损坏的组织 器官或增进其功能的材料 14 环境材料是指对资源和能源消耗量最少 对生态环境影响最小 再生循环利用率最高或可降解使用的新材料 人口膨胀 资源短缺 环境恶化是当今社会持续发展面临的三大问题 20世纪90年代初 国际上提出了环境材料 ecomaterials 的概念 标志着材料科学与工程发展进入一个新的历史时期 2 现代复合材料 复合材料是由有机高分子 无机非金属或金属等几类不同的材料通过复合工艺制成的新型材料 它既能保留原组分材料的主要特点 又通过复合效应获得原组分所不具备的性能 可通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联 从而获得新的优异性能 它与一般材料的简单混合有本质的区别 根据复合基体材质分类 根据增强相复合形态分类 复合材料具有以下特点 复合材料具有可设计性材料与结构具有同一性材料性能对复合工艺的依赖性复合材料具有各向异性的力学性能 复合材料主要性能特点 1 最大优点是比强度高 比模量大 2 在长期交变载荷条件下工作的构件 具有较长的使用寿命和较高的破损安全性 3 高温性能陶瓷基复合材料的极限耐热温度很高 树脂基复合材料热导率低 膨胀系数小 在有温差时所产生的热应力比金属小得多 是优良的绝热材料 酚醛树脂基复合材料耐瞬时高温性能好 可作理想的热防护和耐烧蚀材料 能有效保护火箭 导弹 宇宙飞船在2000 c以上高温高速气流的冲刷 4 减摩 耐磨 减振性能 对于金属基复合材料 硬的陶瓷组分比金属基体更抗磨损 连续纤维增强复合材料其磨损性能各向异性 当纤维平行于磨损面 垂直于滑动方向时磨损率很高 陶瓷增强的铝合金具有优良的耐磨性 复合材料有较高的自振频率 同时其基体的纤维界面有较大的吸振性 致使材料的振动阻尼较高 5 其它特殊性能 破损安全性好 复合材料的破损不像传统材料那样突然发生 而是经历基体损伤 开裂 界面脱粘 纤维断裂等一系列过程 耐化学腐蚀性好 常见的玻璃纤维增强热固性树脂基复合材料 俗称玻璃钢 一般都耐酸 稀碱 盐 有机溶剂 海水的腐蚀 电性能好 树脂基复合材料是一种优良的电气绝缘材料 不反射电磁波 可作为隐身材料 微波透过性良好 目前广泛用于制造飞机 舰艇和地面雷达罩的结构材料 三 应用实例 1 航空航天材料 1 航空航天材料的服役环境及其要求 近乎绝对的可靠性 服役的环境大大区别于一般机械或地面及水面的运载工具 航空航天材料最大的特点就是在空中运行 在航空航天飞行中 任何一个零部件的可靠性都提高到非常重要的地位 必然要求构成零部件的材料必须具有近于绝对的可靠性 轻量化 空中或空间飞行器与一般机械差异的另一个重要特点是要千方百计减轻重量 不但要求强度高 刚度好 而且要求重量轻 航空航天工业中最为独特的一句口号是 为减轻每一克重量而奋斗 比强度 和 比刚度 即单位重量的强度和刚度 航空航天飞行器的工作条件十分复杂和苛刻 而且彼此之间有很大的差异 对航空材料的主要要求是耐高温 高比强度 高比刚度 抗疲劳 耐腐蚀 长寿命和低成本 加速向铸件转变的因素 费用 速度 铸造过程控制的进步 检验技术 最终产品的可预测性等 航空航天上零部件设计的任何一个失误都可能将导致灾难性的结果 因此对铸造技术提出了更严格的要求 实践中 通过静态 疲劳和破坏极限测试 证明铸造工艺可以满足这些重要应用部位的要求 在航空工业的未来发展中 已经在制造工程中开始强调采用铸造工艺 而零件会变得比以前更大 更复杂 壁厚更薄 一些令人非常惊叹的工程结构上正在使用铝和钛铸件 