（材料加工工程专业论文）铝合金消失模模具材质及其快速制造工艺的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 一! = = _ 。日= ；一 摘要 消失模铸造( l f c ) 技术是铸造工艺的一个重要发展方向，被誉为2 1 世纪的铸造技 术。本文针对传统的消失模发泡模具制作工艺中存在的模具质量与制造速度、成本之 间的矛盾，开展了消失模模具材料及其快速制作工艺的研究。 通过优化合金成分、严格控制合金熔炼工艺，研制出了种新型铸造铝合金。该 台金具有硬度高、机加工性能好、强度适当、铸造性能好等优点。 研究了该新型铝合金的时效处理工艺，比较了不同时效处理工艺的试样在性能和 组织方面的变化，提出了相对经济有效的时效强化工艺，即时效温度1 8 0 。c ，时效时 间t o h 。经过时效处理后该材料主要力学性能为：布氏硬度1 0 3 h b ，抗拉强度1 8 8 m p a 。 提出了基于数控加工泡沫原型的消失模模具毛坯的快速制造工艺路线，比较了三 种基于泡沫原型的模具毛坯的翻制工艺，指出了水玻璃砂空型铸造工艺为最佳的模具 毛坯工艺。结合自行研制的铝合金材质，实现了多副高质量模具的快速制造。 初步探索了a n s y s 数值分析软件在铝台金消失模模具毛坯凝固过程中的应用，进 行温度场数值模拟，并进行了试验验证，结果表明采用有限元软件a n s y s 对该合金铸 件的凝固过程进行数值模拟是一种行之有效的方法。 关键词：铝含金消失模铸造时效处理 力学性能数值模拟 华中科技大学硕士学位论文 = = 目_ 口_ = a b s t r a c t l o s tf o a mc a s t i n g ( l f c ) p r o c e s si s a n i m p o r t a n t l y e v o l u t i v eo r i e n t a t i o no fc a s t i n g t e c h n o l o g y ，a n di s c a l l e da s f o u n d r yt e c h n o l o g y f o rt h e2 1 “c e n t u r y i nv i e wo ft h e p r o b l e m sd u r i n gq u a l i t y ，p r o d u c t i o nc y c l ea n d c o s ti nm a n u f a c t u r i n gl f cm o l d ，n e wl f c m o l dm a t e r i a la n di t sr a p i dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw a s d e v e l o p e d i nt h i sp a p e r ， an o v e la l u m i n u m a l l o yw a sd e v e l o p e db yo p t i m i z i n gc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，s t r i c t c o n t r o l l i n gt h em e l t i n gp r o c e s s t h ea l l o yh a sm a n ya d v a n t a g e si n c l u d i n gg o o dc a s t i n g b e h a v i o r ，h i g hh a r d n e s s ，g o o dm a c h i n a b i l i t ya n dp r o p e rs t r e n g t h a r t i f i c i a l a g i n g0 nt h e n o v e la 1 一a l l o yw e r es t u d i e d ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t