压铸铝合金气孔问题的研究

压铸铝合金气孔问题的研究

铸造是经济上的一个重要基础行业之一，但铸造过程的控制、设计和过程往往取决于经验，因此铸造材料的质量和浪费率很难保证。压力铸造是特种铸造的一种,其实质是液态或者半液态金属在高压力作用下,以较高的速度充填型腔,并在压力作用下凝固而获得铸件的一种方法。要获得高质量、高水平压铸件,使压铸件达到光洁、轮廓清晰、组织致密、强度高的要求,需要对压铸过程中各影响因素进行协调统一。对于铝合金压铸件,从生产准备到批量生产,牵涉的环节很多,影响因素也很多,包括材质、模具、设备、工艺等各方面。1在其他工业部门中的应用压铸铝合金有良好的使用性能和工艺性能,因此铝合金的压铸发展迅速,在各个工业部门中得到广泛的应用,用量远远高于其他有色合金,在压铸生产中占有极其重要的地位。按所含基本元素可将铸造铝合金分为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Zn合金。1.1试验和铸造铝合金的工艺设计由于共晶Al-Si合金具有结晶温度间隔小、合金中硅相有很大的凝固潜热和较大的比热容、其线收缩系数也比较小的特点,因此其铸造性能一般要比其他铝合金的好,其充型性能也好,热裂、缩松倾向比较小。Al-Si共晶体中所含的脆性相(硅相)数量最少,质量分数仅为10%左右,因而其塑性比其他铝合金好,组织中仅存的脆性相还可通过变质处理降低其脆性。实验表明Al-Si共晶体在其凝固点附近温度仍保持良好的塑性,这是其他铝合金所没有的。铸造合金组织中常要有相当数量的共晶体,以保证其良好的铸造性能;共晶体数量的增加又会使合金变脆而降低力学性能,两者之间存在一定的矛盾。但是由于Al-Si共晶体有良好的塑性,能较好地兼顾力学性能和铸造性能两方面的要求,所以Al-Si合金是目前应用最为广泛的压铸铝合金。我国压铸铝合金品种中,绝大多数以Al-Si合金为主,这类合金存在强度较低、切削性能不够好、螺纹加工困难等现象,所以近年来我国正在开发高强度合金。在美国的高强度Al-Si-Cu合金(SC84A、SC114A、SC84B、SC102A)中铜的质量分数为2.0%～4.0%,锌的质量分数不超过3%,硅的质量分数为7.5%～12.0%(具体见表1),具有较高的力学性能、良好的压铸工艺性能和机械加工性能。近年来我国研究的Al-Si-Cu新型高强度铝合金有YL112、YL113、YL117等。1.2压铸件的力学性能Al-Mg合金的性能特点是:室温力学性能好;抗蚀性强;铸造性能比较差;力学性能的波动和壁厚效应都比较大;长期使用时,有因时效作用而使合金的塑性下降,甚至压铸件出现开裂的现象;压铸件产生应力腐蚀裂纹的倾向也较大等。Al-Mg合金的缺点部分抵消了它的优点,使其在应用方面受到一定的影响。1.3质量分数大的铝合金Al-Zn合金压铸件经自然时效后,可获得较高的力学性能。当其锌质量分数大于10%时,强度显著提高。此合金的缺点是耐腐蚀性差,有应力腐蚀的倾向,压铸时易热裂。常用的Y401合金流动性好,易充满型腔,缺点是形成气孔的倾向性大,硅、铁含量较少时,易热裂。1.4热处理型al-si-cu合金国内外研制的特殊性能的压铸铝合金有:装饰型Al-Mn合金:适用于阳极氧化处理和着色处理,伸长率高,还具有相当的耐蚀性。但其强度不高,收缩率大,易粘模。热处理型Al-Si-Cu合金:可进行淬火后不完全人工时效和淬火后完全人工时效至最大硬度。此外还有表面处理和热处理复合型的Al-Mn-Zn合金、耐磨型过共晶Al-Si合金和防爆防振型Al-Zn合金等。