在日本國內(nèi)，利用高真空壓鑄技術(shù)批量生產(chǎn)高品質(zhì)壓鑄件的歷史已超過15年，不過，自2007年該技術(shù)被應(yīng)用于車體鑄件之后，至今其應(yīng)用范圍還沒有明顯的擴(kuò)展，工藝本身也未能獲得新的進(jìn)步。在歐洲，從1994年Ａｕｄｉ?。粒皋I車的全鋁合金立體構(gòu)架開始，高真空壓鑄技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了切實(shí)的擴(kuò)展，技術(shù)本身也獲得持續(xù)發(fā)展，對汽車輕量化及改善燃油經(jīng)濟(jì)性作出了積極的貢獻(xiàn)。而且，近年來，北美地區(qū)也在車體鑄件上應(yīng)用該技術(shù)，可以認(rèn)為，在全球范圍內(nèi)，已展開了利用高真空壓鑄技術(shù)生產(chǎn)車體鑄件的競爭。
此外，作為汽車壓鑄零部件中的主要結(jié)構(gòu)件，各種機(jī)體鑄造技術(shù)也得到不斷的進(jìn)步和發(fā)展。本文介紹高真空壓鑄技術(shù)的開發(fā)過程，以及其在機(jī)體鑄造中的應(yīng)用實(shí)例。

１、高真空壓鑄件的應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)過程
圖１示出了日產(chǎn)汽車公司開發(fā)高真空壓鑄技術(shù)的大致過程。日產(chǎn)汽車公司自20世紀(jì)90年代后半期開始實(shí)施高真空壓鑄技術(shù)的開發(fā)工作。2001年，高真空壓鑄技術(shù)在懸架零件下連桿首次實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，該產(chǎn)品具有高強(qiáng)度和高延展性的特點(diǎn)（圖2、圖3）


2006年，通過對擴(kuò)大鑄件尺寸的鑄造技術(shù)開發(fā)，大型前懸架構(gòu)件開始進(jìn)入量產(chǎn)階段（圖4、圖5），這是對以往的19種零件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)后的結(jié)果，最終提高了精度和剛性，并實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。


2007年，在日產(chǎn)ＧＴ－Ｒ車上首次采用大型薄壁車體零件（支撐蓋）（圖６、圖７），由此，高真空壓鑄技術(shù)的一系列技術(shù)開發(fā)順利告一段落。

從基礎(chǔ)的合金開發(fā)、設(shè)備技術(shù)，以及確保鑄件品質(zhì)的金屬模具技術(shù)開始，高真空壓鑄技術(shù)的開發(fā)還包括與懸掛構(gòu)件等大型零部件相關(guān)的鑄造仿真技術(shù)運(yùn)用，用于確保鑄件的品質(zhì)穩(wěn)定性，以及為防止大型薄壁鑄件產(chǎn)品變形的后續(xù)工序及變形抑制技術(shù)和熱處理技術(shù)等，目前已發(fā)展至能體現(xiàn)車體零件特征的大型薄壁鑄件的生產(chǎn)。應(yīng)用高真空壓鑄技術(shù)的零部件共同特點(diǎn)是追求零件的一體化與輕量化，以及有助于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、提高其附加價(jià)值等。
２、高真空壓鑄技術(shù)與普通真空壓鑄技術(shù)的比較

