鋁合金壓鑄件缺陷分析及對策和壓鑄技術(shù)新發(fā)展_圖文

1、鋁合金壓鑄件缺陷分析及對策和壓鑄技術(shù)新發(fā)展韓恒恒1李曉棠1曹殿濤2吳海波1（1. 貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2. 中大貝萊特集團研究院研發(fā)三部，山東德州253000）摘要：鋁合金壓鑄件生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種缺陷會嚴(yán)重影響鑄件的使用功能。文章簡要闡述了近幾年國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金壓鑄件生產(chǎn)的研究，其中包括生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種缺陷、缺陷形成原因和對鑄件性能的影響，及提出的減小缺陷的對策。同時又對壓鑄技術(shù)的新發(fā)展做了簡要介紹。關(guān)鍵詞：鋁合金；缺陷；對策；壓鑄技術(shù)新發(fā)展中圖分類號：TG249.2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-4801（2014）06-095-03壓鑄是近代金屬加工工藝中發(fā)展較為

2、快速的一種高效、少無切削的金屬成形精密鑄造方法，已廣泛地應(yīng)用在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中。在壓鑄生產(chǎn)中，鋁合金在使用性能和工藝性能上表現(xiàn)優(yōu)越，因此，鋁合金的壓鑄發(fā)展迅速，用量遠遠地高于其他有色合金，在壓鑄生產(chǎn)中占有極其重要的地位1。但鋁合金壓鑄件在生產(chǎn)中也會出現(xiàn)很多的缺陷，這些缺陷嚴(yán)重影響著鑄件的使用性能。本文主要介紹了近幾年國內(nèi)外相關(guān)研究關(guān)于鋁合金壓鑄件生產(chǎn)出現(xiàn)的主要缺陷及其形成原因和對鑄件性能的影響，及提出的相應(yīng)對策，并就壓鑄技術(shù)的新發(fā)展做簡要介紹。1壓鑄件的缺陷及其相關(guān)研究與對策1.1氣孔氣孔是鋁合金壓鑄件常見的缺陷，它的存在不僅會減少鑄件的有效面積，還會造成鑄件局部應(yīng)力集中而成為斷裂的裂紋源

3、。一些不規(guī)則氣孔的出現(xiàn)，還會使金屬的強度下降，從而抗疲勞能力降低。同時也降低了鑄件的抗腐蝕性能、抗裂紋擴展性能，影響鑄件的表面粗糙度2。在鋁合金壓鑄件生產(chǎn)中，氣孔產(chǎn)生的原因可分為以下幾類：精煉除氣質(zhì)量不良、排氣不良、壓鑄參數(shù)不當(dāng)造成卷氣、產(chǎn)品壁厚差過大3。 文獻4運用Flow 3D 軟件對A365半固態(tài)漿料在壓鑄機壓室內(nèi)慢壓射階段的流動性進行數(shù)值模擬，闡述了卷氣與壓室充滿度和慢壓射速度的關(guān)系。得出：在不同的壓室充滿度和不同的壓鑄速度下，均存在卷氣的可能，但數(shù)量和傾向有所不同5。文獻2通過對不同的合金進行脫氫實驗、附加不同的表面壓力實驗及采用不同的凝固速度觀察鑄件氣孔的形成。得出：鋁合金液中的含

4、氫量是導(dǎo)致鑄件氣孔形成的主要原因；在附加壓力下，鋁液的含氫量越大，形成的氣孔越多；趨向于體積凝固方式的結(jié)晶溫度范圍較寬的合金比趨向于逐層凝固的結(jié)晶溫度范圍窄的合金更易形成縮孔縮松。文獻6提出泵蓋氣孔缺陷產(chǎn)生的原因有：熔煉時金屬液中所含氣體過多、壓鑄速度過快。減少鑄件氣孔的措施有：合理的加入回爐料及鋁液精煉（回爐料與新料的配比通?？刂圃?1左右；鋁液的精煉中通入惰性氣體除氣）、控制壓射速度（充填速度偏低會造成鑄件的輪廓不清晰，過高時型腔中的空氣難以排除產(chǎn)生氣孔）、選擇合理的壓室容積比（通常為0.250.6）。文獻7研究了不同冷卻速度對鋁合金鑄件中心截面氣孔的影響。得出：冷卻速度快時鑄件形成的氣孔

