壓鑄鋁合金氣孔問題的研究

壓鑄鋁合金氣孔問題的研究

鑄造是經(jīng)濟上的一個重要基礎(chǔ)行業(yè)之一，但鑄造過程的控制、設(shè)計和過程往往取決于經(jīng)驗，因此鑄造材料的質(zhì)量和浪費率很難保證。壓力鑄造是特種鑄造的一種,其實質(zhì)是液態(tài)或者半液態(tài)金屬在高壓力作用下,以較高的速度充填型腔,并在壓力作用下凝固而獲得鑄件的一種方法。要獲得高質(zhì)量、高水平壓鑄件,使壓鑄件達到光潔、輪廓清晰、組織致密、強度高的要求,需要對壓鑄過程中各影響因素進行協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對于鋁合金壓鑄件,從生產(chǎn)準(zhǔn)備到批量生產(chǎn),牽涉的環(huán)節(jié)很多,影響因素也很多,包括材質(zhì)、模具、設(shè)備、工藝等各方面。1在其他工業(yè)部門中的應(yīng)用壓鑄鋁合金有良好的使用性能和工藝性能,因此鋁合金的壓鑄發(fā)展迅速,在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用,用量遠遠高于其他有色合金,在壓鑄生產(chǎn)中占有極其重要的地位。按所含基本元素可將鑄造鋁合金分為Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Zn合金。1.1試驗和鑄造鋁合金的工藝設(shè)計由于共晶Al-Si合金具有結(jié)晶溫度間隔小、合金中硅相有很大的凝固潛熱和較大的比熱容、其線收縮系數(shù)也比較小的特點,因此其鑄造性能一般要比其他鋁合金的好,其充型性能也好,熱裂、縮松傾向比較小。Al-Si共晶體中所含的脆性相(硅相)數(shù)量最少,質(zhì)量分數(shù)僅為10%左右,因而其塑性比其他鋁合金好,組織中僅存的脆性相還可通過變質(zhì)處理降低其脆性。實驗表明Al-Si共晶體在其凝固點附近溫度仍保持良好的塑性,這是其他鋁合金所沒有的。鑄造合金組織中常要有相當(dāng)數(shù)量的共晶體,以保證其良好的鑄造性能;共晶體數(shù)量的增加又會使合金變脆而降低力學(xué)性能,兩者之間存在一定的矛盾。但是由于Al-Si共晶體有良好的塑性,能較好地兼顧力學(xué)性能和鑄造性能兩方面的要求,所以Al-Si合金是目前應(yīng)用最為廣泛的壓鑄鋁合金。我國壓鑄鋁合金品種中,絕大多數(shù)以Al-Si合金為主,這類合金存在強度較低、切削性能不夠好、螺紋加工困難等現(xiàn)象,所以近年來我國正在開發(fā)高強度合金。在美國的高強度Al-Si-Cu合金(SC84A、SC114A、SC84B、SC102A)中銅的質(zhì)量分數(shù)為2.0%～4.0%,鋅的質(zhì)量分數(shù)不超過3%,硅的質(zhì)量分數(shù)為7.5%～12.0%(具體見表1),具有較高的力學(xué)性能、良好的壓鑄工藝性能和機械加工性能。近年來我國研究的Al-Si-Cu新型高強度鋁合金有YL112、YL113、YL117等。1.2壓鑄件的力學(xué)性能Al-Mg合金的性能特點是:室溫力學(xué)性能好;抗蝕性強;鑄造性能比較差;力學(xué)性能的波動和壁厚效應(yīng)都比較大;長期使用時,有因時效作用而使合金的塑性下降,甚至壓鑄件出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象;壓鑄件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向也較大等。