ya n d m i c r o s t r u c t u r eo ft h es a m p l e sw e r ee v a l u a t e du n d e rd i f f e r e n ta r t i f i c i a la g i n gp r o c e s s t h e e c o n o m i ca n de f f e c t i v es t r e n g t h e n i n gp r o c e s sw a sp r o p o s e dt h a tt h ea 西n gt e m p e r a t u r ei s 1 8 0 ( 2a n dt h ea g i n gt i m ei s1 0h o u r s t h em a i nm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h e a l l o yi sh b l 0 3 i nh a r d n e s sa n d18 8 m p ai nu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t h r a p i dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s o fl f cm o l d c a s t i n g b a s e do nn cm a c h i n e df o a m p r o t o t y p ew a sb r o u g h tf o r w a r d t h r e ec a s t i n gt e c h n o l o g yf o rl f cm o l dc a s t i n gb a s e do n f o a m p r o t o t y p ew e r ec o m p a r e d t h e r e s u l ts h o w st h a tt h eb e s tt e c h n o l o g yi ss o d i u ms i l i c a t e s a n db o n d e dm o u l dw i t h o u tf o a mp a t t e r n c o m b i n e dw i t hs e l f - d e v e l o p e da i a l l o ym o l d m a t e r i a l ，r a p i dm a n u f a c t u r i n go f m a n yh i g hq u a l i t yl f cm o l dw a s a c h i e v e d t h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st ot h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so f a i a l l o yl f cm o l dc a s t i n gw a sp r e s e n t e dp f i m a r i l y t h es i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l d w a sc a r r i e do u t ，a n da c t u a lc a s tt e s t sw e r ed o n et ov a l i d a t e t h er e s u l ts h o w s _ c h a tt h e s i m u l a t i o no fc a s t i n gs o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s f o rt h e a l l o yb yt h e a n s y si sa ne f f e c t i v