圖８示出了日產(chǎn)汽車公司開發(fā)的高真空壓鑄技術(shù)（工藝名稱“ＮＩＣＳ”）與普通真空壓鑄技術(shù)的比較。ＮＩＣＳ是以日產(chǎn)汽車公司自主開發(fā)的高強(qiáng)度、高延展性鋁合金，以及Ｆｒｅｃｈ公司的Ｖａｃｕｒａｌ壓鑄機(jī)為系統(tǒng)核心構(gòu)成的技術(shù)，其特征是可以制造出能實(shí)施固熔熱處理與焊接工藝的高強(qiáng)度、高延展性薄壁壓鑄件。
與普通真空壓鑄技術(shù)相比，ＮＩＣＳ的最大差異在于金屬熔液的供給方式。普通的壓鑄技術(shù)是利用鑄勺等從壓鑄套筒上方的開口供給金屬熔液，金屬熔液會與空氣發(fā)生接觸，并且為壓鑄套筒供給金屬熔液及壓射時(shí)，壓鑄套筒內(nèi)會卷入空氣，由此造成金屬熔液溫度降低等問題。
日產(chǎn)汽車公司的ＮＩＣＳ是在關(guān)閉金屬模具的狀態(tài)下，由設(shè)置在金屬模具內(nèi)部的真空閥進(jìn)行減壓，從金屬模具內(nèi)部到壓鑄套筒內(nèi)部均實(shí)施減壓，并利用產(chǎn)生的壓差，經(jīng)由供給金屬熔液的管道和壓鑄套筒下部的孔，向壓鑄套筒內(nèi)吸引金屬熔液。因此，金屬熔液與空氣的接觸較少，同時(shí)，供給金屬熔液及射出充填時(shí)的卷入空氣也較少。
由于最大限度地利用了上述優(yōu)點(diǎn)，因此可以采用ＮＩＣＳ工藝，制造出品質(zhì)波動極少的 大型薄壁壓鑄件。
３、高真空壓鑄技術(shù)的主要基礎(chǔ)技術(shù)
３．１真空密封技術(shù)
普通壓鑄是在金屬模具合模結(jié)束之后，向壓鑄套筒開口供給金屬熔液，此時(shí)，壓鑄套筒上部是開放式的，所以，金屬熔液的供給量依賴于型腔內(nèi)的真空度，只要真空度不改變，就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量的鋁合金熔液供給。但是，ＮＩＣＳ技術(shù)是在金屬模具合模操作完成后，從真空閥排氣，使金屬模具內(nèi)部與壓鑄套筒內(nèi)部均處于高真空狀態(tài)下，并通過產(chǎn)生的負(fù)壓，經(jīng)由設(shè)置在壓鑄套筒下方的金屬熔液供給管道，吸引保溫爐內(nèi)的金屬熔液進(jìn)入壓鑄模。因此，即使是同樣的金屬熔液供給時(shí)間，金屬熔液的供給量也會因受到型腔及壓鑄套筒內(nèi)真空度的影響而發(fā)生變化。維持穩(wěn)定的真空度是實(shí)現(xiàn)高真空壓鑄的必要條件，在滿足這一嚴(yán)格條件的前提下進(jìn)行鑄造加工是直接關(guān)系到鑄件品質(zhì)穩(wěn)定的重要因素。
維持穩(wěn)定的真空度所不可缺少的技術(shù)是真空密封技術(shù)。密封部位不僅包括金屬模具的接合面，還有壓鑄套筒與金屬熔液供給管道之間、壓鑄套筒與壓鑄活塞之間等空氣有可能侵入型腔的所有空隙部位，對此必須采取相應(yīng)的密封處理措施。尤其是壓鑄套筒與壓鑄活塞之間的間隙與射出阻力有密切的關(guān)系，一般情況下，必須在設(shè)定一定間隙的條件下進(jìn)行操作，而隨著作業(yè)時(shí)間的增加，壓鑄活塞的磨損會導(dǎo)致間隙擴(kuò)大，引起型腔內(nèi)真空度的惡化，這就有可能造成金屬熔液供給量出現(xiàn)波動。為將這一影響抑制在最低限度，必須密封壓鑄活塞背面及壓鑄套筒的末端，而且應(yīng)采用能穩(wěn)定供給金屬熔液時(shí)真空度的金屬密封結(jié)構(gòu)（圖９）。

３．２壓鑄套筒的潤滑
在大型零部件上應(yīng)用高真空壓鑄技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鑄件時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)的氣體缺陷將成為零部件機(jī)械特性產(chǎn)生波動及延展性降低的原因。要生產(chǎn)出具有穩(wěn)定品質(zhì)的鑄件，除利用真空密封技術(shù)維持高真空度外，還必須在充填金屬熔液時(shí)盡可能抑制型腔內(nèi)產(chǎn)生的氣體。充填金屬熔液時(shí)產(chǎn)生氣體的主要原因是脫模劑中含有的有機(jī)物和水分，以及壓鑄套筒潤滑劑中含有的油分發(fā)生汽化的緣故。