另外还有压铸铝合金复合材料,目前尚未普遍生产与应用。2降低废品率铝合金压铸生产的工件常因气孔存在而导致报废,产生气孔的原因很多,在解决这一产品质量问题时常常无从下手,如何快速、正确地采取措施减少因气孔而造成的废品率,这是各铝合金压铸厂家所关注的问题。在铝合金压铸生产中,依气孔产生的原因,常有如下几类。2.1铝合金铸造过程中的气孔多发生的原因及影响因素在铝合金压铸生产中,熔化了的铝液浇注温度一般常在610～660℃,在此温度下,铝液中溶解有大量的气体(主要是氢气),铝合金氢气的溶解度与铝合金的温度密切相关,在660℃左右的液态铝液中约为0.69cm3/100g,而在660℃左右的固态铝合金中仅为0.036cm3/100g,此时液态铝液中含氢量约为固态的19～20倍。所以当铝合金凝固时,便有大量的氢析出以气泡的形态存在于铝合金压铸件中。减少铝液中的含气量,防止大量的气体在铝合金凝固时析出而产生气孔,这就是铝合金熔炼过程中精炼除气的目的。如果在铝液中本来就减少了气体的含量,那么凝固时析出气体量就会减少,因而产生的气泡也显著减少。因此,铝合金的精炼是非常重要的工艺手段,精炼质量好,气孔必然少,精炼质量差,气孔必然多。保证精炼质量的措施是选用良好的精炼剂,良好的精炼剂是在660℃左右可以起反应产生气泡,所产生气泡不太剧烈,而是均匀不断的产生气泡,通过物理吸附作用,这些气泡与铝液充分接触,吸附了铝液中的氢将其带出液面。因此冒泡时间不宜过短,一般要有6～8min的冒泡时间。当铝合金冷却到300℃时,氢在铝合金中的溶解度仅为0.001cm3/100g以下,此时仅为液态时的1/700,这种凝固后氢气析出而产生的气孔是分散的,细小的针孔,这不影响漏气和加工表面,肉眼基本看不见。在铝液凝固时因氢气析出所产生的气泡比较大,多在铝液最后凝固的心部,虽然也分散,但这些气泡常常导致渗漏,严重时常导致工件报废。2.2产品某些固定部位存在气孔在铝合金压铸中,因模具的排气通道不畅,模具排气设计结构不良,压铸时型腔内的气体无法完全顺畅排出,造成在产品某些固定部位存在气孔。这种由模具型腔中气体形成的气孔时大时小,气孔的内壁呈铝与空气氧化的氧化色,与氢气析出产生的气孔不同,氢气析出气孔内壁不如空气孔光滑,没有氧化色,而是灰亮的内壁。对于因排气不良而产生的气孔,应改进模具的排气通道,及时清理模具排气通道上的残留铝皮就可以避免。2.3铝液中孔隙率随时间的变化在压铸生产中压铸参数选择不当,铝液压铸充型速度过快,使型腔中气体不能完全及时平稳的挤出型腔,而被铝液的液流卷入铝液中,因铝合金表面快速冷却,被包在凝固的铝合金外壳中,无法排出形成了较大的气孔。这种气孔往往在工件表面之下,铝液进口比最后汇合处少,呈梨形或椭圆状,在最后凝固处又多又大。对于这种气孔应调整充型速度,使铝合金液流平稳推进,不产生高速流动而卷气。2.4解决浇铸温度铝合金同其它材料一样,在凝固时产生收缩,铝合金的浇铸温度愈高,这种收缩就愈大,单一的因体积收缩产生的气孔是存在于合金最后凝固部位,呈不规则形状,严重时呈网状。往往在产品中,它与凝固时因氢气析出的气孔同时存在,在氢析出气孔或卷气孔的周围存在缩气孔,在气泡周围有伸向外部的丝状或网状气孔。对于这种气孔,应从浇铸温度着手解决,在压铸工艺条件允许的情况下,尽量降低压铸时的铝液浇铸温度。这样可以减少铸件的体积收缩,减少缩气孔及缩松。如果常在加热部位出现这种气孔,可以考虑增加抽芯或冷铁,使其改变最后凝固部位,解决渗漏缺陷问题。