铝硅合金砂型铸造熔炼工艺改进研究
摘 要:?@砂型铸造作为传统的铸造方法,在生产制造领域得到广泛应用。
但它也有许多缺点,如材料利用率低、占用场地大、生产效率低。
压铸件具有尺寸精度高、材料利用率高、组织致密等特点,壁厚相同的情况下,强度和硬度比砂型铸件高很多;此外,压铸件表面光洁度高,不需加工或只需要少量加工就可以使用。
虽然它们都属于铸造工艺,但是各自的生产特点决定了它们在一些具体的工艺方面的差别。
下载论文网 关键词:?@铸造方法;压铸件;工艺 1 铝硅合金化学成分的改进 (1)对含铁量的改进:铝硅合金中的铁元素大多数以化合态的形式存在,比较常见的以FeAl3、β相(Fe2Si2Al9)或α相(A1FeSi)等形式存在。
砂型铸造条件下,由于冷却速度比较慢,β相可以充分长成粗大的针状或片状穿晶组织,严重割裂了金属基体的连续性,大大降低了金属的力学性能,尤其是韧性。
含铁量过多时,还会降低铝硅合金的流动性,恶化合金的充型性能。
因此,铁在铸造铝合金中被认为是一种主要的有害杂质,在国家标准中对其作了明确的限制,GB1173—86规定我国铝硅合金活塞的铁含量小于0.7%。
各企业对其控制更为严格,一般要求小于0.5%,甚至更低。
对于压铸铝合金来说,由于冷却速度高,β相无法进行充分的长大,一般以细小针状或片状的形式存在,对铝合金基体的切割作用大大减少。
这些均匀、弥散分布的细小β相反可以作为强化相,提高铝合金的强度和硬度。
当压铸铝硅合金中的含铁量比较高时,可以使合金液表面的氧化膜失去连续性,提高合金液的表面张力,从而改善铝硅合金容易“粘型”的缺陷。
如果含铁量较低时,会更容易产生“粘型”现象。
因此,适当地提高压铸铝合金中的含铁量,不但可以减少压铸铝合金的“粘型”缺陷,在生产过程中产生的浇冒口等压铸废料又可以经过简单处理后,作为回炉料直接加入熔化炉回收使用。
这样既提高了生产效率,又降低了原材料的成本。
(2)对含锰量的改进:锰在压铸铝合金中是一种有益的元素,它可以与铝合金中的针状或片状的β相(Fe2Si2Al9)一起生成球状多面体形态的(FeMn)3SiAl15相。
该相在压铸工艺的快速冷却条件下,容易形成体积细小的、呈均匀分布的(FeMn)3SiAl15相,可以大大减少含铁相对铝合金基体的切割作用,改善铝合金的力学性能。
适当提高含锰量还可以降低铝合金的“粘型”倾向。
因此,在压铸铝合金中,适当提高含铁量的同时,也要适当提高含锰量,让合金具有比较合理的铁锰比。
一般来说,铁和锰的总含量控制在1.2%以下。
近年来,一些压铸件需要具有较高的强度和延展性。
但是随之而来的是铝合金的“粘型”现象很严重。
把铝合金的含铁量降低到0.15%以下,同时增加含锰量为0.5%—0.8%,不但可以改善铸件组织,而且防止在压铸过程中产生“粘型”现象。
2 对铝硅合金熔炼工艺的改进 砂型铸件要求在铝合金熔炼过程中对铝合金液进行精练和变质处理,从而改善材料的组织结构,提高材料的力学性能。
在压铸生产过程中,由于压铸生产需要的铝合金液不可能一次用完,往往需要在保温炉中停留一段时间。
为了防止由于处理好的铝合金长时间没有及时使用发生变质退化,影响变质效果。
同时,压铸型的快速冷却能力本身也可以细化金属晶体。
因此,对于一些要求不太高的零件,通过适当增加含铁量和含锰量从而提高铸件的力学性能要比通过变质处理改善力学性能效果更明显。
对于力学性能要求比较高的零件,在选择变质剂的时候最好选择使用Sr等长效变质剂。
但是,对回炉料的使用应该严格控制,防止变质剂的“遗传”导致合金力学性能恶化。
3 铸件结构工艺性改进 (1)壁厚:砂型铸造属于重力铸造,金属液充型力来自金属液本身的重力。
