汽车制造领域的趋势是从焊接多组件组合件转向复杂的结构铸件

作者：NEIL SKIDMORE，北安普顿（英格兰）

现如今，压铸工艺范围正在进一步扩大，这开辟了新的可能性。同时，铸造厂还必须确保用于发动机、传动系统和汽车上的复杂压铸件的经济可行性与可持续性。这就使无水脱模剂成为了实现这一目标的关键所在。

毫无疑问，铸造行业当下正处于发展阶段。据Mordor Intelligence称，在2020年至2025年预测期内，全球压铸市场的年复合增长率（CAGR）预计将超过6.5%。随着轻质结构趋势的进一步发展，在汽车中使用比例更高的铝制部件会成为这种需求的驱动因素之一。这意味着越来越多的结构铝铸件将得到应用，同时，拥有相同质量的中型汽车平台将在世界各地多个地方生产出来。

市场的增长不仅体现在数量上；与此同时，随着行业设定的设计目标越来越大，压铸部件也变得更加复杂。在汽车行业，动力总成、车身和底盘部件在不断发展。压铸也能够实现汽车制造商对多组件焊接组合件的使用，因为高压真空压铸能够制造出复杂的单部件结构组件（图1）。最后，由于安装的部件数量更少，因此，压铸部件的优势在于组装时间更短、成本更低，汽车的重量也会显著减轻。在实践中，使用轻质一体式结构代替传统钢制部件有助于提高效率、降低燃料消耗以及减少二氧化碳排放。

然而，这些组合件的结构如此复杂，因此使得可均匀及充分冷却铸模所有零件的冷却系统设计工作变得十分棘手。由此带来的一个不可避免的结果是，铸模表面升高，铸模上分布的温度也随之升高。过去，在喷涂之前，典型的模具表面温度在250℃到350℃之间。新型大组件的最高温度可达400℃，而铸模温度较低区域的温度则可≤220℃。

这会导致产生局部过热点，进而引发焊接问题。这会增加对用于模具表面冷却的模具用润滑剂的依赖性。然而，喷涂前较高的温度会因莱顿弗罗斯特效应而增加该过程的难度。这意味着必须喷涂大量模具用润滑剂，而这会导致循环周期时间变长，成本增加。

润滑的游戏

使用水性脱模剂（WBD）的压铸厂对莱顿弗罗斯特现象非常了解。如果将水以远高于水的沸点的温度喷洒到热表面上，则它无法与金属表面发生接触。相反，水滴似乎会悬浮在水蒸气层上方，这样，它们就不会润湿表面。因此，脱模剂的润滑活性物质就无法接触铸模表面。

为了避免莱顿弗罗斯特效应，必须喷涂大量WBD脱模剂，以便将铸模冷却至其发挥效果的理想温度（低于250℃）。即使铸型表面成功形成油膜，一些水性脱模剂仍会留在铸型空腔中。这样可能会导致产生孔隙率问题、造成铸件表面出现水斑以及使熔融金属发生爆炸等问题。铸件表面上的残留水可以通过朝模具表面方向吹的压缩空气吹干，但这会增长循环时间。此外，由于电能消耗量大，将是导致成本增加的高成本工艺。对于需在较高工艺温度条件下铸造较大部件并且同时希望确保产品质量的企业而言，提高生产效率和降低成本至关重要。

无水脱模剂

Ultraseal提供了一种无水脱模剂（WFR）Lubrolene。Lubrolene大大降低了脱模剂的用量，从而降低了后续成本，并使通过润滑剂冷却模具的过程变得多余。这种脱模剂被设计用于超过400℃的更高莱顿弗罗斯特温度下使用，并且会产生高度附着力，以实现更强、更有效的成膜。由于它能够实现熔融金属更好地流动，并减少锁住气体量，因此，可以通过较低的气孔率提高部件质量。

与传统水基润滑剂相比，Lubrolene WFR可在更高温度条件下使用，因此，相较于使用水基脱模剂的情况，铸模所承受的热负荷更低，这可以大大延长铸模的使用寿命，因而也可以显著降低成本。

复杂铸件和空腔

对于有多个空腔的复杂组件而言（图2），带静电荷的WFR-EC可确保有效且高效率地脱模剂释放。静电荷会导致产生环绕效应，同时，即使在极端温度条件下，它也能确保产生一致而又均匀的复杂铸件覆盖层。借助专门为此而开发的静电喷枪（图3），可通过喷涂Lubrolene WFR进一步减少焊接问题，并减小所需的喷涂力。