Al-Mg合金的缺點部分抵消了它的優(yōu)點,使其在應(yīng)用方面受到一定的影響。1.3質(zhì)量分數(shù)大的鋁合金Al-Zn合金壓鑄件經(jīng)自然時效后,可獲得較高的力學(xué)性能。當(dāng)其鋅質(zhì)量分數(shù)大于10%時,強度顯著提高。此合金的缺點是耐腐蝕性差,有應(yīng)力腐蝕的傾向,壓鑄時易熱裂。常用的Y401合金流動性好,易充滿型腔,缺點是形成氣孔的傾向性大,硅、鐵含量較少時,易熱裂。1.4熱處理型al-si-cu合金國內(nèi)外研制的特殊性能的壓鑄鋁合金有:裝飾型Al-Mn合金:適用于陽極氧化處理和著色處理,伸長率高,還具有相當(dāng)?shù)哪臀g性。但其強度不高,收縮率大,易粘模。熱處理型Al-Si-Cu合金:可進行淬火后不完全人工時效和淬火后完全人工時效至最大硬度。此外還有表面處理和熱處理復(fù)合型的Al-Mn-Zn合金、耐磨型過共晶Al-Si合金和防爆防振型Al-Zn合金等。另外還有壓鑄鋁合金復(fù)合材料,目前尚未普遍生產(chǎn)與應(yīng)用。2降低廢品率鋁合金壓鑄生產(chǎn)的工件常因氣孔存在而導(dǎo)致報廢,產(chǎn)生氣孔的原因很多,在解決這一產(chǎn)品質(zhì)量問題時常常無從下手,如何快速、正確地采取措施減少因氣孔而造成的廢品率,這是各鋁合金壓鑄廠家所關(guān)注的問題。在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中,依氣孔產(chǎn)生的原因,常有如下幾類。2.1鋁合金鑄造過程中的氣孔多發(fā)生的原因及影響因素在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中,熔化了的鋁液澆注溫度一般常在610～660℃,在此溫度下,鋁液中溶解有大量的氣體(主要是氫氣),鋁合金氫氣的溶解度與鋁合金的溫度密切相關(guān),在660℃左右的液態(tài)鋁液中約為0.69cm3/100g,而在660℃左右的固態(tài)鋁合金中僅為0.036cm3/100g,此時液態(tài)鋁液中含氫量約為固態(tài)的19～20倍。所以當(dāng)鋁合金凝固時,便有大量的氫析出以氣泡的形態(tài)存在于鋁合金壓鑄件中。減少鋁液中的含氣量,防止大量的氣體在鋁合金凝固時析出而產(chǎn)生氣孔,這就是鋁合金熔煉過程中精煉除氣的目的。如果在鋁液中本來就減少了氣體的含量,那么凝固時析出氣體量就會減少,因而產(chǎn)生的氣泡也顯著減少。因此,鋁合金的精煉是非常重要的工藝手段,精煉質(zhì)量好,氣孔必然少,精煉質(zhì)量差,氣孔必然多。保證精煉質(zhì)量的措施是選用良好的精煉劑,良好的精煉劑是在660℃左右可以起反應(yīng)產(chǎn)生氣泡,所產(chǎn)生氣泡不太劇烈,而是均勻不斷的產(chǎn)生氣泡,通過物理吸附作用,這些氣泡與鋁液充分接觸,吸附了鋁液中的氫將其帶出液面。因此冒泡時間不宜過短,一般要有6～8min的冒泡時間。當(dāng)鋁合金冷卻到300℃時,氫在鋁合金中的溶解度僅為0.001cm3/100g以下,此時僅為液態(tài)時的1/700,這種凝固后氫氣析出而產(chǎn)生的氣孔是分散的,細小的針孔,這不影響漏氣和加工表面,肉眼基本看不見。