5、較少，分布比較集中并且呈規(guī)則的小圓形；冷卻速度較慢時鑄件形成的氣孔分布在試樣的界面上，數(shù)量多，而且大小、形狀不同。文獻8研究了鑄造工藝參數(shù)如澆注溫度、壓射壓力、一級壓射速度等對ADC12鋁合金支架壓鑄件缺陷的影響，得出可以通過改進工藝來降低其氣孔缺陷，提高其性能。該鑄件與澆注系統(tǒng)見圖1所示，試驗鑄件斷面見圖2所示。由圖2可以圖1澆注系統(tǒng)示意圖圖2壓鑄件內(nèi)部缺陷作者簡介：韓恒恒（1989），女，碩士研究生，研究方向：計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計與分析?？闯鰤鸿T件內(nèi)部有較多的氣孔和針孔。通過進行大量的壓鑄試驗得出：較低的澆注溫度、壓射壓力和慢壓射速度有利于減少氣孔的形成，但是過慢的慢壓射速度容易增加合金液與

6、空氣的接觸時間，導(dǎo)致氣孔數(shù)量的增加。Jaquet 與Huber 和J.E.Gruzleski 9分別研究了結(jié)晶時間和冷卻速度對氣孔含量的影響見文獻9，J.E.Gruzleski 還進一步考查了這兩個鑄造工藝參數(shù)對氣孔尺寸和形狀的影響，結(jié)果表明結(jié)晶時間的延長和冷卻速度的降低，能同時增加氣孔的含量和尺寸，并使氣孔趨于不規(guī)則。1.2縮孔、縮松縮孔、縮松是由于鑄件在冷卻凝固的過程中合金的體積收縮得不到補足而在鑄件最后凝固的部位形成的一些空洞。其中大而集中的空洞稱為縮孔，小而分散的空洞稱為縮松?？s孔、縮松的存在會減少鑄件的有效承載截面積，還會引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能下降，對于某些對性能要求高的鑄件

7、，在主要的加工配合面的部位出現(xiàn)的縮孔、縮松，則會使鑄件成為廢品10。文獻11利用Anycasting 軟件對4G93SD4氣缸蓋三維實體造型進行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鑄件底部邊緣容易產(chǎn)生縮松，此部位與實際鑄件的缺陷部位一致。通過對鑄件典型部位進行多次測溫模擬，綜合分析后，得出把工藝參數(shù)定為澆注溫度690、增壓時間38s 、結(jié)晶壓力0.7bar ，并添加冒口和改變澆口能夠很好地消除缺陷。文獻12介紹了一款新的大型鋁合金動力系統(tǒng)部件的壓鑄技術(shù)開發(fā)要點及在開發(fā)過程中的品質(zhì)控制對策。此壓鑄件經(jīng)X 射線檢測，發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部多處出現(xiàn)氣孔、縮孔、縮松（見圖3）。通過對該鑄件的充型過程進行數(shù)值模擬，得出：模內(nèi)噴涂

8、，可降低厚壁處的模具溫度；可以加大相關(guān)位置處的溢流槽體積，盡可能將含有氣體、 氧化夾雜的圖3鑄件的主要缺陷位置冷料排入溢流槽，同時改善模具的溫度分布，有利于縮松等缺陷的消除；在不影響產(chǎn)品外觀及力學(xué)性能的前提下，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，減少壁厚，消除熱節(jié)；對于無法減輕壁厚的位置，可以通過實施局部加壓，消除壁厚大的位置處的縮孔缺陷。1.3冷隔、流痕、夾渣等缺陷壓鑄件在高壓下快速凝固，容易產(chǎn)生冷隔、流痕、夾渣等缺陷。冷隔是金屬流對接但未熔合而形成的不規(guī)則線形縫隙，產(chǎn)生的原因有：金屬液澆注溫度低或是模具溫度低；合金的流動性不好；金屬液分股填充，熔合不良；澆口設(shè)計不合理，流程太長；填充速度低或排氣不良；壓射比壓

