汽车制造工艺铸铁

回首过去，从19世纪90年代的手工生产，到20世纪初的大规模生产，再到20世纪70年代的高效精益生产，汽车行业随着时代的变迁在不断进化着。而90年代以来，美国在汽车制造所扮演的重要角色逐渐地被日本汽车机器人所取代。随着全世界对机动车的需求的膨胀，以及各汽车厂商对汽车工艺技术的完善与精益求精的不懈追求，汽车工业在世界制造行业中依然保持着领导地位，据统计每七个从事制造行业的工人中就有一个是汽车制造行业的雇员。另一方面汽车生产供应迎合了家用需求，这使得汽车成为仅次于房产的第二大家庭开支的项目。因此在欧洲、美国、日本以及新兴的中国和印度的主导下，汽车工业将继续影响着经济发展、世界贸易、跨国投资甚至环境友好等合作。说到汽车工业，就不得不提到铸造与锻造技术。采用铸造技术可以制成汽车上任何形状和尺寸的零部件，有些是其他加工方法无法做到的。汽车用铸件的主要特点是形状复杂、壁厚较薄、尺寸精度高、生产批量大、要求可靠性非常高等。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。锻造是机械制造中常用的成形方法。通过锻造能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。锻造按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。冷锻一般是在室温下加工，热锻是在高于坯料金属的再结晶温度上加工。有时还将处于加热状态，但温度不超过再结晶温度时进行的锻造称为温锻。不过这种划分在生产中并不完全统一。钢的再结晶温度约为460℃，但普遍采用800℃作为划分线，高于800℃的是热锻；在300到800℃之间称为温锻或半热锻。锻造按成形方法则可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成形轧制、辊锻、辗扩等。坯料在压力下产生的变形基本不受外部限制的称自由锻，也称开式锻造；其他锻造方法的坯料变形都受到模具的限制，称为闭模式锻造。成形轧制、辊锻、辗扩等的成形工具与坯料之间有相对的旋转运动，对坯料进行逐点、渐近的加压和成形，故又称为旋转锻造。汽车要尽可能地减轻自身重量，就要求铸件既要轻，还要有很高的强度。过去很多零件用的材质是灰铸铁，如今大都改为球墨铸件。汽车用球墨铸件多用于有承载的重要部位，因此无论是外观质量还是内在质量都要严格控制，确保生产的铸件符合图样及相关技术的要求。所以，铸造汽车上的零部件，无论是铸件材料还是铸造工艺，都面临着新的挑战。现代工艺发现，当球墨铸铁经受等温淬火过程时，材料经历一个显著的对汽车系统极为理想的转变，我们把这种工艺产物称为奥氏体贝氏体球铁（AustemperedDuctileIron），简称奥贝球铁（ADI）。每单位重量的奥贝球铁比铝拥有更强的硬度，更高的耐磨度，并且比高速切削钢更容易加工。更重要的是，它拥有潜在的可节约高达50%成本的空间。奥氏工艺是一种可用于优化亚铁材料以使其增加强度和韧性的工艺。恒温淬火包括奥氏体化，接着迅速骤冷至260到385摄氏度的温度范围，这时材料恒温地转化为奥氏（Ausferrite）铸铁或贝氏体（Bainite）钢。淬火和回火过程包括奥氏体化，然后迅速淬火，此后到达马氏体化的起始线。马氏体化是将材料转为非常坚硬、质脆的一个阶段，并且需要一个或多个回火过程来获得强度和韧度的特性。作为一个等温过程，等温淬火提供理想的淬火与回火条件。奥氏体和贝氏体的形成在几分钟或几小时内在一个单一温度下发生。相比之下马氏体的形成是当温度到达马氏体化的起始线时立即将材料分割。因为根据不同部位的冷却速率不同，材料的转化进程是不均匀的，如果不迅速分离将显著增加材料变形和开裂的风险。等温淬火工艺现在已经被运于各种ADI解决办法的公司与承包商。这些公司与承包商与欧洲铸造业以及客户通力合作，制造了大规模、专业的环境，协助开发和设计ADI配件。设计人员可以选择铸造配件进行热处理，从而提供公司和客户所需的特定性能的组件用于汽车各个系统。例如运用针状铁素体和含碳介稳奥氏体的混合使ADI配件拥有独特的性能，达到对奥氏体微观结构的控制。性能方面，由于卓越的性能ADI铸件迅速取代钢锻件、碳化钢和铝。