 南昌航空大学航空制造工程学院教授龙文元（左二），上海交通大学教授彭立明（右二）以及江苏大学材料科学与工程学院教授赵国平（右一）做客“热点访谈：直播间”，《压铸周刊》的曾伟立先生担纲主持。 2021年7月，“2021上海国际有色铸造展暨2021上海国际有色铸造展”在上海举办期间，主办方中国机械工程学会压铸分会（下称 “全国铸造学会”或“学会”）和《压铸周刊》联合推出了“对话行业专家：热点访谈”节目，邀请两组圆桌论坛专家走进直播间，就“压铸件大型化、一体化及超大型压铸机的趋势”和“低压/重力/挤压铸造、半固态成型、高真空压铸等铝铸造新工艺变革与推广应用”两个话题展开探讨，本期针对第二个话题的对话内容进行节选刊登。
嘉宾简介 对话内容 《压铸周刊》：谈一谈半固态成型的技术优势，半固态压铸件在汽车领域的应用现状与发展方向？ 龙文元：高压铸造应用广泛，但由于其压射速度及充型速度较快，容易出现卷气和夹杂问题，高温热处理容易鼓包，因而无法进行高温热处理，限制其在结构件上的应用，现在在结构件上应用较多的仍是一些壳体用件。 随着轻量化的迅速发展，企业希望更多的产品能够实现“以铝代钢”，因而对铸件提出了更高的要求，并希望通过热处理方式进一步提高铸件的性能。基于此，半固态压铸技术应运而生。液态金属的充型速度较快，容易出现卷气，达到全固态时无法移动，而半固态金属液约50％，甚至更高固相组分的浆料，呈分散的颗粒状组织形态。半固态金属粘度比液态金属大，内浇口处流速低，因而充填时少喷溅，无湍流，卷入的空气少。同时，半固态金属收缩较小，因而铸件不易出现缩松、缩孔的问题，铸件质量高。目前，很多企业希望压铸件能够进行热处理，以便于进一步焊接，因而对半固态压铸的需求增加。例如，一些应用在电子领域的产品要求其具有高导热性，因而需要提高铸件的致密性。但半固态铸造也存在一些问题，采用半固态成形技术生产的公司，其铸件的合格率较低，效益较低，呈现亏损的状态。半固态制浆成形是一系列的过程，对于采取的工艺、采用的模具均有较高的要求。为了拓宽半固态压铸件在汽车结构件等领域的应用，需要整体改进半固态成形的模具与相关技术。此外，我们也希望高效节能环保的意识可以推广开来。 《压铸周刊》：谈一谈高真空压铸与挤压铸造工艺优势及其在汽车结构件上的应用？ 彭立明：高压铸造的生产效率和集成度较高，无论是在汽车还是工业上都是主流的生产方式。在钢盖、变速箱上应用较多，采用较传统的材料生产。近年来，随着新能源汽车的发展，行业对车身轻量化提出了更高的要求。一方面，对续航里程的要求越来越高，在相同电量下，整车质量越大，续驶里程越容易受影响，这就需要通过轻量化技术来平衡使用动力电池带来的质量增加；另一方面，新能源汽车没有发动系统，传动和动力系统的部件减少，所以新增长的轻量化需求点主要在车身和底盘的零部件，要和钢材竞争，实现“以铝代钢”。汽车底盘可以采用半固态成形技术，而车身零部件生产以高压铸造方式为主。车身零部件是大而薄的复杂结构件，需要高速充型的能力，非传统铝合金能满足，这就对材料提出了更高的要求。从车身角度讲，高温压铸的发展趋势主要朝两方面发展，一是压铸件大型一体化成型，二是工艺与新材料紧密结合。传统生产中，主机厂设计零件，供应商寻找合适的材料。从工艺角度出发，工厂要考虑如何进行生产并按时交付。而今，若将工艺与材料分开，大型压铸件则很难开发成功。 大型薄壁一体化压铸件涉及三个核心技术。首先，大型压铸件需要选用合适的材料。首选免热处理的高强高韧铝合金的延伸率最低要求为10%，在此基础上追求高强度，以满足碰撞铆接的要求。第二，零部件的集成设计能力，利用材料属性做结构设计。将几十个钣金件集成到一起，需要进行结构优化和强度分析，做到兼顾功能性与工艺性。第三，压铸件大型化发展，从制造工艺与制造模具的角度，做好结构设计，保证大的型腔内的热平衡。 特斯拉的汽车后轮罩为1.5米到2米，金属液在大的型腔中流动，因而需要先做好结构设计，保证后期生产中零件的合格率。高压压铸具有生产效率高、成型薄壁零件的优点，但同时又具备一定的弱点，充型速度较快导致金属液卷入气体。挤压铸造，主要是对高压铸造的补充，更适合做厚壁零件。对屈服强度要求较高的材料，挤压铸造和半固态压铸具有一定的优势，但对薄壁零件是一个挑战，挤压铸造适合生产中小型零部件，但并不是最主流的生产方式，最主流的生产方式仍然是高压铸造。 