圖10套筒潤滑劑種類與產(chǎn)品氣體含量的關(guān)系鑄件產(chǎn)品內(nèi)的氣體含量隨套筒潤滑劑種類的不同而各有差異，尤其是在作為非澆口一側(cè)的溢流道附近，其差異更為顯著。基于涂敷比及附著性方面的考慮，通常的套筒潤滑劑是使用油性石墨潤滑劑或礦物油系的潤滑劑，但在高真空壓鑄工藝中，為抑制氣體的產(chǎn)生，一般會使用固態(tài)蠟或粉末作為潤滑劑。尤其是在鑄造大型鑄件的情況下，鋁合金的流動長度加大，必須采用更易受影響且更少氣體產(chǎn)生的套筒潤滑劑。除上述技術(shù)外，高真空壓鑄技術(shù)還應(yīng)用了其他多項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了鑄件的高品質(zhì)。
４、高真空壓鑄技術(shù)的課題
以往曾多次報(bào)道過在汽車結(jié)構(gòu)零件上應(yīng)用高真空壓鑄技術(shù)，對車體輕量化及提高車輛運(yùn)動性能作出貢獻(xiàn)的實(shí)例，但多數(shù)情況下，高真空壓鑄技術(shù)的應(yīng)用對象是高級乘用車或賽車等具備成本提升空間的車型。在日本國內(nèi)，尚未出現(xiàn)將該技術(shù)應(yīng)用于小型車或低價(jià)車的實(shí)例，從這方面來看，降低成本是擴(kuò)大高真空壓鑄技術(shù)應(yīng)用范圍的最大課題。與普通壓鑄工藝相比，高真空壓鑄技術(shù)成本增加的原因涉及材料、設(shè)備、金屬模具、輔助材料等多方面。另外，在鑄造之后的工序中，還必須考慮到鑄件與其他汽車零件的接合問題，尤其是在異種材料間接合的情況下，必須防止可能會出現(xiàn)的電蝕現(xiàn)象，而解決問題的對策都會導(dǎo)致相應(yīng)的成本增加。為解決上述課題，下文介紹近年來歐洲的制造商所采取的一些技術(shù)對策，也希望這類技術(shù)能在日本國內(nèi)得到推廣和普及。
４．１材料費(fèi)用
為獲得具有更高強(qiáng)度、更高屈服強(qiáng)度，以及更高延展性的鑄件，目前最為廣泛采用的材料是被稱為“Ｓｉｌａｆｏｎｔ－３６”的合金材料。為確保高延展性，要求盡可能減少材料組分中的Ｆｅ元素，這是為了避免鐵系結(jié)晶物降低材料的延展性。材料中Ｆｅ元素的容許含量為０．１５％以下，為了滿足這一低含鐵量的要求，很難采用二次合金，因此直接導(dǎo)致了鋁合金價(jià)格的上升。最近，有報(bào)道提出歐洲汽車制造商放寬材料中Ｆｅ元素含量的實(shí)例，今后應(yīng)繼續(xù)關(guān)注這方面的發(fā)展動向。
４．２設(shè)備費(fèi)用
與普通的壓鑄機(jī)相比，高真空壓鑄機(jī)由于其附加功能而導(dǎo)致價(jià)格偏高。另外，由于壓鑄零部件的尺寸都較大，所以，壓鑄機(jī)本身的尺寸也大，這進(jìn)一步導(dǎo)致了設(shè)備費(fèi)用的增加，隨著可應(yīng)用零部件范圍的擴(kuò)大，又必須引進(jìn)新設(shè)備，而高成本設(shè)備的引進(jìn)又使固定資產(chǎn)投資大幅上升，其影響直接反映到鑄件生產(chǎn)成本上，也導(dǎo)致鑄件的成本上升。為解決這一問題，如果能將提高真空度的追加設(shè)備附加在普通的真空壓鑄機(jī)上，通過提高原有設(shè)備的功能來抑制新的投資，就有可能生產(chǎn)出高品質(zhì)的鑄件。在考慮模腔內(nèi)真空度及剩余空氣量時(shí)，假設(shè)壓鑄套筒的充填率為50％，供給金屬熔液后模腔及套筒內(nèi)金屬熔液與空氣的比例為1∶2左右，這樣在套筒上半部分就會形成剩余大量空氣的狀態(tài)。如果壓鑄套筒的充填率更低，大量空氣卷入鋁合金熔液中的可能性就越大。為此，也有報(bào)道介紹過從套筒上部排出大量空氣的方法。像這樣采用在普通壓鑄機(jī)上追加設(shè)備的方法，可以確保鑄件品質(zhì)與高真空壓鑄產(chǎn)品的品質(zhì)相當(dāng)。
５、高真空壓鑄基礎(chǔ)技術(shù)在機(jī)體鑄造中的應(yīng)用
日產(chǎn)汽車公司陸續(xù)推出了量產(chǎn)型電動車Ｌｅａｆ、混合動力車、清潔型柴油機(jī)及小型增壓發(fā)動機(jī)等各種環(huán)保新技術(shù)，為社會可持續(xù)發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。該公司的ＭＲ１６ＤＤＴ發(fā)動機(jī)的開發(fā)目標(biāo)是力求高功率、低燃油耗和輕量化，該發(fā)動機(jī)采用新開發(fā)的鏡面缸孔涂覆工藝機(jī)體（圖11），這是在配裝于高性能ＧＴ－Ｒ賽車的ＶＲ３８ＤＤＴ發(fā)動機(jī)所采用的等離子噴鍍涂覆缸孔技術(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)進(jìn)一步改良而成的。這種鏡面缸孔涂覆工藝機(jī)體所采用的多項(xiàng)鑄造技術(shù)都是以高真空壓鑄技術(shù)為基礎(chǔ)的。