e m e t h o d k e y w o r d s ：a l u m i n u m - a l l o y l o s tf o a m c a s t i n g a r t i f i c i a la g i n gm e c h a n i c a l p r o p e r t y n u m e r i c a ls i m u l a t i 0 1 2 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：傀小青 日期：p 口女年争月i ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 联d 喃 目期：p 弗年乒月巧e t 逊咖 弓” 名年 臌衅 教 导朗指目 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 消失模铸造是一种近无余量、精确成形的新型铸造技术【“。近年来，随着消失模 铸造中的关键技术不断取得突破，其应用的增长速度加快，据有关资料报导，消失模 铸造在北美的年增长率达2 0 。消失模铸造在我国的较广泛的生产应用和快速发展是 在上世纪9 0 年代中后期，在不到l o 年的时间，建成了数百家消失模铸造工厂，铸件的 产量从几百吨猛增到2 0 0 1 年的6 8 0 0 0 吨，而且有部分铸件还出口到国夕卜。 消失模铸造工艺中，发泡模具是至关重要的环节之一，是获得高质量的泡沫模样 和消失模铸件的基础。为了满足泡沫成型时快速加热和快速冷却的工艺要求，消失模 铸造发泡模具一般采用薄壳随形结构和铝合金材质。对于质量要求很高、铸件批量很 大的消失模模具，如缸体、缸盖、进排气管、变速箱体等，一般采用锻铝材质，其型 腔壁厚控制在7 l o m m ，型腔正反面均需数控加工，其制造周期长、模具成本高，模 具质量高。而对于质量要求稍低、铸件批量相对较小的模具则采用铸铝毛坯，一般选 用z l l 0 1 、z l l 0 4 、z l l 0 8 等。其型腔壁厚控制在l o 1 2 m m ，制造工艺主要有木模翻 制和数控加工两种，模具制造周期较短、成本低。但是模具表观质量差、内部不致密， 使用寿命短。随着市场竞争的日趋激烈，生产厂家对模具的制造周期和质量都提出了 更高的要求。因此，研究开发一种适用于消失模模具的新型铝合金材料和相关的消失 模模具的快速制作工艺，在保证模具质量的前提下进步缩短制造周期、降低制造成 本，具有重大的理论意义和实际应用价值。 1 2 课题的发展、应用与研究概况 1 2 1 消失模铸造概述 消失模铸造( 又名实型铸造、气化模铸造) 由美国人h f s h r o y e r 于1 9 5 6 年发 明，1 9 5 8 年以专利形式公诸于世，到上世纪8 0 年代初专利期满时，消失模技术获得 了大规模的工业应用。上世纪8 0 年代初福特汽车公司率先在e s s e x 工厂建成了年产 2 5 0 0 0 只铝合金进气歧管的消失模铸造中间试验装置，获得成功后，立即于1 9 8 4 年耗 资1 i 0 0 万美元建立了年产i 0 0 万只铝合金进气歧管的高度自动化生产线，生产率达、 1 8 0 型4 , 时，揭开了消失模铸造在先进工业国家飞速发展的序幕。1 9 9 0 年通用汽车公 司在s a t u r n 建成1 0 万平方米，年产铸件5 5 万吨的新铸造厂，其中有三条全自动的 消失模铸造生产线，一线生产3 1 9 a i 四缸缸体，二线生产两种型号的3 1 9 a i 汽缸盖， 三线生产珠光体球铁、曲轴和两种型号的传动差动壳体，使消失模铸造技术达到新的 高度，进一步显示了消失模铸造技术的巨大优越性l z 】。 我国的消失模铸造技术首先是由乡镇企业，中小型铸造厂配件厂带头发展起来的， 他们发现消失模铸造不但技术先进，投资少，见效快，而且不需要用非常熟练的技工 就可以生产出近无余量的精密铸件，甚至还可以满足出口的要求，于是一大批1 0 0 0 3 0 0 0 吨年的小型消失模铸造工厂像雨后春笋般地建成投产。