鋁合金消失模鑄造常見缺陷分析

鋁合金消失模鑄造常見缺陷分析

消失模制造技術(shù)是一種精確的鑄造新技術(shù)。1958年,H.F.Shroyer發(fā)明了用可發(fā)性泡沫塑料模樣制造金屬鑄件的技術(shù)并取得了專利。最初所用的模樣是采用聚苯乙烯(EPS)板材加工制成的。1980年,該專利期滿后,美國通用汽車公司率先將消失模鑄造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機的缸體缸蓋制造,獲得巨大成功[1~3]。消失模鑄造是采用無粘結(jié)劑干砂抽真空技術(shù),可適用于大批量生產(chǎn)鋁合金氣缸體、氣缸蓋鑄件。2009年,筆者有幸參與了惠能機電(福建)有限公司消失模鑄造工藝試驗鋁合金鑄件的全部過程,并詳細記錄了試驗過程中產(chǎn)生的氣渣孔、針孔砂眼(渣眼)、縮松、冷隔、重皮、粘砂等鑄造缺陷?，F(xiàn)就試驗過程中產(chǎn)生的缺陷和遇到的問題以及解決方法作簡要介紹。1金液鑄造缺陷的防治方法鋁合金消失模鑄造采用干砂造型,泡沫模樣涂敷保溫涂料,由于氣化需要吸收大量熱量,所以其出爐溫度和澆注溫度比砂型鑄造、壓力鑄造以及金屬型重力鑄造的溫度高,又因為鋁合金熔液易氧化吸氣,鋁合金液在熔煉和澆注時與空氣中的水反應(yīng)溶解氫氣和氧化。鋁合金液在冷卻過程中容易析出氫氣形成分散性針孔和渣孔。另一方面主要原輔材料和熔煉設(shè)備及工具在生產(chǎn)過程中沒有充分嚴格按照生產(chǎn)工藝要求進行操作和技術(shù)控制,如熔煉設(shè)備和原輔材料以及熔煉工具在生產(chǎn)前沒有充分預(yù)熱;在選料熔化﹑精練﹑變質(zhì)﹑出爐過程沒有嚴格控制鋁合金液吸氣和氧化以及在澆注過程中操作不當(dāng)使空氣進入鑄型內(nèi)產(chǎn)生嚴重的鑄造缺陷;所以在整個的生產(chǎn)過程中任何一個小環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏忽都會造成不良后果。常見的表面針孔﹑氣渣孔﹑針渣孔﹑渣孔﹑渣眼見圖1。這些缺陷產(chǎn)生的原因主要是在生產(chǎn)工藝制定上不科學(xué)和不合理;其防止辦法主要有以下幾點:(1)改變澆注系統(tǒng);提高澆注速度;控制澆注時不能產(chǎn)生紊流。(2)提高涂料層和型砂的透氣性。(3)控制泡沫模樣的密度、水分、發(fā)泡劑含量。(4)模樣和涂層應(yīng)烘干徹底。(5)控制泡沫模樣粘結(jié)劑用量。2發(fā)氣以及鋁合金液引起氣孔在消失模鑄造中是指鑄件表面光滑的孔洞,主要是泡沫模樣發(fā)氣以及鋁合金液在凝固過程中氣體來不及排出而造成。其主要原因是:泡沫模樣密度過大強度不均勻﹑涂料透氣性差﹑涂層沒有干透﹑出爐和澆注溫度偏低﹑澆冒口系統(tǒng)設(shè)計不合理,見圖2。3降低粘砂質(zhì)量粘砂是金屬液滲入型砂中,形成金屬液與型砂的機械混和物,粘砂有兩種情況:一是金屬液通過涂料層開裂處滲入型砂內(nèi),形成金屬液包住型砂;二是金屬液透過涂料層滲入型砂內(nèi),形成粘砂。鋁合金鑄件的粘砂一般都是砂填充不緊、沒有振實以及真空度過高所導(dǎo)致。鑄件粘砂情況見圖3。生產(chǎn)過程中控制表面粘砂的措施主要是控制好涂料的制備質(zhì)量和涂敷質(zhì)量;要求涂料涂層均勻﹑涂敷完整;特別是形狀復(fù)雜鑄件的內(nèi)腔及拐角處的涂敷質(zhì)量以及型砂粒度和造型時的緊實度。其次在操作過程中要有合理的澆注溫度﹑澆注速度以及負壓度。4冒口的補縮能力鋁合金消失模鑄造的澆冒口系統(tǒng)設(shè)計是相當(dāng)關(guān)鍵的。其澆冒口開設(shè)與砂型鑄造不同,冒口的補縮能力沒有砂型鑄造好,原因是消失模鑄造的冒口鋁合金液溫度偏低,且冒口內(nèi)壓力低,容易產(chǎn)生縮孔和縮松,見圖4。產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷時要認真查找原因和產(chǎn)生的機理,一般采用改變澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計,使系統(tǒng)合理科學(xué)以及提高補縮能力的方法來防止缺陷發(fā)生。5置換泡沫改變消失模鑄造中型砂的移動﹑鑄型的破壞造成鋁合金液不能完全置換泡沫模樣,使鑄件不能成形,或鋁合金液充型速度過慢、澆注溫度過低導(dǎo)致,見圖5。潰型(塌砂)缺陷防止辦法一般采用提高鑄型強度﹑合理的造型裝箱工藝﹑正確的澆注操作來保證。