汽车铝轮毂低压铸造缺陷的成因及预防

1、论 文 题 目 汽车铝轮毂低压铸造缺陷的成因及预防完 成 人 贾云峰 完 成 日 期2010-9 北京市公共交通高级技工技校目 录摘要 31 低压铸造技术在国内外的应用情况32 低压铸造原理及工艺流程33 缩孔与缩松缺陷43.1缩孔与缩松缺陷的形成机理43.2 缩孔与缩松缺陷的预防方法54 气孔缺陷64.1 气孔缺陷的分类64.2 气孔缺陷的形成机理64.3 气孔缺陷的预防方法65 表面粗糙缺陷85.1 表面粗糙缺陷的成因85.2 表面粗糙缺陷的预防措施86 其它缺陷87 结论8参考文献9低压铸造缺陷的成因及预防摘要 低压铸造生产过程中，铸件经常存在一些缺陷，如：气孔、缩孔、缩松、夹渣等，这些

2、缺陷产生的原因不单纯是浇注工艺问题，而是由一种或几种原因相互作用并不断变化时产生的，本文针对具体缺陷提出相应的预防措施。关键词 低压铸造 缩孔 缩松 气孔 夹渣 冷隔1 低压铸造技术在国内外的应用情况20世纪20年代初英国E.H.Lake申请了第一个低压铸造专利，最初主要用于巴氏合金。同时期法国制出用于铜，铝合金的低压铸造机，这种方法真正被推广应用在“二战”后，被用来生产汽车缸体，电动机转子，炊事用具，高硅铝啤酒桶等。1955年，德国出现铸铁和铸钢用低压铸造专利。20世纪60年代英国率先发展低压铸造汽车轮毂，随后美、日、德相继发展。1989年仅美、日、德三国用此法就生产630万只轮毂。现今国内

3、已用自己研制的低压铸造技术成功地应用于一些要求高的复杂铸件。目前我国除引进保加利亚设备和技术外、并自行研制了适合单件小批生产的低压铸造设备，而这种工艺技术在我国的国防工业正在发挥作用。低压铸造的压力也从低压（0.6Mpa）发展到中压（4Mpa）合金种类也从铝镁合金发展到铜合金，低压铸造设备也从一般的手动控制发展到目前的微机自动控制。尽管国内的低压铸造在铝合金、镁合金方面已投入使用，尤其在汽车、摩托车轮箍生产上同先进国家水平不相上下，但生产的铸件大多局限于外形简单、呈中心对称的筒形件、而对于壁厚悬殊、形状复杂、承受液、气压及X光透视检查的高要求铝合金铸件采用低压铸造成形生产的铸件内部还存在一些铸

4、造缺陷要进行探讨研究。2低压铸造原理及工艺流程低压铸造是介于压力与重力铸造之间的一种铸造方法。它的基本原理是：在装有金属液的坩埚中，通入干燥的压缩空气（或惰性气体）于保持一定温度的金属液的表面上，使金属液沿着升液管自下而上通过浇道进入型腔，待金属液充满腔后，增大气压并使液面上的气体压力保持至铸件完全凝固，然后解除压力，使升液管和浇道中末凝固的金属回落到坩埚中，即完成一个低压铸造过程，开型后获得所需的铸件。低压铸造示意图见图1。图1低压铸造示意图低压铸造工艺流程包括：升液将一定压力的干燥空气通入坩埚中，使金属液沿着升液管平稳上升到铸型的浇道处。充型金属液由浇道进入型腔直至充满铸型。结壳金属液受型