此外，通过使用带经典的脱模剂形成更加均匀的油膜，从而提高附着力。在实践中，使用传统喷嘴喷涂时仅需4%的附着效率就足够了。相比之下，专为Lubrolene而开发的喷枪改善了Lubrolene WFR- EC的喷涂效果，相较于传统水性脱模剂，其附着效率达到了80%以上。这意味着，用于覆盖铸模的额外润滑剂用量更少。相反，用户可以从降低的材料损失和更短的周期时间中获益。

节约成本

所有设计和制造过程均受益于额外的节省可能性。这对于短时重复过程尤为重要，例如，通过空气雾化喷涂压铸润滑剂的过程。

使用空气喷枪喷涂必须从不同角度进行，这样才能实现完整的模具覆盖和附着。即使在喷涂后，覆盖程度也有可能不均匀，在铸模较为复杂的情况下尤其如此。因此，必须通过手动方式或借助可编程机器人技术将喷枪引导至铸模周围。所有这些都导致工艺过程周期时间更长，所需费用更高，更不用说设备和模具成本了。

但是，静电喷枪可以通过静电吸引覆盖范围更大的区域，因此，需喷涂的位置更少。即使面对最大的组件（＞4000吨），使用Lubrolene WFR-EC进行喷涂的典型喷涂时间也只需要几秒钟，这意味着，相较于水基空气雾化润滑剂，其时间优势相当明显。

除了通过无水脱模剂的静电喷涂获得更好的附着力之外，通过精确控制Lubrolene喷涂系统还可以实现更好的控制。这样就可以实现喷射射流的精细雾化，以使即使铸模难以触及的地方也可以被覆盖住，例如，在复杂零件的加强筋中。

此外，Lubrolene铸模喷射系统具有模块化结构，也就是说，它可以轻松适应任何尺寸的压铸机。低维护结构设计还可以提高可靠性，从而缩短循环周期时间、提高产量和生产力。除了喷涂并希望WBD润滑剂可以完全覆盖铸模并附着于其上之外，用户还可以使用Lubrolene进行喷涂并达到节省目的，从某种程度上来说，最终产品需要达到所要求的质量。除了系统的可靠性、可重复性和精度之外，更轻的经典Lubrolene喷头为用于压铸机（其重量范围从4000到6000吨）中越来越大的设计零件提供了唯一的可行性解决方案。此外，还可以最大限度地降低过程停机时间。静电喷枪几乎不需要清洁，而传统微型喷头则必须经常维护，而这会导致停机时间更长。

降低孔隙率

确保压铸组件的高质量是一个重要问题，这一点是毫无疑问的，因为这些压铸组件中的许多会被用于重要应用中。在静电喷涂过程中，压铸厂可以确保他们在铸造过程结束后获得高质量组件。通过将Lubrolene WFR-EC与传统喷涂工艺进行对比可知，无论是视觉质量、表面张力、起泡，还是X射线方面，Lubrolene WFR-EC在每个方面的表现都更好。借助静电WFR制造出来的组件在胶合、阴极涂层和焊接等进一步加工过程中表现更出色。此外，组件的孔隙率更低，而这最终会提高机械值。

减少模具龟裂

铸模的最佳覆盖只不过是效率和生产力提高的一个方面。想要使带静电的脱模剂达到最终期望效果，需要考虑的另一个方面是延长模具使用寿命。这是压铸过程中面临的一个大问题——在使用WBD脱模剂的情况下尤为如此，它会迅速冷却铸模表面，而这样会导致产生极端的温度波动。受反复压应力和拉应力的影响，这种波动可能会导致铸模表面形成裂纹。这些裂纹通常会在经过数百次铸造过程之后形成，而对于典型压铸机而言，模具的使用寿命会减少到大约120,000次压铸过程。

彻底解决喷涂问题

与水基解决方案相比，这个解决方案所需的喷雾少很多，因此，迅速冷却的影响会降低。Lubrolene WFR-EC最多可将模具使用寿命延长六倍，并且每年可节省超过50,000欧元的成本。随着模具使用寿命的延长，维护成本也会降低，这样可以进一步节省高达20%的成本，同时增加过程操作时间。

展望未来

压铸产业目前正处于其历史发展的关键时刻。设计师已经认识到了复杂结构铸件的优势及可能性，因此，压铸厂必须能够以具有竞争力的成本以及经济可行和可持续性方式供应这些部件。除了质量和工艺优势之外，WFR技术对环境也更加友好。该过程并不会产生任何废水，因为它所需的铸造炉温度较低，因此，可以节省大量能源并减少大量二氧化碳排放。

无水铸模技术极有可能是压铸过程最重要的成功因素。它可以避免产生材料浪费、部件缺陷和额外的运营成本等问题，并可使压铸厂提高生产率，同时不断增加更大、更复杂部件的需求。