9、偏低。流痕是鑄件表層上出現(xiàn)和金屬液流動方向相同的，用手撫摸會察覺出部分往下凹陷的光滑紋路，產(chǎn)生的原因有：兩股金屬液體不是同時充滿型腔而產(chǎn)生的痕跡; 模具溫度比較低; 壓鑄合金液體填充模具的速度太快; 涂料使用量太多。夾渣是鑄件中內(nèi)部或表面上存在和集體金屬成分不同的質(zhì)點，產(chǎn)生的原因有：澆注前金屬液上面的浮渣沒有扒干凈，澆注時擋渣不好，浮渣隨著金屬液進入鑄型；澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理，擋渣效果差，進入澆注系統(tǒng)的渣子直接進入型腔而沒有被排出。文獻13中用有限差分法的鑄造分析軟件ADSTEFAN 對某鋁合金殼型件充型過程進行了數(shù)值計算，通過流場、溫度場計算分析了產(chǎn)品冷隔、流痕等缺陷的分布及成因，得出：合理的

10、設(shè)置溢流槽能夠容納充型過程中流動前沿的過冷金屬液以及氧化渣，從而能夠很好地降低鑄件的冷隔、流痕、夾渣等缺陷。文獻14提到減少冷隔的對策有：提高鋁合金熔體和模具溫度，增大壓射力；降低模具及澆注系統(tǒng)表面粗糙度，以減少液態(tài)金屬流動阻力；合理的設(shè)計內(nèi)澆口的數(shù)量及分布。2壓鑄技術(shù)的新發(fā)展為了解決壓鑄件內(nèi)部存在的上述各缺陷，生產(chǎn)出高強度、高致密性、能進行熱處理等性能的壓鑄件，在繼續(xù)完善真空壓鑄以外，擠壓壓鑄和半固態(tài)壓鑄等新技術(shù)（也稱為“高密度壓鑄法”）得到了發(fā)展。2.1真空壓鑄技術(shù)真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽空或是部分抽空，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

11、，并在壓力下凝固而獲得致密的壓鑄件。2.2充氧壓鑄技術(shù)壓鑄件中的氣體絕大部分為氮氣和氫氣，幾乎沒有氧氣，主要原因是氧氣與活性金屬發(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。2.3半固態(tài)壓鑄技術(shù)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：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

12、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)金屬粒或碎屑送人螺旋壓射成形機中，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。2.4擠壓壓鑄技術(shù)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，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。2.5電磁泵低壓鑄造技術(shù)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

13、鑄造技術(shù)相比，在加壓方式方面完全不同。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。3結(jié)語本文簡要介紹了國內(nèi)外相關(guān)研究關(guān)于鋁合金壓鑄件生產(chǎn)出現(xiàn)的主要缺陷及其形成原因和這些缺陷對鑄件性能的影響，及提出的相應(yīng)對策；同時簡要介紹了幾種新的壓鑄技術(shù)。希望能對鋁合金壓鑄件的生產(chǎn)起一定的指導(dǎo)作用，以提高其生產(chǎn)率

14、，降低廢品率。參考文獻：1賴華清. 壓鑄工藝及模具M.北京：機械工業(yè)出版社，2005.2李俊. 影響鋁合金鑄件氣孔形成因素的研究D.沈陽：沈陽理工大學(xué)，2011.3向東，陳晉. 鋁合金壓鑄件的氣孔缺陷及壓鑄技術(shù)新發(fā)展J.輕金屬，2012（11）：60-62. 4薛岳騰.A356半固態(tài)金屬漿料的制備及壓鑄工藝的數(shù)值模擬D.河北：河北工業(yè)大學(xué)，2007. 5張俊杰，曹鳳江，譚建波. 壓鑄數(shù)值模擬及研究現(xiàn)狀J.鑄造設(shè)備與工藝，2011（2）：47. 6崔黎明，姚三九，蘇建磊. 鋁合金泵蓋壓鑄件氣孔缺陷分析及對策J.鑄造技術(shù)，2007，28（12）：1664.7舒虎平. 冷卻速度對鋁合金鑄件氣孔形成的影響J.鑄造工程，2011，35（3）：27. 8歷長云，王有超，許磊，等. 鑄造工藝參數(shù)對ADC12鋁合金支架壓鑄件缺陷的影響J.特種鑄造及有色合金，2010，30（12）：1120-1122.9蒙多爾福LF. 鋁合金的組織與性能M.北京：冶金工業(yè)出版社，1988.10施江瀾，趙占西. 材料成形技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：機械工業(yè)出版社，2008.11劉一軍.4G93D4氣缸蓋低壓鑄造凝固模擬研