在他们的带动下，也有 一些国营大型主机制造厂引进较先进的消失模铸造设备和技术，建成了相当规模的生 产线，如第一汽车轻型发动机厂、合力叉车集团铸锻厂、赤峰富龙集团铸业有限公司 等。 消失模铸造作为被铸造专家看好的面向2 l 世纪的铸造新技术，方面除了要满足 获得近终形铸造的要求，另一方面要减少对环境的污染，真正做到清洁生产。消失模 铸造之所以获得专家的美誉，是因为它有如下几个优点： 1 ) 铸件一次成型，尽寸精度高。由于采用极易气化的泡沫塑料作模型，浇铸前无 需取出造型模具，无分型面，无芯子，因此产品无飞边毛刺，无拔模斜度，减少了由 于型芯块组合而造成的尺寸误差，产品的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模精密铸造。 同时，因为采用干砂造型，根除了由于型砂中的水、粘结剂、附加物带来的缺陷，铸 件废品率显著下降。此外这种新工艺对操作工人的技术水平要求不高，对铸造行业有 着巨大的吸引力。 2 ) 可以大大改善铸造车间的环境条件，容易实现无污染生产。低温下聚苯乙烯 ( e p s ) 对环境完全无害，浇注时排除的有机物量极少，同时e p s 产生有机物的时间短， 易于收集，可以通过对砂箱抽真空进行集中处理，实现对环境的无公害排放。 3 ) 铸件形状、结构不受限制，为制品设计提供了充分的自由度。原先由多个零件 加工组装的构件，可以通过分片制模然后粘合的办法进行整体浇铸；原先需要加工形 成的孔、洞可以直接铸出，这就大大减少了加工装配的工时和费用。 1 4 ) 生产制造成本低，设备投资小。由于气化模的制作成本低( 仅为木模价格的 1 3 ) ，材料来源广泛，所需的成形设备少，投资小。一般说来采用e p s 技术，设备投 资可减少3 0 5 0 ，铸件成本可下降2 0 3 0 。 消失模铸造工艺的关键技术主要有模样、涂料以及制模工艺等，其中模样是至关 重要的环节之一，而发泡模具又是获得高质量的泡沫模样和消失模铸件的基础。对于 质量要求很高、铸件批量很大的消失模模具，如缸体、缸盖、进排气管、变速箱体等， 般采用锻铝材质，型腔正反面均需数控加工，模具的内部质量好、轮廓清晰、表面 光亮，但是其制造周期过长、模具成本偏高，对于中小型企业难以承受。对于质量要 求稍低、铸件批量相对较小的模具则采用铸铝毛坯，制造工艺主要采用木模翻制或结 合数控加工，模具制造周期较短、成本低，但是由于常用铸铝材料的强度低，硬度低 热稳定性和耐磨性都较差，铝铸件内部经常出现孔洞和针孔，造成模具表面质量差， 使用寿命短，模具的制作周期相对较长。 为了进一步提高模具的制作速度，文献 3 所提及的基于l o m 原型转移涂料法金属 模具快速制造工艺路线如图1 一l 所示。在l o m 模上直接喷涂自硬转移涂料，然后填水 玻璃砂并紧实，吹入二氧化碳使水玻璃砂硬化，2 小时后可脱模。从产品二维图纸到 最后制出金属模具需要两周的时间。由于l o m 模制作精度和成本、时间的影响，该工 艺制作的金属模具精度不高，而且制作成本较高。为了适应市场竞争的要求，在保证 消失模模具质量的同时，如何进一步提高模具的制造效率，就成为当前消失模模具研 究的焦点之一。 牟 品 二 维 图 纸 产 品 三 维 造 型 模 具 三 维 设 计 输 出 譬 一 文 件 快 速 原 型 制 造 看睾檄胶樽 转 移 涂 料 翻 制 图1 - 1 基于l o m 原型转移涂料法金属模具快速制造工艺路线 金 属 模 具 3 华中科技大学硕士学位论文 ；g # = = ；一 1 2 2 铝合金的研究现状 铝的密度是铁的z 3 ，其导热率比铁高3 倍，仅次于铜，具有良好的导热、导电 性能。铝的机加工性能比铁高4 ，5 倍，其表面自然形成氧化膜具有较好的耐蚀性。铝 的铸造工艺性能也较好，即容易获得薄壁且形状复杂的铸件【4 】i 圳。因此，铝合金是主 要的消失模模具材料。 