人造卫星发射载体的钛推进器 重330磅 149 82Kg 是航空史上最长的钛铸件 由Pacific铸造科技公司以精密铸造工艺生产 替换了一个没有任何附加铸造因素的铝锻件 它的断裂强度比锻件高30 而重量的减轻使载重量更大 起落装置的自锁门A357铝支架 支撑着靠近波音767飞机的主要门通道 重15 436Kg 34磅 由Hitchcock公司生产 部分壁厚2 032mm 0 08英寸 它代替了一个薄板金属组装件 省去了35个零件 25个附件和两个组合夹具 总部件成本下降50 波音757飞机的EE通道门 WoodwardGoveemor公司 WGC 飞机控制部生产的燃料控制系统A356合金铸件 右 系借助选择性激光烧结快速成形技术 制造出完整的砂芯 左 制造周期是常规方法的一半 成本比传统方法降低80 钛精铸鼓风机框架毂 支撑着很多波音飞机上的通用电器引擎的前部鼓风机段 由精密铸造公司生产 直径1320mm 52英寸 替换了以往88个需要机加工和焊接的不锈钢零件 重量减少了55 动力和空间控制更好 飞机 飞机的结构 飞机制造材料的发展早期 木材 蒙皮 金属丝 钢索等 20世纪30年代 金属承力蒙皮30 40年代 镁合金 不锈钢40 50年代 50年代中期才开始有钛合金 并被用于飞机的高温部件 60年代末期 大量使用树脂基复合材料 以后 又出现了金属基及碳 硼等纤维增强的各类复合材料 飞机设计已进入损伤容限设计时代 损伤容限系指结构在规定的使用周期内 抵抗由缺陷或损伤而导致破坏的能力 对产品的高可靠性和耐久性提出了很高的要求 构成飞机的主要的金属结构材料有铝合金 镁合金 钛合金 结构钢 高温合金及各类复合材料等 飞机结构用材将形成 铝合金为主 钢用量明显减少 钛合金用量显著增加 树脂基复合材料在主承力结构上全面应用 的新格局 铝合金 高比强度 低成本 性能不断改进和应用技术相对成熟使铝合金仍然是飞机机体结构的主要材料提高耐久性和实现结构减重等方面的需求始终牵引铝合金向高强 高韧和耐蚀 抗剥蚀和抗应力腐蚀 方向发展 含锂的铝合金较常规铝合金有高的比强 比模和低密度 钛合金 钛合金的发展是当今航空金属结构材料中最活跃的研究领域之一 其比强度超过钢和铝合金 允许的工作温度高 有优异的抗腐蚀性能 军用战斗机上被广泛采用 其占结构重量的比例已由F A 18E F的15 增加到F 22的41 树脂基复合材料 先进树脂基复合材料具有比强度高 比刚度高 可设计性强 抗疲劳裂纹 耐腐蚀和结构尺寸稳定性好 便于复杂结构的大面积整体成形 易于实现结构承载和隐形功能一体化等突出优点 在新一代军用战斗机 民用客机和军用直升机上的用量比例已分别达到机身结构重量的24 11 和54 航空发动机 发动机材料的选择 研究 开发及使用应当建立在充分认识发动机材料使用的基本环境与要求的基础上使用环境的基本特点是 高温 高载荷 高氧化腐蚀 而要求高性能重量比 高可靠性与长寿命 选择材料基本性能要求 可承受的最高温度 高温比强度与比寿命 高湿抗菌化能力 韧性 导热性和加工性 当代高推比 低油耗发动机的关键是高温结构材料 发动机用的典型高温材料系列 高温钛合金 钛合金与合金钢相比具有比重小 强度高 耐高温 抗腐蚀等优点 目前在F 100和TF 39发动机上的用量已达25 和33 不断地提高钛合金的工作温度和强度 以代替较重的镍基高温合金 增加发动机的推重比 应是新型钛合金研究的重点 镍基高温合金 镍基高温合金是具有耐高温 高强韧 抗氧化 抗腐蚀 易于成形加工的宝贵材料 故又称之为超合金 