作為砂獅三合一熱處理技術(shù)的發(fā)明者,美國CEC公司一直走在鑄造技術(shù)的最前沿。砂獅三合一熱處理工藝結(jié)合熱除模、除芯、熱處理和砂回收工序于一體,該工藝節(jié)省勞力、能源和環(huán)保費(fèi)用,目前已成為世界鑄件處理的標(biāo)準(zhǔn)。
鋁鑄件生產(chǎn)的現(xiàn)在和將來
眾所周知,降低汽車的總重量能減少燃料的消耗、降低CO2的排放量,同時能提高燃油的 經(jīng)濟(jì)效益。因此,汽車制造業(yè)需要使用更多的輕金屬材料來減少燃油消耗和廢氣排放,很多鐵鑄件包括缸體、缸蓋、制動器、制動盤和懸架系統(tǒng)等都將被鋁鑄件所替代。
據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),在2001年生產(chǎn)的新車型中,鋁鑄件平均占汽車所有鋁部件總重量的80%,平均約為118kg。其后幾年,這一數(shù)字在迅速提升,預(yù)計(jì)在將來8~10年內(nèi)將提升更快,同時使用鋁制發(fā)動機(jī)和鋁制缸蓋的小型汽車的比例將很快達(dá)到95%。
傳統(tǒng)鋁鑄件的生產(chǎn)方法不僅成本昂貴,而且消耗能源巨大。這些鑄件的工藝流程由幾個獨(dú)立的步驟組成,每一步都與前面的步驟無關(guān)。美國能源部和美國材料協(xié)會在一次工業(yè)前瞻會議上宣稱:“生產(chǎn)操作中熱處理工藝步驟的結(jié)合能達(dá)到節(jié)省能源的效果”。
鑄件后續(xù)生產(chǎn)熱處理工藝的結(jié)合
傳統(tǒng)的鑄造工藝包括消失模、永久模或精密砂模-組合砂型。傳統(tǒng)的鑄件后處理工序主要包括快速冷卻、去冒口、機(jī)械去砂模/砂芯和人工清潔,緊接著加熱鑄件,再然后進(jìn)行熱處理。
而這些獨(dú)立的設(shè)備需要更多管理操作,其中運(yùn)輸會對鑄件造成損害,額外的設(shè)備和操作需要額外的人力、生產(chǎn)空間和能源。
現(xiàn)在有一種新專利技術(shù),它適用于使用有機(jī)粘結(jié)劑的半永久模和精密砂模鑄造。當(dāng)鑄件凝固后立刻進(jìn)入熱處理爐,不需要上面提到的分步操作。這個技術(shù)叫做砂獅三合一熱處理工藝,見圖2。它將鑄造的去芯和去砂、熱砂回收、鑄件熱處理這三步工藝在一個自動化的爐子里同時進(jìn)行。
當(dāng)芯砂和型砂處于高溫富氧的爐內(nèi)環(huán)境時,砂中粘結(jié)劑的巨大能量就能釋放出來。當(dāng)粘結(jié)劑燃燒掉后,芯砂和型砂就變得松散,此時安裝于頂部的高速風(fēng)扇吹過鑄件,將砂粒吹至爐底。高速風(fēng)扇產(chǎn)生的快速氣流吹過不規(guī)則形狀的鑄件時會產(chǎn)生壓力差。這個壓力差在鑄件的里外形成湍流,從而帶走松動的砂子。
高速風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流使?fàn)t內(nèi)空氣分布均勻,而且使溫度的控制非常平穩(wěn)。鑄件在熱處理結(jié)束后就完全沒有砂子。這些干凈的、完全回收的砂子可以自動排出,再次成為模子與型芯的材料,而不需要額外處理。
