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朱強教授:半固態成形技術在汽車輕量化上應用前景

發布時間:2020-01-25 人氣:

  朱強教授:半固態成形技術在汽車輕量化上應用前景可期!

  ——專訪國家“千人計劃“特聘專家 朱強博士

  前言:隨著國內汽車輕量化技術開發與應用的不斷深入,半固態成形技術作為汽車輕量化的一種新工藝,受到汽車業越來越多的關注。該技術在歐美和日本等發達國家的汽車領域已有廣泛的應用,國內半固態成形技術開發與應用狀態如何,汽車輕量化大潮能否給半固態成形技術的發展帶來新的機遇。帶著這些疑問,近日中國汽車材料網對北京有色金屬研究總院首席專家,國家“千人計劃”特聘專家朱強教授進行了專訪,以下是采訪實錄:

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  北京有色金屬研究總院首席專家, “千人計劃”國家特聘專家朱強博士

  中國汽車材料網(Auto-Material,以下簡稱AM):朱教授,您好,非常榮幸能有機會采訪到您。半固態成形技術應該是您的主要研究方向之一,也是國際上這一領域的權威專家。對於國內汽車領域,對這些技術還不是非常了解,請您簡要介紹一下半固態成形技術的概念及主要的工藝過程?

  朱教授:半固態成形技術是對具有一定液相組分的固液混合漿料進行壓鑄、擠壓或模鍛成形,是一種介於普通鑄造和鍛造之間的成形方法。20世紀70年代以來,該技術得到了歐美和日本等發達國家的普遍重視,已先後對鋁、鎂、銅、鋼鐵等合金和複合材料在半固態工藝試驗和理論等方麵開展了廣泛的研究。

  半固態成形技術是利用非枝晶半固態金屬(Semi-Solid metals,簡稱SSM)獨有的流變性和攪熔性來控製鑄件的質量。可分為觸變成形和流變成形。

  觸變成形:如果漿流變漿料凝固成錠,按需要將此金屬錠切成一定大小,然後重新加熱(即坯料的二次加熱)至金屬的半固態溫度區(金屬錠稱為半固態金屬坯料)。利用金屬的半固態坯料進行成形加工的方法為觸變成形。其工藝過程包括觸變坯料製備、二次加熱、半固態成形(如壓鑄等)、鋸切、固熔、時效、噴丸/拋丸。

  流變成形:在金屬凝固過程中,控製金屬的形核和其長大過程,得到一種液態金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料(固相組分一般為50%左右),即流變漿料,利用這種流變漿料直接進行成形加工的方法稱之為半固態金屬的流變成形。流變成形的工藝過程包括熔煉、流變坯料製備、半固態壓鑄、鋸切、固熔、時效、噴丸/拋丸。

  AM:輕合金的半固態成形技術相對鑄造和鍛造工藝的特點有哪些,存在哪些優勢?

  朱教授:鑄造成本較低、但組織粗大,有鑄造缺陷,力學性能較低;鍛造機加工的方法成本很高,但組織細小均勻,無鑄造缺陷,力學性能較高;而采用半固態成形技術既可以獲取基本同鍛造機加工一樣的力學性能,成本卻和鑄造相當。

  AM:朱教授團隊在國內半固態成形技術的開發方麵取得了哪些進展?突破了哪些核心技術?

  朱教授:我2010年回國後,加入了北京有色金屬研究總院,組建了半固態成形技術開發團隊,經過近6年的研究和開發,成功開發了利用熱焓平衡原理製備半固態漿料技術以及半固態壓鑄成形技術,形成了半固態技術一整套全流程、多尺度的連續穩定的工藝流程和生產示範線。利用熱平衡法製備的半固態漿料可以有效地控製鋁合金等的氧化物缺陷,滿足汽車工業對結構件高質量和大批量生產的需要。依托此技術已經成功開發了98mm和148mm壓葉輪、卡箍、骨架接頭、合路器等產品,骨架接頭已經批量供貨,用於某知名品牌電動大巴車上得到實際應用。

  團隊並形成了6大核心技術:1、半固態合金成分設計原則,2、鋁合金熔煉淨化技術,3、無缺陷半固態漿料製備技術;4半固態成形模具設計準則,5、模擬仿真與半固態壓鑄成形技術,6、零部件後處理技術。

  AM:半固態成形技術在國外汽車領域的應用有哪些成熟的案例

  朱教授:半固態成形技術在國外已經獲得成功應用,形成產業化規模。

  1.美國:1988年以來,美國AEMP為 Bendix牌小轎車生產了250萬個鋁合金汽缸頭,為Ford汽車公司生產了1500萬個鋁合金壓縮機活塞,成品率近100%;1992年AEMP公司與Superior工業公司合資在美國 Arkansas州建成了全 球首家觸變成形鋁合金輪轂廠;1993年AEMP公司幫助美國AMP公司建設的有7台半固態成形係統的工廠,用於生產電工鋁合金零件;1995年,Concurrent Technologies Corp.為“歐洲人”汽車生產了後部懸掛構件。另外,生產用於LPD-17兩棲攻擊艦的鈦液壓操縱閥。