在鋁液凝固時因氫氣析出所產(chǎn)生的氣泡比較大,多在鋁液最后凝固的心部,雖然也分散,但這些氣泡常常導(dǎo)致滲漏,嚴(yán)重時常導(dǎo)致工件報廢。2.2產(chǎn)品某些固定部位存在氣孔在鋁合金壓鑄中,因模具的排氣通道不暢,模具排氣設(shè)計結(jié)構(gòu)不良,壓鑄時型腔內(nèi)的氣體無法完全順暢排出,造成在產(chǎn)品某些固定部位存在氣孔。這種由模具型腔中氣體形成的氣孔時大時小,氣孔的內(nèi)壁呈鋁與空氣氧化的氧化色,與氫氣析出產(chǎn)生的氣孔不同,氫氣析出氣孔內(nèi)壁不如空氣孔光滑,沒有氧化色,而是灰亮的內(nèi)壁。對于因排氣不良而產(chǎn)生的氣孔,應(yīng)改進模具的排氣通道,及時清理模具排氣通道上的殘留鋁皮就可以避免。2.3鋁液中孔隙率隨時間的變化在壓鑄生產(chǎn)中壓鑄參數(shù)選擇不當(dāng),鋁液壓鑄充型速度過快,使型腔中氣體不能完全及時平穩(wěn)的擠出型腔,而被鋁液的液流卷入鋁液中,因鋁合金表面快速冷卻,被包在凝固的鋁合金外殼中,無法排出形成了較大的氣孔。這種氣孔往往在工件表面之下,鋁液進口比最后匯合處少,呈梨形或橢圓狀,在最后凝固處又多又大。對于這種氣孔應(yīng)調(diào)整充型速度,使鋁合金液流平穩(wěn)推進,不產(chǎn)生高速流動而卷氣。2.4解決澆鑄溫度鋁合金同其它材料一樣,在凝固時產(chǎn)生收縮,鋁合金的澆鑄溫度愈高,這種收縮就愈大,單一的因體積收縮產(chǎn)生的氣孔是存在于合金最后凝固部位,呈不規(guī)則形狀,嚴(yán)重時呈網(wǎng)狀。往往在產(chǎn)品中,它與凝固時因氫氣析出的氣孔同時存在,在氫析出氣孔或卷氣孔的周圍存在縮氣孔,在氣泡周圍有伸向外部的絲狀或網(wǎng)狀氣孔。對于這種氣孔,應(yīng)從澆鑄溫度著手解決,在壓鑄工藝條件允許的情況下,盡量降低壓鑄時的鋁液澆鑄溫度。這樣可以減少鑄件的體積收縮,減少縮氣孔及縮松。如果常在加熱部位出現(xiàn)這種氣孔,可以考慮增加抽芯或冷鐵,使其改變最后凝固部位,解決滲漏缺陷問題。2.5信息過程的檢驗產(chǎn)品形狀常有壁厚差過大問題,在壁厚中心是鋁液最后凝固的地方,也是最易產(chǎn)生氣孔的部位,這種壁厚處的氣孔是析出氣孔和收縮氣孔的混合體,不是一般措施所能防止的。對產(chǎn)品的形狀在設(shè)計時就應(yīng)考慮盡量減少壁厚不均勻,或過厚的問題,采取空心結(jié)構(gòu),在模具設(shè)計上應(yīng)考慮增設(shè)抽芯或冷鐵,或水冷,或增加模具此處的冷卻速度。在壓鑄生產(chǎn)中,要注意厚度大部位的過冷量,適當(dāng)降低澆注溫度等。從上述氣孔的分類可知,在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔的原因很多,必須找出原因?qū)ΠY下藥才能解決問題。防止氣孔的措施和途徑主要有:(1)保證鋁合金熔煉的精煉除氣質(zhì)量,選用好的精煉劑、除氣劑,減少鋁液中的含氣量,及時清除液面浮渣、泡子之類氧化物,防止再次帶入氣體進入壓鑄件中。(2)選擇良好的脫模劑,所選用的脫模劑應(yīng)是在壓鑄中不產(chǎn)生氣體的,又有良好脫模性能的。(3)保證模具排氣通暢不堵死,排氣順暢,保證模具中的氣體完全排出,尤其是在鋁液最后聚合處排氣通道必須通暢。(4)調(diào)整好壓鑄參數(shù),充型速度不可過快,防止卷氣。澆鑄溫度也要控制好。(5)產(chǎn)品設(shè)計和模具設(shè)計中應(yīng)注意抽芯和冷卻的使用,盡量減少壁厚差過大。