为了改善充型性能,砂型铸造要求铸件的壁厚比较厚,一般≥5mm。
压铸件的金属液是在高压下高速充型,充型力很大,压铸件的壁厚一般都比较薄,通常在1.5—4.0mm之间。
由于压铸型的快速冷却作用,会在压铸件表面生成总厚度在1.5mm左右的表面细晶粒区。
这层细晶粒区的晶粒组织细小,组织致密,具有良好的力学性能。
对于中小型壳形零件,壁厚取1.5—2.5mm,力学性能就能够满足实际需要。
(2)加强筋:壁厚减少导致铸件的抗变形能力下降,可以通过设置加强筋的形式来改善铸件的抗变形能力。
合理的加强筋设计还可以改善铸型的充型条件,提高金属液的充型能力。
只是在设计时要注意加强筋的合理分布,避免十字交叉。
通常把推杆顶出部位设置在加强筋的交叉处,作为顶杆推出的支撑柱,防止顶杆直接顶在压铸件上使铸件变形。
(3)支脚结构:作为壳形零件,铸件支脚部分是一个比较重要的部位。
但是这样做对于压铸件来说,支脚部位的厚度太大,容易产生缩孔,降低这个部位的力学性能,导致压铸件在这个部位容易发生断裂。
因此通常都要进行结构改进,在保证力学性能的情况下,满足压铸工艺要求。
(4)铸孔:对于壳形铸件上的铸孔,砂型铸件一般不铸出,铸件生产出来后,通过钻孔方式加工。
对于压铸件来说,铸孔的直径在1.0mm以上的孔都可以考虑用压铸的方法直接铸出。
一方面因为压铸条件下铝合金液具有良好的充型能力,可以铸出直径比较小的孔。
另外如果在这些部位不铸孔,则会因此成为铸件的“热节”,不易补缩而在这个部位产生缩孔或缩松缺陷,降低压铸件的力学性能。
压铸型设计时,为了铸孔型芯抽芯方便,压铸孔的径深比为盲孔直径/盲孔深度≤4,通孔直径/通孔深度≤8。
为了延长铸孔型芯寿命,压铸型设计时应尽量避免铸孔型芯过长。
作为悬臂梁,铸孔型芯受到金属液的冲击,易产生弯曲变形而失效。
对通孔来说,当径深比>8时,可以采用对插的形式成形,尽量避免压铸盲孔。
(5)铸字与花纹: 压铸可以铸出很清晰的文字与花纹,最小可以压铸出五号字体,砂型铸件多数用型芯成形文字,只能铸出比较大的文字。
但是,压铸型设计时,尽量不要铸字与花纹。
现在的压铸型型腔多数为整体式结构,在型腔内部雕刻出文字和花纹,容易在型腔表面形成裂纹源,在文字部位产生疲劳裂纹,减少铸型寿命。
为了延长铸型使用寿命,最好把文字部分做成镶块形式,方便更换和维修。
4 压铸件工艺性改进 (1)铸造圆角:砂型铸件为了保证良好的充型性能,一般都有比较大的铸造圆角(半径≥5mm)。
铸造圆角越大,型腔部位越不容易产生应力集中,会相应的增加铸型使用寿命。
另外较大的铸造圆角也可以改善金属液的充型能力,提高铸件的致密度和力学性能。
(2)拔模斜度:铸件为了脱型方便,一般都有拔模斜度。
改为压铸件时,脱型斜度可以适当减少。
也可以不变,有利于压铸件的脱型。
5 结语 由于压铸生产的优点,正在一些铸件生产领域代替砂型铸造成为主要的生产方式。
但是砂型铸件改为压铸生产需要在合金化学成分、熔炼工艺、铸件结构工艺性方面进行相关改进,以满足压铸生产的特殊要求。
铝合金的含铁量可以适当放宽到1.0%,并要求有一定的含锰量以防止铸件脆性增高。
对于韧性要求较高的压铸件,需要降低铝合金中的含铁量,增加含锰量以提高压铸件的强度和韧性,同时克服压铸件“粘型”缺陷。
在铸件结构工艺性方面应减少铸件壁厚,通过合理设置加强筋改善铸件抗变形能力。
尽可能铸出孔洞,以避免这些部位成为“热节”而产生缩孔和缩松。
参考文献 [1]?@孙淑红,张家涛,彭著刚等.复合变质对过共晶铝硅合金晶体形貌的影响[J].昆明理工大学学报(理工版),2005,(1). [2]?@郝惠莲.加Ti、B方式对A356合金组织和力学性能的影响[D].郑州大学,2006.