2.5信息过程的检验产品形状常有壁厚差过大问题,在壁厚中心是铝液最后凝固的地方,也是最易产生气孔的部位,这种壁厚处的气孔是析出气孔和收缩气孔的混合体,不是一般措施所能防止的。对产品的形状在设计时就应考虑尽量减少壁厚不均匀,或过厚的问题,采取空心结构,在模具设计上应考虑增设抽芯或冷铁,或水冷,或增加模具此处的冷却速度。在压铸生产中,要注意厚度大部位的过冷量,适当降低浇注温度等。从上述气孔的分类可知,在铝合金压铸生产中产品产生气孔的原因很多,必须找出原因对症下药才能解决问题。防止气孔的措施和途径主要有:(1)保证铝合金熔炼的精炼除气质量,选用好的精炼剂、除气剂,减少铝液中的含气量,及时清除液面浮渣、泡子之类氧化物,防止再次带入气体进入压铸件中。(2)选择良好的脱模剂,所选用的脱模剂应是在压铸中不产生气体的,又有良好脱模性能的。(3)保证模具排气通畅不堵死,排气顺畅,保证模具中的气体完全排出,尤其是在铝液最后聚合处排气通道必须通畅。(4)调整好压铸参数,充型速度不可过快,防止卷气。浇铸温度也要控制好。(5)产品设计和模具设计中应注意抽芯和冷却的使用,尽量减少壁厚差过大。(6)对常在固定部位出现的气孔,应从模具和设计上改善。3高密度压电铸造技术近年来,人们为了解决压铸件内部存在的气孔和缩孔问题,使之能生产出高强度、高致密性、可焊接、能进行热处理、可扭曲等各种性能的压铸件,在继续完善真空压铸以外又发展了挤压铸造和半固态压铸等新技术,并概括地称之为“高密度压铸法”。3.1压力铸造的定义真空压铸法是将型腔中的气体抽空或部分抽空,降低型腔中的气压,以利于充型和排除合金熔体中的气体,使合金熔体在压力作用下充填型腔,并在压力下凝固而获得致密的压铸件。3.2反应生成固体氧化物压铸件中的气体绝大部分为N2和H2,几乎没有O2,主要原因是O2与活性金属发生反应生成了固体氧化物,这为充氧压铸技术提供了理论基础。充氧压铸是在压铸前将氧气充入型腔,取代其中的空气。当进入型腔时,一部分氧气从排气槽排出,残留的氧与金属液发生反应,生成弥散状的氧化物微粒,在铸型内形成瞬间真空,从而获得无气孔的压铸件。3.3半固体压压法制备全浆料半固态压铸是在液态金属凝固时进行搅拌,在一定冷却速度下获得约50%甚至更高固相组分的浆料,然后通过压铸使浆料成形的技术。目前,半固态压铸有两种工艺:即流变成形工艺和触变成形工艺。前者是将液态金属送入特殊设计的压射成形机筒中,由螺旋装置施加剪切使其冷却成半固态浆料,然后进行压铸。后者是将固态金属粒或碎屑送入螺旋压射成形机中,在加热和受剪切的条件下使半固态金属颗粒经压铸成形。3.4实际生产中的应用挤压压铸又称“液态金属模压”。其铸件致密性好,力学性能高,且无浇冒口。我国一些企业已将其应用于实际生产中。挤压压铸技术具有极好的工艺优势,它不仅能替代传统的压铸、挤压铸造、低压铸造、真空压铸工艺,还能对差压铸造、连铸连锻、半固态流变铸造工艺进行兼容。专家认为,挤压压铸技术是一项前沿性的新技术,横跨多个工艺领域,内涵丰富,创新性强,极具挑战性。3.5电磁除杂系统电磁泵低压铸造是一种新崛起的低压铸造工艺,同气体式低压铸造技术相比,在加压方式方面与其完全不同。其采用非接触式的电磁力直接作用于液态金属,大大降低了由于压缩空气不纯及分压过高所带来的氧化和吸气等问题,实现了铝液的平稳输送和充型,可防止由于紊流造成的二次污染。另外电磁泵系统完全采用计算机数字元控制,工艺执行非常准确、重复性好,使这种工艺在成品率、力学性能、表面质量和金属利用率等方面都具有明显优势。随着研究的不断深入,这项工艺也愈来愈成熟。4本课题中心的实际生产法铝合金圆盘、圆筒压铸件由于其壁厚不均匀,容易产生气孔和