是发动机中关键的材料 目前 镍基高温合金在发动机材料中所占比重约为40 单晶高温合金是迄今在先进发动机中用作涡轮叶片最重要的材料 承受着最苛刻的工作条件20世纪70年代后 为适应发动机高温高推比的要求 大大提高了涡轮盘的工作温度和应力 导致开发出某些高强合金 金属间化合物 TiAl NiAl及难熔金属硅化合物等金属间化合物 由于晶体中金属键与共价键共存 使其有可能同时兼有金属的韧性和陶瓷的高温性能 比陶瓷具有两个重要特点 金属间化合物具有较好的热传导性 因而作为高温结构材料使用 其冷却效率较高而热应力较小 其次 某些金属间化合物 如TiAl NiAl 可以采用常规的冶金方法进行生产 高温复合材料 高温金属基与金属化合物基复合材料具有较原基体更高的高温强度 抗蠕变性 抗冲击 耐热疲劳等优良的高温性能 以B C SiC纤维增强的Ti3Al TiAl Ni3Al等金属化合物基复合材料以W丝增强镍基 铁基合金以及以SiC TiB2 Si3N4及BN颗粒增强的金属基复合材料高温服役条件要求发展陶瓷及碳基复合材料 从设计上对制造航空燃气涡轮发动机涡轮叶片用的材料 提出的要求 高的抗氧化能力 即高的热稳定性 足够的热强性 即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力 满意的塑性和韧性 更高的抗热疲劳性能 即对能引起热应力的热交换的敏感性要低 足够高的低循环疲劳强度 良好的抗腐蚀能力 以保持叶片的空气动力性能 高的导热性和低的热膨胀系数 良好的焊接性能 锻造性能 对于铸件材料还应具有优良的铸造性能 易于浇铸成形等等 航空航天工业常用铸造镁合金的性能和应用 某型号飞机上使用镁合金的情况 2 面向汽车轻量化的材料发展动向 采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计 使用新材料 新工艺 在确保汽车综合性能指标的前提下 尽可能降低汽车自身重量 以达到减重 降耗 环保和安全的综合要求 据测算 如汽车自重减少50kg 则每升燃油行驶距离可增加1km 换言之 若自重减轻10 则燃油经济性可提高约5 5 节约能耗首先是要提高汽车的燃油经济性 一般途径是 提高发动机效率 减少行驶阻力 改善传动机构效率以及减少汽车自重等 其中 减轻汽车自重是其重要措施之一 汽车轻量化关键 材料加工技术创新 通过零部件和车身部件结构优化 采用高强度钢 铁和铝 镁合金等轻质材料 以及通过改进成形工艺等手段 选择适宜的轻量化材料及其加工技术应考虑在资源 环保 技术和成本控制等多方面的协同发展 以适应汽车轻量化的发展需要 1 汽车轻量化材料 1 1 铝 镁合金材料 在汽车上应用量的快速增长是汽车用材料发展的大趋势形变铝合金 主要用于车身面板 车身骨架 发动机散热器 空调冷凝机 车轮 装饰件和悬架系统等零件 由于轻量化效果明显 其在车身上的应用正在扩大 Audi和Toyota公司最近推出的铝轿车 铝合金 铸造铝合金 主要用于发动机缸体 气缸盖 活塞 进气歧管 摇臂 发动机悬置支架 空压机连杆 传动器壳体 离合器壳体 车轮 制动器等零件 在日本75 以上的铝铸件均用于汽车 铝合金的加工难度比钢材大 成形性还有待继续改善 此外 成本控制也是未来汽车进一步应用铝合金的重要研究课题 压铸铝合金发动机件 低压铸造铝合金发动机件 镁合金 镁合金 目前工程应用最轻的金属结构材料 具有很高的比强度和比刚度 良好的阻尼减震性能 导热和电磁屏蔽性能 而且易回收 与环境兼容性好 