《压铸周刊》：从低压铸造和重力铸造工艺角度，如何看待技术革新，对压铸企业有什么建议？ 赵国平：目前，国内最成功的企业生产的副车架合格率不足80%。将毛坯件、工艺系统进一步分析后，会发现浇注系统及充型原则存在较多问题。而谈创新之前，企业首先需要理解创新。就铸造工艺而言，无论是低压铸造、重力铸造、差压铸造还是高压铸造，方法相似，相互之间存在一定的竞争，同时也面临高压铸造一样的问题：如何提高充型速度，如何避免产生卷气，进而产生差压铸造。有部分企业尝试在真空条件下进行低压铸造，通过提高冷却速度减小冒口大小的方式来提高充型速度，目前仍在探索如何提高充型过程平稳的方法。同时，我们需要知道创新目的，通过合理的设计以及结构优化，实现集成零件的铸造成形，有效地降低零件的重量且减少不必要的加工工艺过程。反之，为了达到这一目的，如何选取适合的材料也成为行业同仁需要进行思考的问题。我们应该建立微观组织、成分及凝固过程的数据库，从各个角度共同努力推动我国铸造行业的进步。创新需要共同努力，企业要认清目的，加强基础理解。 彭立明：“工业4.0”与人工智能对于提高产品品质的优势没有被挖掘出来。运行过程中产生了许多数据，但很多企业没有很好地利用数据，因此数据对提高品质的益处并没有被挖掘出来。而用户往往关注性能而忽略了工艺过程，合金成分、熔炼温度、浇铸温度、压射速度、工艺参数以及模具的温度均对合金的性能有较大的影响。将这些数据采集起来，并将之与性能进行对应，变成自适应的过程，反过来提升品质。最后是公司之间的竞争在1%的合格率上面，现在采集过程只是监测过程，各公司应该加紧后续数据的学习。 赵国平：国内许多用户都具备完整的温度场采集系统，但是许多工作人员对此不够重视，认为工艺稳定并未进一步采集温度，这都表明我们对于采集数据缺乏一个科学的认识。企业应该采集这些数据并进行后期的分析，德国许多企业始终投入大量精力进行研发，其投入程度甚至超过很多高校、研究机构。我们想要寻求突破，还需要脚踏实地，一步一步地往前走。 《压铸周刊》：半固态压铸技术普及与推广需要突破哪些瓶颈？在这过程中又应当解决哪些难题？ 龙文元：半固态压铸的普及与推广受到三个方面的限制。首先，人才匮乏，在半固态领域，我们国家的研究人员人数居世界首位，但科班出身的研究人员很少。许多压铸厂、模具厂的工作人员实力不足，仍然存在仿照旧图纸和旧设计的局面。第二，半固态成形技术的工业化推广应用亟待加强，一方面与人才不敢采用新技术有关，另一方面与生产设备有关。我们在技术上虽然发展较快，但半固态生产设备依靠进口，在产业化上仍然存在一定的差距；第三，半固态加工制浆技术仍存在一定问题，搅拌、流动过程中存在二次污染或者卷气等问题，限制其推广。若想突破这一瓶颈，需要从三个方面着手，第一，解决高素质人才缺乏的问题，提高铸造从业人员的专业性；第二，铸造从制浆开始到成形是全流程的，不能局限于某一个模块某一个环节。压铸件成品率不高与整个工艺流程有关，未来汽车零部件企业应该产学研合作起来，依托高校以及研究机构深入研究；第三，注重工艺性同时注重过程的数据采集，建立相应的数据库。 彭立明：我们团队的研究方向主要围绕三方面，对于压铸企业而言也同样面临着这些问题。第一，材料开发，开发了一系列镁合金与铝合金等免热处理材料；第二，产品设计，结构设计，一体化零部件与结构化设计密不可分；第三，做好零部件工程样件开发到交付的过程，教会用户如何使用。当前存在“要用五好材，材料不敢用”的局面，而新材料推广过程中的阻碍，归根到底在于用户的创新精神，企业中还是缺乏既懂材料又懂工艺的人才，企业应该突破这一桎梏。 赵国平：大飞机项目的镍基合金仍然受制于人，企业需要加强对材料规范的理解。若企业购买的材料不达标，既需要追溯源头研究合金成分设计，也需要考虑工艺过程中是否存在问题，这就需要企业保持持续的学习。 《压铸周刊》：简要概括工艺技术在各个研究领域中的应用前景？ 龙文元：半固态技术，减少制浆环节进而减少工艺，从汽车轻量化以及高导致密要求高的产品上，半固态技术在推广应用上更具优势。 彭立明：“以铝代钢，以铸代锻”是一个必然的趋势，铝合金的压铸从材料、工艺、模具及装备都是一个需要进行持续改进的过程。 赵国平：低压铸造和重力铸造，无论是金属型还是砂型组芯，潜力都很大，值得进行不断探索。 |
.jpg)