在傳統(tǒng)的熱處理工藝中,鑄件凝固冷卻后還需要再加熱到熱處理溫度;而在砂獅技術(shù)中,則是鑄件直接進(jìn)入熱處理爐,保留了澆注結(jié)束后的余熱,并將這些余熱用于熱處理爐內(nèi)的三步工藝。圖3所示為用于汽車鑄件的砂獅系統(tǒng),圖4為砂獅三合一熱處理的前后工藝。
在結(jié)束T4或T6的整個熱處理過程后,鑄件冷卻到環(huán)境溫度,直接被運(yùn)輸?shù)较乱粋€工序,如去澆道、冒口、機(jī)加工。將鑄造工藝和這種熱處理工藝相結(jié)合,就意味著這個爐子能用來回收砂子(經(jīng)過處理的砂子)和回收不合格的芯型。從澆注、凝固和芯型車間收集的氣體可用作爐內(nèi)燃?xì)猓谶@里,有害的氣體可以燃燒干凈。
綜上所述,幾個主要鋁鑄件工藝的結(jié)合可以大大降低生產(chǎn)成本。上述工藝是無污染、有效的鑄件生產(chǎn)工藝。對使用砂獅三合一熱處理工藝的鑄造企業(yè)的調(diào)查結(jié)果表明:這個工藝可平均降低30%以上的生產(chǎn)成本。
新興流化床工藝
CEC公司的一個類似新興流化床技術(shù),它可同時實(shí)現(xiàn)熱處理、去熱模以及芯砂、熱砂的回收利用,適用于半永久?;蚓苌澳?。工作時,鑄件浸入到有流動熱砂的流化床中。與前面討論的工藝一樣,鑄件也是在富氧的高溫環(huán)境下處理的。當(dāng)鑄件剛剛凝固時,立刻進(jìn)行這個工藝流程,這樣就節(jié)省了能源和時間。
這項(xiàng)技術(shù)有前面描述的砂獅三合一技術(shù)所有能源和環(huán)保方面的優(yōu)點(diǎn),它為某些鑄件提供了包括熱處理在內(nèi)的非常有效的后處理操作。
新的淬火技術(shù)
淬火處理和時效處理利用傳統(tǒng)的技術(shù),空氣淬冷作為三合一熱處理技術(shù)的補(bǔ)充。CEC公司有很多處理汽車鑄件的設(shè)備都利用空氣淬冷,尤其是對于缸體和缸蓋。鋁制缸體常常使用鑄鐵缸蓋,因此為了適應(yīng)鑄鐵和鋁不同的冷卻特性,緩慢的空氣淬冷是首選工藝。鑄件周圍空氣流動的均勻性很重要,因?yàn)樽兓臒醾鬟f速率會形成相應(yīng)的溫度梯度,從而形成應(yīng)力和變形。
與水冷相比較,空冷有很多好處。傳統(tǒng)水冷會產(chǎn)生應(yīng)力,而如果應(yīng)力足夠高,鑄件會產(chǎn)生變形。在淬火工業(yè)中,鑄件表面易形成壓應(yīng)力,而鑄件內(nèi)部由于較慢的冷卻速度易形成拉應(yīng)力。對于大型的鑄件,如鋁制缸體,常常會由于明顯的溫度不均勻而導(dǎo)致更高的淬火應(yīng)力。通過緩慢的冷卻鑄件,溫度在整個鑄件的分布將比較均勻。
空氣淬冷的效果取決于淬火氣流、淬火氣流溫度、鑄件構(gòu)造和鑄件的排列。鑄件的布氏硬度在HB 95~105或更高。典型的淬火速率為32.22℃/min,目標(biāo)溫度為240.56℃。為了達(dá)到必要的氣流分布,淬火爐膛都經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)來達(dá)到高速氣體流動時的均勻性。
CEC公司同時發(fā)展了另一種可行的鋁鑄件處理工藝——?dú)忪F淬火。綜合我們所知的各種空氣淬冷,將水與空氣結(jié)合成霧狀的方式已經(jīng)在應(yīng)用。這個工藝不僅比空冷速度快,而且減少了對空氣處理設(shè)備的要求。