圖12為氣缸缸孔內(nèi)表面的照片。在上文所述日產(chǎn)汽車公司的等離子噴鍍涂覆技術(shù)中，為保持具有固體潤滑材料效果的ＦｅＯ及潤滑油，通過珩磨網(wǎng)槽加工，確保了氣缸缸孔內(nèi)表面的耐熱膠黏性。另一方面，鏡面缸孔涂覆工藝則是通過氣缸缸孔內(nèi)表面分散的氣孔，保持必要的潤滑油，以維持潤滑性能。但是，后者的噴鍍保護(hù)膜厚度約為200μｍ，在鑄造時(shí)如發(fā)生氣孔等，再經(jīng)珩磨加工之后就會留下如圖12所示凹坑形狀，從而加大潤滑油的消耗。為此，在鑄造時(shí)，應(yīng)具備控制氣缸缸孔表面發(fā)生氣孔的相應(yīng)技術(shù)。
作為提高鑄造品質(zhì)的技術(shù)對策，有快速充填、模腔高真空化、使用油性潤滑劑，以及控制金屬模具溫度等措施，而對于高真空壓鑄技術(shù)來說，效果較為顯著的是模腔高真空化、在金屬模具分型面增加密封（圖13），以及延長抽取真空的時(shí)間等。真空度越高，則氣缸缸孔內(nèi)表面發(fā)生氣孔缺陷的面積就越?。▓D14）。這是因?yàn)殡S著真空度的提高，向型腔內(nèi)充填金屬熔液時(shí)卷入的空氣減少了的緣故。此外，提高真空度后，在抽氣時(shí)從中心銷及襯墊分割部等處容易發(fā)生脫模劑水分滲出的現(xiàn)象。型腔內(nèi)滲入水分會導(dǎo)致充填金屬熔液與水分接觸后被汽化，從而成為發(fā)生氣孔缺陷的原因，所以必須采用油性脫模劑，并將脫模劑涂敷量最小化，以防止脫模劑中水分的滲出。

６、結(jié)語
高真空壓鑄技術(shù)并不是只能應(yīng)用于高真空壓鑄件，在多數(shù)情況下，它也能應(yīng)用于普通壓鑄工藝。今后，仍須發(fā)展這一關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)用戶需求的變化不斷推廣其應(yīng)用范圍。屆時(shí)，要特別注意的是不能原封不動地照搬現(xiàn)有的技術(shù)，而是應(yīng)該基于鑄件所要求的品質(zhì)水平，實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)。即便是本文所介紹的真空密封技術(shù)，也并不是一定要采取與高真空壓鑄技術(shù)完全相同的實(shí)施方式，而應(yīng)在必要的部位，按照實(shí)際需要采取適當(dāng)?shù)墓に?。在普通壓鑄工藝基礎(chǔ)上予以改良后所得到的技術(shù)，也能反過來對高真空壓鑄技術(shù)起到發(fā)揮促進(jìn)作用，為整個壓鑄行業(yè)的發(fā)展作出積極的貢獻(xiàn)。