近年来随着镁合金在价格和技术上的两瓶颈的突破 它成为汽车轻量化的首选材料 现主要以压铸件的形式在汽车上应用 主要包括 离合器壳体 离合器踏板 仪表板骨架 座椅 变速器壳体 气缸盖和气缸盖罩等 镁合金被认为是21世纪最富于开发和应用潜力的 绿色材料 镁合金的研究已成为全球性的课题 汽车用镁合金铸件对减少汽车质量 提高燃料经济性 保护环境 提高安全性和驾驶性 改善汽车性能 增强竞争能力效果显著 镁合金是当前使用最轻的金属结构材料 近年来 汽车 家电等领域促使镁合金的使用量急剧增加 对于镁合金 以压铸为代表的铸造制品占压倒性优势 随着汽车轻量化的飞速发展 以及3C产品所面临的亟待解决的环保问题 镁合金变形材逐渐受到世人的瞩目 镁合金 轻量化效果明显 如与全铝气缸相比 镁制品减重30 与传统的钢制冲压焊接构件制动踏板支架相比 整体的镁铸件减重40 同时其刚性也得以改善 现阶段镁合金种类少 高温和抗蠕变性能差 后处理工艺复杂 材料和加工成本仍较高 随着镁合金研究及产业化的逐步发展 其应用前景必将更加广阔 Ford公司2000年使用的镁合金零部件 镁合金手动变速箱外壳 镁合金压铸从动导向系统零件 汽车变速箱 后车门盖 后车门 车门 MoessnerAG生產 尺寸 1350 x800mm 重量 2 7kg 壁厚 1 6mm 減重 減振性 強度 汽车座椅后背架 seatback 以往采用钢材冲压而成 图示零件为采用850吨Thixo molding 设备生产的镁合金件 尺寸为18 221 2 由镁合金取代钢后 零件的重量减轻了近35 组装零件的个数由13降为3 高强度钢 铁材料 钢铁材料与非铁合金和非金属材料相比 具有其价格便宜 工艺成熟的优势 通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力 迄今为止 钢铁材料仍然是在汽车生产上使用最多的材料 轿车自重的25 在车身 车身材料的轻量化举足轻重 为了减轻车重和提高安全性 近年来汽车用钢板向高强度化发展已成为一种趋势 高强度钢 目前 各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身 底盘 悬架和转向节等零部件上的开发和应用 欧洲超轻型钢制车体的设计中 高强度双相钢所占比例80 还采用了约4 的抗拉强度达到1200MPa和1520MPa的超高强度马氏体钢 薄壁高强度灰铸铁 高强高韧球铁 近年来铸铁件的高强化和薄壁化的迅速推进 为汽车铸铁件的发展注入了新的活力 国内外发动机的一些缸体已采用HT300甚至HT350铸铁制作 球墨铸铁在汽车上的应用一直备受关注 其代表性零件主要是曲轴 凸轮轴 中后桥壳 各类支架 壳体等 目前 正向铸态高强度珠光体球墨铸铁 QT700 2 QT800 2 与铸态高韧性铁素体球墨铸铁 QT400 18 QT400 15 发展 A型石墨 上 C型石墨 下 图A型石墨 上 D型石墨 下 立体形貌 SEM 奥贝球铁 奥贝球铁 ADI AustemperedDuctileIron 具有很高的强度和韧性 其高强度 高强度型可达1400MPa 高韧性型强度为900 1200MPa 伸长率为10 超过了调质钢和渗碳钢的强度水平 在欧美发达国家取得了迅速发展 可用ADI代替钢制造汽车轮毂 全轮驱动双联杆 转向节臂 发动机正时齿轮 曲轴和连杆等 近年来 ADI在欧洲小轿车上的应用量日益增多 占整个ADI市场的32 在重型和轻型卡车ADI件占整个ADI市场的51 