对铸造技术的学术研究正在帮助OEM制造商和供应商获得相关知识

AMCC kit

在过去,几乎汽车制造中使用的每一片金属都要经过铸造加工过程 — 不管是塑型称砂模铸造还是简单的气缸体,都要经过挤压这样的工序。所有的金属都要这样,比如所有的钢铁、铝合金、铜和镁。此外,所有的金属的下游性能条件都要由铸造工序决定,比如强度、表面质量。在任何制造类型中唯一例外的可能就是使用特殊材料,比如通过粉末冶金形式加工的钨。

伦敦布鲁内尔大学先进凝固技术布鲁内尔中心(BCAST)副主任Dr Ian Stone简单总结了主要技术在金属制造工序的重要性。BCAST在金属加工技术方面已经有15年的历史的,该中心刚刚宣布了毅力写新规划,主要是为了推动铸造技术的发展,适应21世纪制造业的需求,尤其是汽车业。其中最为突出的就是先进金属铸造中心(AMCC),企业市值达1,700万英镑(约合2,500万美元),得到很多汽车制造商的支持,比如JLR公司,以及铝供应商Consetellium公司的还吃。

Dr Stone解释说,尽管铸造技术对汽车业的发展避无可避,但是在很多方面都不利于汽车制造商和材料供应商的研究活动。汽车制造商通常“不具有”铸造厂。与此同时,拥有技术的材料供应商通常不愿意破坏日复一日的大规模制造工艺,而去生产相对数量较少的试验材料。

填补空白相反,学术研究机构能够有效填补技术空白。Dr Stone称,机构能够生产适当批量的材料,用于研究,模拟行业条件下的真实使用过程。他说,“我们能铸造200公斤的材料,但不是行业价格”。她继续说,因此AMCC的经营模式非常特别。他说,“我们不能说这是全球唯一,但是这确实在欧洲与众不同。”

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Aluminium supplier Constellium is partnering JLR and Brunel University to form the Advanced Metal Casting Centre venture

AMCC的工作重点是铝和镁。这里的许多设备都是为了在真是工业环境下进行复制用的。其中包括:

  • 一个1,600吨闭合压力的铸模盒,用于铝镁合金铸造
  • 一个240公吨闭合力的低压铸模盒
  • 一个1,600万吨的顺挤压力,带有锥形二次加热
  • 一个试点规模热顶直接冷却铸工,适用于2米长的钢坯和204厘米直径的钢坯
  • 一个双滚筒铸件,融合了布鲁奈尔自己的熔接条件技术
  • 高分辨率实时X光检测技术
重要的是,前三个被称为具有“商业”规模。尽管如此,Dr Stone称,有些设备经过改造具备了很高的灵活度,满足研究相关的要求。高压铸模盒能够在工作中与铝镁合金迅速换换 — 这在专门长期生产环境中并不要求如此。

开发潜力或许与传统生产技术最大的不同就是AMCC的双滚筒熔接条件铸件。正如Dr Stone所说,这个技术在行业中使用,但只是用于“有限的低强度合金”。相反,布鲁内尔正在开发其潜力,想要用于制造薄的镁合金产品。他认为,这个材料很难滚动。

布鲁内尔开发的另一个技术是Castparicular,这是铝材料“高剪切融化调节技术”。Dr Stone称,这来源于对大多数护腰零部件的铸造工艺处于“颗粒成核形成早期”的认识。他解释说,通过控制成核技术,就能控制“凝固期间的颗粒大小”以及“合金元素的散步”。重要的是,它能够生产薄壁铸件,并且极大降低了瑕疵比率。

Dr Stone称,尽管行业已经试验了这种技术,但是在实际生产中并没有采用。但是,这个技术,正如Dr Stone所解释的那样,潜力远超出目前还非常超群的工艺。比如能够将铝合金碎片用于制造零部件的初期材料,满足汽车业的标准。就目前而言,“这还不可能”。

这样的碎片的使用目前还是“不受青睐”,也就是说,循环使用的呼声并不高。但这很可能成为低生产使用材料 — 比如在钢铁制造业中的脱氧剂,以低廉的价格出口到不发达的经济体中,甚至直接送到垃圾场。不管是什么情况,最终的结果就是有可能失去利用这些金属进行再利用,创造高价值制造材料的机会。正如Dr Stone所说的:“如果我们能够合理再利用,这能成为价值来源。”

Constellium 11 The Constellium University Technology Centre supports the work of engineers, researchers and technicians

要解决的重要问题就是杂质问题,这些材料可以在生命周期或使用流程结束之后被挑出来。Dr Stone说,最常见的杂质有氧化物颗粒和铁,Brunel的工作就是解决这两种情况 — 要么“忍受”,要么“清除”。他说,相关的高剪切技术能够“分散在液态铝形成次微米颗粒时出现的氧化膜”。这对发展具有负面影响,出现裂缝。

实验水平Dr Stone可定的说,该技术能够在“实验水平”高效解决铝镁氧化膜材料问题。此外,它还具有与缓解铁渣的有害效应的能力。他说,还有更多实验正在进行当中。虽然Dr Stone说,“只需10年时间”,但是这个技术什么时候能够成为实用的行业水平的工艺还不清楚。

但是,AMCC还有其他工作重点解决“合金开发”,有一只特殊的生产线重点研究“塑性增加”。Dr Stone解释说,这是JLR首要工作重点。JLR是AMCC中的活跃分子,因为AMCC能够巩固JLR自冲铆接在接合技术中的应用。据Dr Stone透露,他们正在与另一个OEM制造商协商,介入到AMCC的工作中,结果可能会在今年夏季时公布。他很乐观,认为OEM制造商能够在多边基础上与AMCC合作,也可以有其他竞争方介入进来。

还可能有材料供应商参加进来,虽然Dr Stone认为公司与学术研究员互动的方式可能与汽车OEM制造商有所不同。他解释说,虽然三方项目涉及到OEM制造商、材料供应商和铸造厂,但是这在材料供应市场中会形成很高的竞争力,不太可能有更多的公司加入进来。

因此,供应商的加入很可能以贷款的方式,其实这就是AMCC公布的一个项目规划。Constellium University Technology Centre(UTC)除了在AMCC中作为铝供应商的职责之外,还支持15位工程师、研究人员和技术人员组成一个员工和布鲁奈尔人才(6名博士)的团队。

Constellium 3 The alloys UTC aims to develop will help lower the weight of components by 15-30% compared to current solutions

据Constellium公司负责汽车结构与行业部门的总裁Paul Warton透露,该计划的重点就是利用AMCC的设备开发新的高强度铝合金,然后在布鲁奈尔的先进金属加工中心(AMPC)里制造原型汽车结构组件上,这定于明年进行。他肯定地说,尽管公司与大约50所大学和研究机构有合作项目,但是UTC会组建一个“特别组织”,用于未来的工作上。他解释说:“布鲁奈尔提供学术和行业生产力,从基础科学的发展到新奇液体金属处理技术实际应用,用以支持Constellium的可持续性战略。”

最后Warton说,铝合金Constellium的目标就是在UTC开发,降低汽车组件的重量,至少降低15%,甚至达到30%。他还说,UTC将提供更快的原型塑造能力,能够降低至少50%的开发时间,所开发的现金铝合金能够满足轻质汽车结构组件的要求。因此,根据汽车项目开发情况,UTC开发的铝合金应用于汽车上,大概还需要两三年。