5、腔接触面冷却形成一层固态金属。增压金属液充满型腔后，立即进行增压，使金属液处在高于充型压力状态。保压金属液在压力下凝固。卸压铸件凝固完毕，卸除坩埚中的压力。根据不同零件的特点在冷却一定时间后开型。低压铸造工艺流程见图2。升液阶段充型阶段 结壳阶段 增压阶段保压阶段卸压阶段开型得到产品铸件图2低压铸造工艺流程示意图3缩孔与缩松缺陷3.1缩孔与缩松缺陷的形成机理合金在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸件厚大部位形成管状、嗽叭状或分散孔洞称为缩孔；形成细小的孔隙称为缩松。缩孔的相对体积与液态金属的温度、冷却条件等有关。液态金属的温度愈高，则液体与固体之间体积差愈大，而缩孔的体积也愈大。在薄壁铸型中浇注金

6、属时，型壁迅速受热而冷却型壁的空气则是热的不良导体，因此型壁越薄则受热越快，液体金属也越不易冷却，金属液冷凝后产生的缩孔也愈大。总之，液体金属的冷凝条件，对缩孔体积的大小有显著的影响。产生缩松的主要原因与缩孔相同，也是由于金属凝固时的体积收缩所造成。因此在缩孔附近一般常存在着较多的缩松。3.2缩孔与缩松缺陷的预防方法由于低压铸造是反重力铸造，重力时刻都在阻碍补缩。因而无论对于砂型铸造还是金属型铸造、同时凝固的铸件还是顺序凝固的铸件，液面加压控制系统质量的好坏都是决定铸件致密性的关键。尤其是对于薄壁件金属型铸造，凝固时间本来就不长。当充型至型顶时液态金属中固相部分已经占有相当大的比例，此时应立即

7、急速升压，以便克服重力的负作用，进行补缩。这对铸件致密性是极为关键的。目前有些液面加压控制系统在这关键时刻仍旧按充型速度缓慢加压或压力越高升压速度却越慢，其后果是贻误了补缩的良机。当液态金属凝固结束后，无论增压多大都起不到补缩的作用。铸件补缩不足可导致致密度低，容易产生缩孔与缩松。生产有时补缩压力已经很高（可达0.2MPa），但铸件仍有缩松缺陷，致使打压渗漏率太高。在补缩通道合理时，这主要是因为控制系统增压的时机没控制好，而不是所谓“补缩压力大小对铸件致密性影响不大”的错误说法。例如：某厂试生产一种较大的薄壁件，试制很长时间没铸出合格的铸件。该铸件缩松多、致密性差、打压渗漏严重。当将老式的液面

8、加压控制系统换成闭环反馈的“CLP-3型”低压铸造液面控制系统后，在原工艺没有改变的情况下生产出合格的铸件。由此可见，液面加压控制系统在低压铸造生产中的作用是极其重要的。具体预防措施见下表。序号缩 孔 缩 松 预 防 措 施1使铸型温度分布合理，即上部温度低，下部温度高来增加补缩能力。2使铸型自身的热容量分布合理，即下部热容小，上部热容大（即下部型壁薄，上部型壁厚）。3对局部热节处应采用强制冷却，以调节出一个符合补缩的温度场分布。4对局部影响补缩的“冷节”，可在背后的四周钻孔铣槽，然后充填绝热材料，以增大热阻，可给出合理的温度场。5降低充型速度及型温，但要适当，以防出现冷隔及浇不足。6适当降低

9、浇注温度对减少缩松有显著的影响。4气孔缺陷4.1气孔缺陷的分类铸件气孔缺陷主要分为析出性气孔、反应性气孔、侵入性气孔。在低压铸造中，产生气体的根源很多，主要有如下方面：a、存在于型腔中的空气b、湿芯中析出的水蒸气c、烘烤烧毁粘结剂而产生的气体d、从坩埚冲到型腔中的空气或惰性气体e、由于铸型的涂料没有充分烘干而产生的水蒸气f、由于合金中溶解有气体，在冷却过程中析出来的气体。析出性气孔主要均匀分布在内部靠近冒口处、热节温度较高区域，气孔细小且分散经常同缩孔共存。反应性气孔主要均匀分布在型壁与铸件的接触面上，气孔表面光滑，呈银白色（铸钢件），金属光亮色或暗色。侵入性气孔分布在铸件上部，孔洞光滑。4.