它的强度与钢等同，因此80%的钢材料都可以用不同等级的球墨铸铁和ADI代替；它的密度低于钢，因此ADI的强度质量比使其可以投入到更加经济的设计而不影响其表现——对于给定的形状，ADI组件将比对应的钢材组件轻10%；和铝相比，ADI组件在强度上是最优质的锻造铝件的三倍，同时重量却只有铝件的2.5倍；卓越的抗疲劳强度，ADI的动态性能胜过那些浇铸、锻造以及微合金钢材，包括铝在内，ADI的疲劳限度在数千万个运动周期后依然保持相同水平；改进减震降噪，石墨在ADI基体内的存在改进了噪声阻尼，使组件更加安静、流畅地运行；卓越的耐磨性，ADI的耐磨性超过了在常规加工钢和铁较低的“批量”的硬度水平，它不像碳化钢一样因为去掉碳化曾而失去耐磨性，ADI得到了改善，在任何给定的硬度级别，ADI的耐磨性都优于钢，使其成为汽车运转配件和其他高耐磨配件的理想选择。价格方面，ADI材料的价格每公斤比钢和铝都低，但是这只占ADI潜在的成本节约空间中的一小部分，设计的配件可以在生产过程的各个阶段节省成本。因此ADI可以作为钢与铝的替代品同时只需要不到钢锻件或铝部件一半的成本。总结起来ADI的价值有如下几点：优异的可塑性。易于铸造成各种复杂的形状，球墨铸铁具有非常高的产率，即金属最终的含量与浇铸时用的金属量比值；较低的加工费用。非常适合近终型浇铸，ADI需要较少的初始材料和金属去除，等温淬火的球墨铸铁比高速切削钢具有更好的切削加工性；热处理上的节约。一般等温淬火成本低于渗碳或感应淬火，并能产生更高的一致性和可预测的尺寸变化；低能量消耗。生产一个典型ADI铸件的能量消耗比铸钢件少50%，比钢锻件少80%。在交通案例的研究：1）TVR曲轴装有TVR曲轴的六速托斯卡纳作为一款面向英国和日本市场的单手驾驶车辆首次亮相于1999年，以其华丽的外表和惊人的动力公之于众。托斯卡纳百公里加速为4.2秒，最高时速可达289.6公里每小时。为了实现这种性能，设计师结合空气动力学，采用复合材料，TVR作为弯曲部件在车体中扮演了普通钢冲压件不能完成的角色。虽然不引人注目，但是ADI曲轴已成为另一项划时代的创新。最初锻造钢是作为曲轴材料被直列六缸引擎所使用，由于制造成本高，锻造钢被舍弃而TVR成为球墨铸铁的设计原型。然而在实验台和汽车上的一些实验结果表明，在某些情况下会因疲劳而导致在飞轮末端圆角产生断裂。因此ADI成为下一个选择。TVR此前已经作为材料用于V8引擎上，但是在新曲柄的制造上做出了失真的初始预留，为了在设计阶段补偿这些失真，曲轴是选择粗加工和热处理，然后完成装配的。这样做显著降低了担忧，同时最终的装配确实给各组件带来强度的提升。2）Duralite卡车轮毂WaltherEMC开发了一种ADI卡车轮毂，它比相应的铝制材料轻2%但是节省超过30%的成本，因为ADI得卓越强度重量比使得ADI卡车轮毂成为一个著名的ADI使用案例。3）福特野马控制臂从1995年通用汽车在凯迪拉克豪华车型上采用ADI悬架控制臂，从而展示了ADI的可用性。更近几年Bentler公司与福特合作研发一种轻质的、成本高效的、独立的悬挂系统，用于福特公司性能卓越的野马眼镜蛇跑车。ADI以其低重量的组合、减震降噪效果和低制造成本被选定为上部控制臂的最佳材料。各组件依靠FEA建模从而达到充分利用其强度和刚度的效果。铝业曾在设计中被考虑过但是它不能在给定的空间里适应更大和更厚的组件，ADI却可以满足它们对空间、重量、安全和成本的目标。这项成功使其在2003年AFS会议上得到认可，在其年度铸造评选中，五个最高奖项都给了ADI方面的成果，包括一个同类最高奖授予了新研制的野马悬挂臂，另一个同类最佳奖授予建筑和景观行业装载机用驱动轮的项目。展望未来，ADI正在被越来越广泛地应用于汽车行业，因为它带来的低成本、卓越性能的效益有目共睹，并引起了全世界的兴趣。想ADI办法解决公司这样的企业正积极地投入到与代工厂和他们的客户合作，进行市场开发和技术研发的行动当中。上面展示的这些研究案例就是这些公司通力合作，在客户网站上频繁地开展研讨活动得到的理想成果。很多欧洲制造商，在受到美国方面经常地刺激下，目前也在推动他们自己的大批量生产线，等温淬火技术服务的合同正在扩展以满足他们的需求。在将来的日子里，人们开发ADI这种奇特材料的能力将成为ADI发展未来的决定性因素。参考文献：《ADIsolutionsaidvehicledesign》——ADITreatmentsLtd.Allrightsreserved