6重皮缺陷的形成原理及解決方法在消失模鑄造生產(chǎn)過程中鑄件表面產(chǎn)生冷隔的原因是鋁合金液澆注溫度偏低、澆注速度慢、澆注壓頭小、澆注系統(tǒng)開設(shè)不合理造成,特別是鋁合金復(fù)雜薄壁件更容易產(chǎn)生冷隔。另外,如果充型過程中負壓過大,鋁合金液沿型壁過快上升超過內(nèi)部鋁合金液的上升速度,在鑄型表面形成一層殼,而后又被后面上升慢的鋁合金液填充,如果先凝固的殼沒有被后面的鋁合金液熔化就形成重皮缺陷,見圖6。解決這類缺陷的辦法是:(1)選擇符合鑄件結(jié)構(gòu)和工藝要求的專用砂箱以及造型時泡沫模樣在專用砂箱中合理的擺放位置。(2)改進澆注系統(tǒng),提高澆注溫度和澆注速度。(3)適當(dāng)調(diào)整負壓,控制好氣化速度。7鋁合金液流動速度差在泡沫模樣的薄壁處或遠離澆口的位置,由于鋁合金液與模樣置換過程中,鋁合金液前沿阻力大、流動距離遠,熱損耗大、降溫速度快,造成鋁合金液流動速度差,產(chǎn)生澆不足,見圖7。澆不足一般采用以下措施防止:(1)降低泡沫模樣的密度,改變原始珠粒種類,減少模樣的發(fā)氣量;(2)提高鋁合金液的澆注溫度和澆注速度;(3)提高涂料和型砂的透氣性。8其他缺陷方面的研究消失模鑄造在工藝操作不當(dāng)和控制不嚴格的情況下,容易產(chǎn)生表面孔洞與凹坑的鑄件缺陷,這些表面缺陷產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜,如渣孔﹑砂孔﹑縮孔等表面缺陷。此外如泡沫質(zhì)量不良的情況下,鑄件表面還會產(chǎn)生龜紋等缺陷,見圖8、圖9。這類缺陷的成因比較復(fù)雜,要仔細分析,并且根據(jù)生產(chǎn)的具體工藝操作過程和控制數(shù)據(jù)進行整體分析;一般采取以下幾方面措施同時進行:(1)嚴格控制組合模樣的工藝操作,提高澆冒口系統(tǒng)的擋渣能力和排渣能力;(2)提高鑄件的澆注溫度和澆冒口的補縮、擋渣和集渣能力以及澆冒口連接處的連接質(zhì)量;(3)控制泡沫模樣質(zhì)量和涂料的干燥質(zhì)量。9碳缺陷產(chǎn)生機理表面碳缺陷(皺皮)是鑄件澆注時由于聚苯乙烯的分解產(chǎn)物形成所致。聚苯乙烯在700℃以下溫度形成粘稠的瀝青狀液體。粘稠的瀝青狀液體一部分被涂料層吸附;一部分在鋁合金液與涂料層之間形成簿膜,在還原氣氛下形成結(jié)晶碳,它在鑄件表面形成碳缺陷,影響表面質(zhì)量,見圖10。碳缺陷的形成主要是泡模模樣的密度大或局部密度過大、涂料和型砂的透氣性以及澆冒口系統(tǒng)和澆注工藝控制不當(dāng)?shù)仍斐?。要減少其缺陷產(chǎn)生必須嚴格控制預(yù)發(fā)泡和成形工藝;涂料質(zhì)量的嚴格把關(guān);設(shè)計合理的澆注系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝;嚴格控制泡沫原材料的質(zhì)量;提高鋁合金液熔煉質(zhì)量以及澆注溫度和澆注速度。10影響外觀質(zhì)量的因素珠粒狀表面表現(xiàn)在鑄件表面呈泡沫珠粒狀,其根本原因是珠粒膨脹愈合不良,一方面會影響鑄件力學(xué)性能以及密封性,甚至因鑄件滲漏而導(dǎo)致報廢,另一方面影響鑄件的外觀質(zhì)量,見圖11。其原因是:(1)成型珠粒發(fā)泡劑含量不足;(2)成型時蒸氣壓力低,通蒸氣時間短;(3)成型模具質(zhì)量問題。表面過燒同珠粒狀表面性質(zhì)基本相同,不同的是一個是不足,一個是過燒造成。表面過燒現(xiàn)象是成型時模具的局部位置蒸氣量過大和珠粒充型不實?？傮w說主要是泡沫成型模具有問題,需要對模具進行必要的修理;才能解決此類缺陷。11模具檢驗的重要性表面凹凸現(xiàn)象主要是因為泡沫成型模具上面的排氣塞凹凸和進料口料塞桿定位發(fā)生變化以及模具工作表面有破損或鑄造缺陷造成,見圖12。為防止這些小的缺陷產(chǎn)生,需要加強模具的定期檢查;成型操作工人要認真檢查泡沫模樣的外觀,及時發(fā)現(xiàn)及時處理。另外模具的制作要到專業(yè)的廠家去定作,才能保證模具質(zhì)量。12常見缺陷的防治對策(1)鋁合金吸氣、氧化是造成鑄件缺陷的最主要原因。必須嚴格控制工藝過程,從原輔材料的選擇、熔煉前的準(zhǔn)備、熔煉操作技術(shù)的監(jiān)督控制、除氣、精煉、變質(zhì)、靜置、質(zhì)檢、澆注等全部過程的綜合控制,才能有效防止。(3)氣孔、渣孔、針孔、