10、2气孔缺陷的形成机理析出性气孔是金属熔化时含有的气体在液态金属冷却凝固时，气体溶解度下降而析出气体，因来不及从型腔排除，而产生气孔。反应性气孔是型壁物质同液态金属表面或在液态金属内部发生化学反应所产生的气孔。侵入性气孔多为外界气体在压力或其它原因的作用下侵入合金液所产生的。4.3气孔缺陷的预防方法从铸造熔炼工艺方面考虑可以采用下列方法预防气孔缺陷的产生。a、任何种类的金属熔炼时间都应尽可能缩短，以防时间过长使液态金属吸气量增大。例如：某厂生产铝铁锰黄铜铸件，2.5小时熔清出炉，浇注的铸件气密性合格，但6小时熔清出炉后浇注的铸件在工艺不变的前提下铸件全部因气密性不合格而报废。当恢复熔清时间后铸件

11、气密性全部合格，这充分说明熔炼时间对铸件气密性有较大的影响。b、含铝的合金应尽可能不用工频炉熔炼，因为这种炉子的搅拌能力极强，而铝与空气接触很易氧化成Al2O3，并进入液态金属中成为熔渣，也为气体的析出提供机会。同时也容易与H2O发生反应，使液态金属吸入H2气。c、投料时应先投入熔点低的料，依次投入熔点高的料，这样会使金属吸气量小，其原因就在于炉料与空气接触面积和时间均减少。d、液态金属除气后应立即扒渣、浇注，不可停留过久，以防再吸气。在低压铸造中，要特别注意铸型的排气。与一般浇注比较，低压铸造的铸型排气条件比较差，因用于低压铸造的铸型基本上是密封的，金属液的充型速度又比较快，不象一般浇注中能

12、通过明冒口等措施来排气，而低压铸造的铸型只能从分型面处和排气孔中排气。往往因铸型排气不畅而浇不出成形铸件，或者是产生“包气”现象，或者因模具憋气出使铸件轮廓不清，排气不畅会在浇注过程中产生与充型方向相反的“反压力”。使金属液压在上升过程中产生波动，影响铸件质量，因此在低压铸造的铸型设计过程中，除了考虑铸件的顺序凝固外，排气条件是不可忽视的因素。在浇注时，热的金属液进入型腔，型腔中的气体被加热以后，会强烈成倍地增加它的体积，所以在考虑铸型工艺时，要特别着重排除气体产生的根源。例如：砂芯在装配时，潮芯的表面层含水量不应超过5%6%，而砂芯应有适当的通气道。由于镁合金铸造，型砂和芯砂的附加物，应控制

13、在最低的范围内。用油砂芯应仔细烘烤。金属型表面的涂料层脱落后，应重新喷涂并重新干燥。低压铸造运用金属型时，排气装置通常有：a、排气槽，一般开在分型面上，系三角形，深0.5mm,宽1mm左右;b、排气片，一般用在带叶片的铸件，排气片厚度一片不大于0.2mm,宽度均为100mm左右，排气片根部开口R2的圆角，以便脱型取件时将钻入排气片的铝箔一起脱出，排气片位置一般开在叶片死角和最高处，排气片中心线要求与脱型取件方向一致，最好能有一定的拔模斜度，防止钻进排气片的铝箔断在里面，堵死通道，失去排气作用。c、排气针、排气塞和排气砂孔，可根据铸件的结构特点，在局部铸件的死角采用此法，即在模具里镶进排气塞和梅