1 2 2 1 常用铸造铝合金 常用的铸造铝合金材料成分见袁1 - 1 4 l 所示： 表卜l 常用铝台金材料成分 合金主要合金元素性能( t 4 ，s ) 代号 k lz nc us im gt ic d船 强度延伸率 z l l 0 1其余6 o 一8 00 2 0 45 01 8 2 4 z l l 0 2其余 1 0 0 一1 3 05 0 1 5 34 z l 2 0 1其余4 ，5 5 30 0 20 1 5 0 3 59 03 3 34 z l 4 0 2其余5 0 7 00 3 - 0 80 i - 0 40 3 0 87 02 2 24 铝硅合金( l i o i 、z l l 0 2 ) 的铸造性能好，铸件比较致密。但是硬度低，强度也低， 作为消失模模具材料其加工性能和表面光亮性都不令人满意。该系列合金主要用来铸 造形状复杂、耐腐蚀及气密性高的零件。 铝镁合金( z l 3 0 1 、z t 3 0 2 ) 的铸造性能较好，具有良好的切削加工性能，工件的表 面光洁程度高。该系列合金主要用来铸造耐腐蚀且形状比较简单的零件。 铝铜合金( z l 2 0 1 、z l 2 0 2 ) 的硬度高、强度也高，作模具材料的机加工性能好，表 面光亮。但是该类合金的铸造性能差，有很多的缩松，使得铸件不致密。该系列合金 主要用于在较高温度下工作的结构比较简单的零件。 铝锌合金( z l 4 0 1 、z t 4 0 2 ) 的硬度高，强度也高，流动性和气密性好，在铸态经时 效后即可获得较高的机械性能，具有良好的切削加工性能，主要用于生产形状复杂， 承受较高载荷且耐腐蚀的零件。 消失模模具在泡沫模成型过程中承受的冲击和摩擦力都很小，但是其表面质量要 求很高，因此要求模具材料有较高的硬度和基本的强度；同时，泡沫珠粒发泡过程中， 4 要求模具能够快速加热和快速冷却能力，所以消失模模具一般都要采取薄壳随形的结 构，要求模具材料有良好的铸造性能和加工性能。综合这些要求，以上所列常用铝合 金牌号都无法同时得到满足，因此研究一种具有较高硬度和加工性能、又具有较好的 耐蚀性和铸造性能的消失模模具铝合金材料就显得十分必要。 1 2 2 2 台金的处理工艺 合金的处理工艺主要包括净化处理、变质处理、细化处理等等。铝熔体的净化处 理一直是研究的热点，但其仅是铝熔体处理的一个重要方面。一些研究者对此已进行 了较系统的探讨，研究开发出高效变质添加剂及晶粒细化剂；同时对净化、变质及晶 粒细化三种处理之间的内在联系与规律也进行了探讨分析，并首次提出了“净化是铝 熔体处理的关键，是变质和细化的基础”的熔体处理原则，据此还获得了高效铝熔体 综合处理技术，显著提高了铝材的冶金质量和性能 i ”。 a 净化处理 1 ) 净化处理的理论基础 铝及其合金是受杂气污染最为严重的合金之一，这主要由其本身的特性所决定。 铝熔体的纯净度主要由溶解的氢和非金属夹杂所决定。氢是唯一大量溶于铝熔体的气 体。氢几乎不溶于固态铝，而在液态铝中的溶解度却很大，并随温度的升高而增大。 氢在铝液相及固相中的溶解度分别为0 6 5 c m 3 l o o g a l 和0 0 3 4 c m 3 1 0 0 9 a 1 18 1 ，即氢 在液固两相的溶解度相差约1 9 1 倍，铝液中正常氢含量约为0 1 0 0 4 0 c m 3 l o o g a l 。 因此铸造铝合金容易出现针孔缺陷。 经过许多铸造工作者多年的研究和实践认为：铝中的氢主要来源于铝液与水汽的 反应。经推算分析得出铝液中气体的分压之比值为：p h z p h 2 0 = 7 3 x1 0 1 4 ( 5 1 ，可见即使 p h 2 0 很微小，平衡的p 咖也可以达到很高值。当t = 7 2 7 时，极微小的p h 2 0 = 2 5 9 x1 0 2 0 p a ( 干空气条件) 也能与铝液发生反应，说明任何虽经烘干的工具、熔剂等，对铝液 均是潮湿的，还会使之吸氢。铝表面氧化膜厚约为2 l o n m ，接近熔点时增至2 0 0 n m ， 液面上的氧化膜不仅更厚，而且结构也变了：面向铝液的一侧是致密的，对铝液有保 护作用：但外侧则是疏松的，内有书5 1 0 h m 的小孔，并被氢、空气、水汽所充满， 据测含有1 2 的水汽。如果将液膜搅入铝液内部，不仅使铝液增杂也增气胤7 】聊。 华中科技大学硕士学位论文 ；= = ；= = = = = = # = = = 口= = 。 