在国内汽车领域ADI零件也得到初步发展 基体 奥铁体 残余奥氏体 奥贝球铁组织 ADI独特优点 近十年每年15 增长 强度高 韧性好 与普通球铁相比 同等延伸率下 强度提高一倍 优于碳钢或相当于低合金 同等强度下 延伸率高一倍以上 质量轻 单位抗拉强度的材料密度数值小 ADI密度7 1 钢7 8 同样尺寸零件较钢轻10 ADI密度 抗拉强度之比 锻钢 合金锻钢 铝合金等 耐疲劳性好 弯曲疲劳强度与低合金钢相当 经喷丸处理 其疲劳强度相当于淬火钢 表面氮化 耐磨 抗磨性好 具有碳钢或低合金钢相当的断裂韧性 在 40 仍能保持70 的室温断裂韧性 减震性好 ADI弹性模量低 且有石墨球能吸震 使机械运转趋向平稳 其减震性比钢好 单位屈服强度材料的费用比值 美元 MPa 抗咬合磨损性比钢好 因石墨有润滑功能 成本低 经济性好 美国通用汽车公司ADI代替淬火钢生产汽车后桥齿轮 节约能耗50 锻钢曲轴改为ADI生产 成本可降低30 伞齿轮铸造后 左 机械加工后 右 ADI管换锻钢 机械加工容易 噪音减少 GM汽车上已使用数百万件 上左起 卡车悬架装置平衡臂 推土机用转向销盖 平路机用驱动轮 下左起 推土机用最终驱动箱保护板 大型卡车用压杆 穀物粉碎机用板状碾磨机粉碎板 各种ADI零件 生产ADI关键问题 保证获得高质量得球铁件毛坯且有优化的热处理工艺和相应可靠的等温淬火热处理设备适于大量生产条件下产品质量在线检测设备相应的ADI件机加工工艺及刀具 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的机械 物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间 适于制造强度要求较高和需承受热循环负荷的零件 如气缸体 气缸盖 排气歧管和制动鼓等 目前 蠕墨铸铁在大马力发动机缸体上的应用日益增多 福特 奥迪等国外公司的大马力发动机缸体已采用蠕墨铸铁制造 蠕墨铸铁生产过程中的稳定控制是其扩大应用的制约因素 瑞典SinterCast公司研究开发的蠕墨铸铁控制系统已在世界美 欧 亚三大洲得到应用 为世界十个最大的汽车制造厂中的8家提高蠕墨铸铁生产技术支持 全球每月约有2万个缸体或缸盖产品采用蠕墨铸铁制造 蠕墨铸铁石墨组织 100 其他轻量化材料 铝基复合材料密度低 比强度和比刚高 抗热疲劳性能好 用于连杆 活塞 制动盘 制动钳和传动轴管等零件 显示出卓越的效果 但目前在汽车上的应用仍受到价格及生产质量控制等因素的制约 尚未形成规模 粉末冶金材料成分自由度大 粉末烧结工艺具有近净形的特点 其在汽车上的应用有增长的趋势 特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用日益增多 精细陶瓷作为汽车零件轻量化材料有其独特的作用 用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件 碳纤维复合材料 碳纤维增强塑料CFRP CarbonFiberReinforcedPlastic 据统计 2010 2017年CFRP年增长率将达31 5 到2017年全球汽车碳纤维复合材料市场将增长至7885吨 其销售额也将由2010年的1470万美元增至2017年的9550万美元 目前已被开始大量应用于汽车内外装饰中 质量轻 强度大 其质量仅相当于钢的20 30 硬度却达10倍以上 在汽车上的应用要明显优于钢材等其他材料 预计未来其在汽车领域中的应用前景将十分乐观 