14、花状的金属棒，由于排气塞和梅花针状的棒上有细槽和缝隙，气体可以从这此细槽和缝隙中排出，梅花形状的细槽为三角形，深度不超过0.5mm，排气塞根据不同要求，可选用不同的形式，但梅花针和排气塞比较麻烦，需经常拆卸，清除钻进的飞刺，故不被常用，为达到排气效果，也可在原来考虑镶排气针的孔里填进型砂，利用型砂的透气性来排气。该孔不宜太大，直径一般不超过6mm，由于型砂导热性差故不宜开在铸件厚处。d、曲缝隙排气，一般设置在铸件的顶部，即冒口或集渣槽的上部。曲折缝隙对金属流动的阻力是较大的，但对气体的排出则比较通畅，排气效果较好，但要注意取出铸件方便。E、蓄气槽，主要用于排气比较困难的大平面铸件，对这一类铸件

15、，除了考虑其他的排气措施处，在需要加工的大平面上开设蓄气花槽，这种花槽除本身可以储存部分气体外，还沟通了排气通道，有利于型腔中气体的排除，槽的形状也是三角形的。f、涂料蓄气，因为涂料本身也是一种蓄气的有效措施，涂料喷在热模具上会形成微小的毛细疙瘩，这些毛细疙瘩起了“蓄气库”的作用，所以在铸件表面粗糙度允许在情况下，也利用金属液的流动，这里尽量不用发生性强烈的涂料（如石墨油等），通常用氧化锌。总之，排气的方法是多种多样的，只要根据铸件的特点，综合考虑铸件的充型情况，选择合理的排气位置，采取不同的排气措施是能够得到良好的排气条件从而预防气孔缺陷的产生。5表面粗糙缺陷5.1表面粗糙缺陷的成因表面粗糙

16、缺陷是铸件受型壁表面粗糙度的制约使铸件表面光洁度不满足设计、用户要求，从而导致铸件不能合格。5.2表面粗糙缺陷的预防措施表面粗糙缺陷的预防措施主要有如下几点。a、降低铸型温度，使液态金属在充型结壳时容易产生一层硬壳，从而降低砂型铸件表面粗糙度值。b、创造条件使型壁与液态金属之间能产生气膜，这可以显著降低铸件表面粗糙度值。c、使用涂料可改善砂型铸件表面粗糙程度，这是众所周知的。但能减小型壁表面的透气性，以延长型壁上气膜存在时间而达到降低铸件表面粗糙度值的这一机理，却很少被人注意。d、在不影响补缩的前提下，适应减小充型时的压力值，从而减少液态金属浸入砂粒的深度，又可减少排挤气膜的液态金属静压，达到

17、降低铸件表面粗糙值的目的。e、增大液态金属与型壁之间的润湿度。6其它缺陷低压铸造产生缺陷的种类较多，这里简要对夹渣、冷隔缺陷做一个简要分析。低压铸造的铸件，常常产生氧化夹渣。其来源有三种：一是连续生产时，往坩埚中补加铝液时，氧化夹渣被冲进浇注管，浇注时又被带进铸型；二是浇注管的液面反复升降造成氧化皮；三是浇注过程中加压速度过快，由于喷溅而产生的氧化皮；或因铸型材料和涂料的脱落而造成的夹渣。在升液管口或在铸型浇口部分采用过滤网；保证充型速度平稳上升，无冲击喷溅现象是解决夹渣缺陷的基本原理。冷隔缺陷表现在铸件的分层，对流的金属没有能很好的熔成一体。形成原因是铸型或金属液温度较低、涂料不适或压力偏低。形成冷隔的主要原因是气隔。因为金属液在充型过程中，主要是受到二个方面的作用力，一是坩埚中的压力使它向上升，而型腔中气体的反压力妨碍它向上升。如果铸型各部排气不均衡，在排气顺利的地方出现低压区，进入型腔的铝液在压差的作用下自然会首先冲向低压区，结果铝液面的平衡性被破坏了，低压区的排气通道被先冲上来的铝液堵死了，到主流上来时，气体排不掉而被夹在中间形成气隔。根据这个认识，必须使铸型的排气均衡，问题就易于解决了。7结论在低压铸造生产中，气孔、缩