  2.歐洲:1985年,Alumax鋁業公司將有關觸變成形的專利技術向歐洲轉讓,生產Volvo、BMW和Audi等小轎車的鋁合金零件。 1993年 Weber 公司開始用半固態技術為 Nuova Lancia Delta公司生產油料注射擋。1993年瑞士Buehler公司開發出稱為SC的半固態壓鑄設備,並開始進行汽車零件的生產。1996年,德國Alusingen公司建立半固態觸變成產線,主要生產懸掛係統結構件1997年,意大利的Stample和Fiat公司開始生產7kg的懸掛結構件。還為福特Zeta發動機的生產了燃油分配器。2000年,意大利的MM公司開始生產噴射油道產品,日生產量為7500件同時,德國的 EFU、法國的 Pechiney SA、瑞士的Alusuisse—Lonza、意大利的Fiat等國際 知名公司已采用了半固態加工技術。

  3.亞洲:日本於80年代後期成立了一家由18個成員組成的Rheotech公司,隨後對半固態加 工技術進行係統研究,同時加強與美歐著名大學和公司的聯係。在1988年3 月至1994年6月期間共投資30億日圓進行研究開發,下一步轉向工業應用階段;日本レオツク(株)采用流變成形法對半固態AC4C合金(Al-7%Si-0.3%Mg)進行了連杆的壓鑄。

  AM:有色院在汽車半固態成形零部件開發和產業化應用方麵開展了哪些工作?

  朱教授:除問題2所述的產品外,目前還在壓鑄行業內推廣半固態成形技術。今年3月與深圳壓鑄協會共同組織成立半固態壓鑄成形創新聯盟,大會有用戶、半固態設備廠家、模具生產及配套廠家、壓鑄企業、原材料供應商、媒體和投資公司等200餘人參加,形成一個產學研用的技術產業“生態圈”,從上遊、中遊、下遊形成合力,推廣半固態技術的規模化生產,讓用戶盡快可以用上半固態產品。

  AM:您認為半固態鋁合金成形技術的在國內汽車領域的應用機會有哪些?有色院在下一步的市場推廣、應用合作的方向是什麼?

  朱教授:半固態技術可以大幅降低零部件的氣孔缺陷和氧化物夾雜缺陷,提高產品性能和使用壽命,而生產節拍與通常的液態壓鑄相當,因此非常適合大規模生產汽車零部件。近幾年,由於大氣汙染,對汽車節能減排提出了更高要求。節能減排其中一個有效措施是汽車輕量化,以鋁代鋼。這是發展鋁合金半固態技術的一個契機。

  目前汽車核心零部件如轉向節、控製臂、製動泵體發、動機支架、卡鉗、支撐塔、變速杆、搖臂、油泵殼體、輪轂、後橋部件等等產品都非常適合用半固態成形技術生產。有研總院下一步將與大學、生產企業和應用企業聯合,開展產學研科學研究、技術研發和應用,推廣在壓鑄企業中進行規模化生產,盡快為汽車的升級換代做出貢獻。

  編後:和國外相比,我國在半固態成形技術領域的研究與應用還相對落後,特別是原創性理論技術研究還需加強。為了我國汽車工業的發展,提高我國汽車工業的水平和在國際市場上的競爭能力,需要采用各種新工藝和新材料來裝備我國的汽車工業,而推動半固態金屬成形技術在汽車工業中的應用是目前的關鍵。近些年來,針對節能減排對汽車輕量化加工的迫切需求,半固態成形技術研究工作不斷的深入,輕質合金半固態成形技術也不斷成熟,半固態成形技術在汽車輕量化上的應用也越來越廣泛。

  采訪結束時我們得知,朱強博士將於9月加入改革前沿深圳市的南方科技大學,進行深入的科學技術研究以及教書育人。期望著朱博士能夠在半固態成形理論和技術創新上盡快取得更大成績,為我國的半固態成形技術領域培養更多高端人才,使我國在該領域的技術創新走到世界前列。

  專家介紹:朱強,博士,教授級高工,“千人計劃”國家特聘專家,北京有色金屬研究總院副總工程師、有色金屬加工事業部副主任。國際半固態加工技術委員會執委,科技部863重大專項責任專家北京市科學技術獎勵評審專家,有色金屬協會專家。

  先後參與或主持了中法合作項目、德國國家自然基金項目、英國國家自然基金重點項目、中英國際合作項目以及康明斯全球渦輪增壓器關鍵部件壓葉輪和渦輪的製備新工藝和壽命改進項目。發表論文70餘篇,出版學術專著1本,國際發明專利3項及中國發明專利1項。先後獲康明斯Steve Pawell科技創新進步獎2次和北美國際模具鑄造/半固態加工2009優勝獎1次,中國金屬學會優秀論文獎1次。


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