2 材料加工技术的发展动向 2 1 材料制备 2 1 1 薄壁高强度灰铸铁的熔铸技术为在提高汽车动力性能的同时又能节能减排 要求中小型发动机灰铸铁缸体和缸盖铸件强度高 壁厚薄 尺寸精度高 结构复杂 内外表面质量要求严 其生产技术近年来一直受到国内外铸造界的关注 并从其材质 工艺和装备等方面采取综合措施 其问题得到了较好的解决 薄壁高强度灰铸铁的熔铸 提高材质冶金质量主要措施 a 获得高温 成分稳定的铁液 采用冲天炉 电炉熔双联熔炼时对冲天炉铁液除要求化学成分合格外 其温度应达到1500 以利获得纯净的铁液 近年来采用感应电炉熔炼合成铸铁 用于高强度灰铸铁缸体 缸盖的生产的企业铸件增多 实践表面这种采用废钢增碳的熔炼方式使得铁液的纯净度高 增碳剂促进石墨化效果明显 组织细化 均匀 不仅使铸铁强度得到提高 同时还保持良好的铸造工艺性能 不致加剧铸件收缩倾向 薄壁高强度灰铸铁的熔铸 b 低合金化对碳当量控制为3 9 4 2 的高强度灰铸铁 HT250 HT300 HT350 是有利的 一般可适量添加Cr Cu Sn Mo Ni 等元素 但合金元素的加入量受到是否增加渗漏和对机械加工性能及成本增加的幅度等因素的影响和制约 c 实施有效的孕育 在高碳当量条件下 如何根据铸铁件的需求和生产条件选择合适的孕育剂和简便 可靠的孕育方法是至关重要的 薄壁高强度灰铸铁的熔铸 d 充分重视炉料中的微量元素给铁液可能带来的影响 有些微量元素残留在铁液中有时会造成白口倾向过大 出现大量铸造缺陷或降低力学性能和机加工性能 这些微量元素有的来源于生铁 有的来源于废钢 伴随着轻量化 高强度 高加工性的不断推进 钢铁制品更为多样化 经各种表面处理的钢板有增加的倾向 因而使铸造用废钢的质量日益恶化 Zn Pb Cr Mn Ti Al B等元素的不良影响 2 1 材料制备 2 1 2 轻合金材料制备铝镁合金材料制备工艺及其冶金质量控制是极为重要的环节 特别是与特殊成形工艺相匹配的合金系的开发已提到日程 日本大纪铝工业所对压铸用具有良好铸造性 高导热性的铝合金开发 以适应薄壁 复杂形状 要求高散热性零件要求 通过对Si Fe和Mn等成分的优化开发的HT 1合金已用于汽车的某些零件 轻合金材料制备 至今工业上应用的多种铸造镁合金及传统成形工艺尚无法满足市场多样化的需求 铸造镁合金正朝着耐热 耐蚀 阻燃和高强度 高韧性方向发展 日本某公司开发了耐蠕变性能优异的压铸镁合金 采用Mg Al Ca系合金 添加适量Sn 但不添加RE元素 与以往开发的许多耐蠕变镁合金均加有RE相比 不只成本降低 且铸造时不易与金属型产生烧结 轻合金材料制备 上海交通大学利用稀土元素的强化效果开发了低成本 高强度铸造镁合金 Mg 3RE Zn Zr X合金 其铸造性能与AZ91合金相当 综合力学性能大幅提高 该合金强度 韧性高 b为280 320MPa 0 2为150 180MPa 10 20 优良的抗蠕变性能 耐腐蚀性能和中等的高温强度 合金成本不超过AZ91D的120 该合金已用于鱼雷舱体 汽车轮毂 发动机支架等产品的开发 2 2 一体化 复合化技术 就轻合金材料加工技术总体而言 汽车轻量化推动了多种技术的融合和交叉 根据汽车对各个部位零部件的性能要求 通过 多种材料一体化 加工技术复合化 零部件一体化可以最大限度满足汽车零部件的高性能要求 达到汽车减重 降耗 环保和安全的综合指标 2020 2 18 103 发动机及传动系统 多种材料一体化 针对不同轻质材料的不同特性 进行多种材料混合结构设计 