由此看出，铝受杂气污染是严重的，杂气的存在是不可避免的。 自上世纪6 0 年代以来，人们就发现：铝液中的含氢量受夹杂含量的影响很大，当 夹杂含量为o 0 0 2 和0 0 2 时，相应氢含量分别为0 2 e m 3 l o o g a l 和 0 3 5 c m 3 l o o g a l l 9 】。在含氢量相同的条件下，夹杂含量越高，针孔率也越高；同时， 即使在氢浓度较低时，针孑l 率仍很高，而且采用一般方法很难除净。相反，当铝液中 夹杂含量很低时，含氢量也低，即使人为地向铝液中通入氢，也会自动脱出，很快恢 复到原来的含量。例如在高纯铝中含氢量高达0 4 c m 3 l o o g a l 时，才会出现气孔：而 在工业纯铝中含氢仅有0 1 c m 3 l o o g a l 时，就会出现气孔。当夹杂含量 o 0 0 1 ，即 使含氢量达到0 3 c m 3 l o o g h l ，也不会出现针孔 8 1 们。 由此可见，铝熔体中的氢与夹杂存在着某种共生存的相互作用关系，影响铝中气 孔形成的主导因素是夹杂物，只有重视排杂净化，才可保证铝液质量。 2 ) 净化处理技术的发展现状 由于氢和夹杂物的存在给铝及其合金的性能带来直接或间接的危害。因此，提高 铝熔体纯净度水平已成为生产高质量铝材的关键，促进了近年来铝熔体净化处理技术 的不断发展【9 】( 1 ”。 铝熔体的净化方法种类很多，按其净化机理可分为三类：吸附净化、物理净化( 非 吸附净化) 、过滤净化。对于每种净化工艺，其除氢和排杂作用往往兼而有之，但又各 有侧重。铝熔体的净化处理技术主要是指除氢技术和排杂技术。 若从气泡浮游法除氢的角度分析，根据f i c k 定律可推导出铝液的除氢速度的数学 表达式为： l n ( c m - c m s ) ( c m o c m s ) = 一( a v ) k t( 卜1 ) 式中c m 一时间为t 时铝液内部的氢浓度；c m o - 铝液内部的原始氢浓度：c m s - 气一液界 面处氨浓度( 视为常数) ；v 、a - 铝液的体积( e r a 3 ) 、气泡表面积( e r a 2 ) ：k - 传质系数 ( c m s ) 。 根据有效边界层理论及表面更新理论可得出： k 2 2 ( d v b d b ) 1 2( 卜2 ) d - 氢在液相中的扩散系数，v b 一净化气泡上升速度，d b 一净化气泡直径。 6 在铝液熔炼工艺条件一定的情况下，除氢净化的热力学条件即已确定，为获得最1 佳的除氢效率，必须从改善其除氢的动力学条件入手。因此，据以上公式可得出提高 除氢速度和效率的三大主要途径： ( 1 ) 尽可能增加净化气泡数目，以增加铝液与气泡两相间的有效接触的比表面积， 即增大( a v ) 值； ( 2 ) 尽可能减小净化气泡直径( d b ) ，并在不导致铝液面飞溅的前提下设法增大净化 气泡在铝液内的运动速度( v b ) ，以增大搅动强度，强化气液表面更新，提高其传质能 力，即增大k 值： ( 3 ) 尽可能延长净化气泡在铝液中浮游的路程，以增加气泡在铝液中的停留时间， 即增加气泡处理铝液的时间t ，从而提高除氢效率。 在以往的除氢净化技术的研究和开发中，实际上都是围绕着以上三条途径进行的， 在改善传统的炉内除气净化方法的同时，还开发出一些较先进的炉外在线式除氢净化 新技术，尤其是在净化气泡引入方式上，已从原始的单管喷吹到多孔吹头，发展到目 前的旋转喷头。旋转喷头被认为是目前最先进和有效的气体导八方法，所采用的装置 着重使用净化的气体在净化容器内的熔体中形成均匀、细密的气泡，并使通过容器的 熔体尽可能多地受到净化气体的吹洗，从而明显提高除氢净化效率和生产率。 上世纪7 0 年代以来，采用旋转喷头吹气体熔剂的方法已成为国外先进的铝液净化 技术的重要发展趋势【1 2 】。如美国联合碳化物公司研制的s n i f 法，法国p e c h i n e y 公司 的a l p u r 法，都是典型的旋转喷头净化铝液的新工艺技术，已获得推广应用，且近年 已引进我国。