(6)對常在固定部位出現(xiàn)的氣孔,應(yīng)從模具和設(shè)計上改善。3高密度壓電鑄造技術(shù)近年來,人們?yōu)榱私鉀Q壓鑄件內(nèi)部存在的氣孔和縮孔問題,使之能生產(chǎn)出高強度、高致密性、可焊接、能進行熱處理、可扭曲等各種性能的壓鑄件,在繼續(xù)完善真空壓鑄以外又發(fā)展了擠壓鑄造和半固態(tài)壓鑄等新技術(shù),并概括地稱之為“高密度壓鑄法”。3.1壓力鑄造的定義真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽空或部分抽空,降低型腔中的氣壓,以利于充型和排除合金熔體中的氣體,使合金熔體在壓力作用下充填型腔,并在壓力下凝固而獲得致密的壓鑄件。3.2反應(yīng)生成固體氧化物壓鑄件中的氣體絕大部分為N2和H2,幾乎沒有O2,主要原因是O2與活性金屬發(fā)生反應(yīng)生成了固體氧化物,這為充氧壓鑄技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。充氧壓鑄是在壓鑄前將氧氣充入型腔,取代其中的空氣。當(dāng)進入型腔時,一部分氧氣從排氣槽排出,殘留的氧與金屬液發(fā)生反應(yīng),生成彌散狀的氧化物微粒,在鑄型內(nèi)形成瞬間真空,從而獲得無氣孔的壓鑄件。3.3半固體壓壓法制備全漿料半固態(tài)壓鑄是在液態(tài)金屬凝固時進行攪拌,在一定冷卻速度下獲得約50%甚至更高固相組分的漿料,然后通過壓鑄使?jié){料成形的技術(shù)。目前,半固態(tài)壓鑄有兩種工藝:即流變成形工藝和觸變成形工藝。前者是將液態(tài)金屬送入特殊設(shè)計的壓射成形機筒中,由螺旋裝置施加剪切使其冷卻成半固態(tài)漿料,然后進行壓鑄。后者是將固態(tài)金屬?；蛩樾妓腿肼菪龎荷涑尚螜C中,在加熱和受剪切的條件下使半固態(tài)金屬顆粒經(jīng)壓鑄成形。3.4實際生產(chǎn)中的應(yīng)用擠壓壓鑄又稱“液態(tài)金屬模壓”。其鑄件致密性好,力學(xué)性能高,且無澆冒口。我國一些企業(yè)已將其應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。擠壓壓鑄技術(shù)具有極好的工藝優(yōu)勢,它不僅能替代傳統(tǒng)的壓鑄、擠壓鑄造、低壓鑄造、真空壓鑄工藝,還能對差壓鑄造、連鑄連鍛、半固態(tài)流變鑄造工藝進行兼容。專家認為,擠壓壓鑄技術(shù)是一項前沿性的新技術(shù),橫跨多個工藝領(lǐng)域,內(nèi)涵豐富,創(chuàng)新性強,極具挑戰(zhàn)性。3.5電磁除雜系統(tǒng)電磁泵低壓鑄造是一種新崛起的低壓鑄造工藝,同氣體式低壓鑄造技術(shù)相比,在加壓方式方面與其完全不同。其采用非接觸式的電磁力直接作用于液態(tài)金屬,大大降低了由于壓縮空氣不純及分壓過高所帶來的氧化和吸氣等問題,實現(xiàn)了鋁液的平穩(wěn)輸送和充型,可防止由于紊流造成的二次污染。另外電磁泵系統(tǒng)完全采用計算機數(shù)字元控制,工藝執(zhí)行非常準(zhǔn)確、重復(fù)性好,使這種工藝在成品率、力學(xué)性能、表面質(zhì)量和金屬利用率等方面都具有明顯優(yōu)勢。隨著研究的不斷深入,這項工藝也愈來愈成熟。4本課題中心的實際生產(chǎn)法鋁合金圓盤、圓筒壓鑄件由于其壁厚不均勻,容易產(chǎn)生氣孔和