以实现所用的材料与零部件功能达成最佳组合 这已成为未来汽车设计发展的方向 目前 欧洲大汽车制造商正在进行的 超轻型汽车 工程 其目标是在稳定价格的基础上减轻车重30 该项目的主要方案便是采用多种材料混合结构设计来制造新车型 加工技术复合化 将塑性加工 铸造 连接等技术复合化将成为汽车轻量化发展的必然趋势 如AaudiA2的整体车身框架系采用高真空铸造铝合金零件和挤压型材 通过焊接工艺制成 2020 2 18 AaudiA2的整体车身框架系采用高真空铸造铝合金零件 深色部分 和挤压型材 白色部分 通过焊接工艺制成 AaudiA2的整体车身框架 AC8A SiC复合材料活塞 要求高抗热龟裂性 高耐摩性 制造方法 高压凝固铸造 HiCAST 熔体在高压作用下浸入SiC间隙性能 尺寸 132 9 100重量 2 74Kg耐摩环境 铸铁生产情况 1988年开始量产 ADC12合金歧管 此件一般采用重力铸造 砂芯的制造工艺 壁厚增加往往导致铸件重量增加 铸件内腔表面粗糙导致空气阻力增加 制造方法 PF压铸分体铸造 焊接 使铸件壁趋于减薄 减重35 而且铸件内腔壁趋于光滑 空气阻力大大减少 PF压铸确保铸件含气量降低到最低限度 以获得健全的制品 确保可焊性 机械性能 抗拉强度 28 2Kgf mm2屈服强度 23 4Kgf mm2硬度 64HRB尺寸 320 180 75mm重量 1 2Kg组织 非常细小 健全的焊接部位的组织 生产情况 3年间生产10万只以上产品 铸造和锻造工艺结合 可以同时满足零部件结构复杂性和力学性能等综合要求 有潜在的应用前景 嘉瑞集团等自主开发的铸锻双控成形工艺系通过专门的成型机 在同一成形过程中连续完成压铸和锻造功能 实现对零件形状 尺寸和材质的精确控制 可获得无内部气孔 缩松缺陷 组织细化致密 枝晶消除 可热处理 形状复杂的高强度轻合金零件 卧式铸锻双控成形设备图 锁模力 8000KN锻造力 4000KN 易于加大锁模力 增设增压装置 捷迅机械设备有限公司 镁合金摩托车铸锻轮毂造型设计图 入水侧 铸锻侧 捷迅机械设备有限公司 卧式铸锻双控成形机技术参数表 捷迅机械设备有限公司 摩托车轮微观组织取样示意图 AZ91D合金卧式铸锻双控成形摩托车轮微观组织 捷迅机械设备有限公司 a 压铸 b 卧式铸锻双控成形AZ91D压铸和卧式铸锻双控成形摩托车轮位置1处微观组织对比 浇注温度为675 增压压射速度为7m s 1 模锻延时为0 5s 压射比压为13Mpa 保压时间为4s AZ91D合金卧式铸锻双控成形摩托车轮微观组织 a 压铸 b 卧式铸锻双控成形AZ91D压铸和卧式铸锻双控成形摩托车轮位置2处微观组织对比 a 压铸 b 卧式铸锻双控成形AZ91D压铸和卧式铸锻双控成形摩托车轮位置3处微观组织对比 捷迅机械设备有限公司 铸锻双控技术的应用前景 应用广泛 扩大原压铸的应用范围 可以关闭锻造功能 而作为普通压铸机使用 铸锻双控成型机可以明显提高零件的强度和延伸率等机械性能 可以有效节省能源 铸锻双控成型零件质量改善 可有效提高产品质量 并大幅降低生产成本 令压铸企业取得明显市场优势 应用于铝合金制作效果更加明显 同时为镁合金汽车 摩托车部件产业化提供技术支持 利用较小吨位机器制造较大制件 比传统压铸技术更加节能 环保 具有产业化竞争优势 捷迅机械设备有限公司 AZ91D合金卧式铸锻双控成形摩托车轮宏观组织 捷迅机械设备有限公司 缩孔 缩松 卧式铸锻双控成形未铸锻样板 卧式铸锻双控成形铸锻后样板 AZ91D合金卧式铸锻双控成形摩托车轮力学性能 捷迅机械设备有限公司 零部件一体化 以整体轻质结构取代铆 焊结构件 达到降低生产成本和轻量化的目的 福特公司与Maridian公司合作开发的镁合金前置架支撑组件已应用于2004年推出的F 150轻卡及2006年推出的Explorer车型 以取代过去17件钢制焊接 冲压钣金件 并将原先大灯框架 冰箱架及方向指示器等三层结构 简化为一体化成形 使整体每件产品重量较过去减轻9 10Kg 且减少约700万美元的模具成本 2 3 轻合金少无缺陷精确成形技术 半固态加工技术 非枝晶半固态合金呈 冰淇淋 状 流变成形 触变成形 半固态加工技术的特点 便于实现高度自动化 提高生产率改善环境 生产趋于更安全显著提高了成形件的质量和可靠性半固态压铸件可以热处理 T5 T6 大大减少对成形模具的热冲击净形化成形 减少切削加工在制备复合材料方面显示出优越性 半固态加工技术应用 触变注射成形原理 镁合金触变注射成形技术 镁粒 镁合金触变注射成形技术 特点 无需液态金属熔炼和浇注 生产过程更加清洁 安全和节能 镁合金碎屑和切割的浇注系统可以完全回收 成形件的收缩 残余应力以及变形小 终形或近终形成形 成形件的尺寸精度高 通常是普通压铸件的5倍作用 从而可以减少或免除切削加工 成形件具有极佳的尺寸重现性和表面质量 减小了清整强度 机械性能高于或相当于压铸件 可以成形壁厚为0 5mm 20mm的零件 成形过程卷入的气体大幅度减少 孔隙度小于0 069 从而成形件可以热处理 成形件致密度高 具有良好的耐腐蚀能力 有助于提高模具寿命 汽车座椅后背架 seatback 以往采用钢材冲压而成 图示零件为采用850吨Thixo molding 设备生产的镁合金件 尺寸为18 221 2 由镁合金取代钢后 零件的重量减轻了近35 组装零件的个数由13降为3 大直径 复杂结构铝合金轮毂低压铸造技术的开发 与锻造轮毂竞争 考虑设计自由度以及制造成本进行低压铸造设计 形状为栅格结构 尺寸为17in 设计面最小拔模斜度为3 最小的轮辐为3mm 设计方案 研究开发 工艺设计 结合CAE分析技术 进行冲击试验 回转疲劳试验以及冲击耐久试验 VEA限定载荷690Kg 确定合适的铸件结构和形状 工艺控制 模具的冷却控制一定精确 模具温度分布有利于铸件顺序凝固 模具温度控制在较低范围 7 85Kg 大直径 复杂结构铝合金轮毂低压铸造技术的开发 研究开发 模具温度变化及其控制 与传统轮毂低压铸造比较 模具下限温度更低模具上限温度更高冷却速度更大在一个铸造周期内 前半周期空冷 后半周期水冷 最后得到致密微观组织的制品 ADC10 ADC12合金发动机壳体 浇注温度 650 670 铸造压力 710Kgf cm3压射速度 30m s尺寸 432 495 404mm重量 19Kg气密试验 0 5Kgf cm2空气压 检测时间5秒生产情况 月产7 000台 品质要求表面机械加工后无气密不良现象 制造方法 真空压铸 3300吨卧式压铸机 抽真空装置 不同成形条件下的组织 不同成形方法技术对比 各种技术都会有不同的特点和市场定位 其中高真空压铸定位于薄壁高致密铸件的竞争者 而挤压铸造和半固态铸造则无论是在薄壁还是厚壁件的竞争中更加强劲 从长远的观点看 哪种最好要看哪种技术能够提供最大的灵活性和最佳的综合效益 3 模具材料 1 模具工业是国民经济的基础工业 用于生产上述行业的钣金件 锻件 粉末冶金件 铸件 注塑件 橡胶件 玻璃件和陶瓷件等毛坯或成品零件 模具是在汽车 拖拉机 飞机 家电