目前常用的气体溶剂是氩气，氩气净化的原理是靠旋转产生的许多细小 的氩气泡吸附铝液中的氢，而使得铝液脱氢净化。其气泡小而多，因此净化效果好； 比熔剂净化的针孑l 度提高一级以上：氩气净化不会带来熔渣，因此不会产生二次杂质 污染，对于杂质要求低的合金很有优势；氢气净化成本低，一般净化3 0 0 k g 铝液仅消 耗0 i m 3 的氨气；无环境污染，工人劳动强度低。 除氢净化的方法还有很多，如真空处理法、超声波处理法、直流电法、压力结晶 法、化合脱气法等等，尤其是化合脱气法( 化学固氢方法) 近来已受到人们的普遍重视。 值得指出的是，稀土具有明显的化合脱氢作用，可望发展成一类新型除气剂f 】3 】。 华中科技大学硕- i - 学位论文 从目前铝熔体净化处理技术的现状看，已做了大量的工作，获得了一些较先进的 净化方法与装置，对熔体净化技术的发展起了推动作用。但是在这些方法中，大多数 是从除氢净化角度出发进行设计的( 即以除氢净化为主) ，其除氢效率虽较明显，但对 一些纯净度水平要求很高的高技术制品，若要进一步提高除氢效率，则受到一定程度 的限制。据报道，目前国内除气的先进水平仅能达到0 1 2 o 1 5 m l l o o g a l ( 一般在 0 ，1 5 0 2 m l l o o g a l 范围内) ，国外则可达0 0 8 o ，l o m l l o o g a l 。 氢在铝合金中溶解析出过程及作用机理，许多学者已进行了大量研究，测试出不 同温度下，氢在铝液中的溶解度，并推导出氢在铝液中溶解度算式，研究了铝液中气 体的行为及其对铝件针i l 形成的影响。然而，针对铝液中的夹杂物的研究却很少。铝 液中夹杂物的含量是其液态质量的重要标志之一。铝液中非金属夹杂物的含量，通常 占铝液体积的0 0 0 5 0 0 0 2 ，尺寸一般在5 0 微米以下。夹杂物的存在，一方面降低 了铸件的机械性能，使得抗拉强度、延伸率大幅度降低。另一方面它还与铝液中的氢 相互作用。铝液中的夹杂物对氢具有较强的吸附作用。此外铝液中的夹杂物还是氢的 良好载体，加剧铝液吸氢。在凝固过程中，夹杂物还是氢析出的核心，大大降低了氢 析出的自由能，使铸件针孔增多。铝液中的夹杂物，一般来源于熔化过程中金属的氧 化、铝液与炉衬之间的反应及各种添加剂1 2 】【】5 】【1 6 】f 1 7 1 。 在以除杂为主的净化方法中，过滤法一般是在除气后浇注前进行的( 如过滤网安放 在浇口或流槽等处) ，其除杂机理主要是机械的和物理的作用，对悬浮在熔体中微细夹 杂的排除作用并不显著，并且该法难以实现先排杂后除气的原则；而熔剂法对排杂有 良好作用，但其排杂效果很大程度上取决于熔剂本身特性及净化工艺条件，传统的处 理法是压入法或覆盖法，净化工艺条件差，易造成“死角”，难以发挥熔剂的作用。尽 管目前已出现喷射熔剂法，明显改善了净化工艺条件，但是需专用设备，增加了成本， 实际生产中的工艺控制也不稳定。 根据对铝熔体中夹杂物与氢的相互作用关系等的分析研究结果，文献 1 3 认为， 目前应突破传统的以除氢为主的净化思路，采取“排杂是除气的基础，排杂为主、除 气为辅”的净化原则，并要避免片面追求低氢含量的倾向，才有利于开发研制更为有 效的铝液净化新技术。 b 变质处理 变质处理主要是针对a l s i 合金，其原理是采用锶或钠盐等变质剂，使合金凝固 时形成极细的共晶a 1 s i 相，以达到提高其力学性能，尤其是伸长率的目的。常用的 变质剂主要有三元盐和铝锶合金，其性能如表l 一2 所示。三元盐( n a f + n a c l + k c l 或 n a 2 a 1 f 6 ) 是最早使用的变质剂，变质效果较好，但失效快。上世纪7 0 年代中期开始出 现键变质工艺，锶变质具有长效性和重熔性较好，不污染环境等优点。为此，几年来 国内许多单位投入很大力量，研究锶变质铝硅合金生产工艺【1 8 】【1 9 】1 2 0 】。 表i 2 三元盐与a l s r 变质齐u 变质效果比较 名称操作条件变质效果环境污染状况设备腐蚀情况劳动强度 工艺参数多；失效快； 有烟尘气味：腐蚀设备； 三元盐操作复杂；不易保证：大 造渣吸气。坩埚难以清理。 不易控制。不易控制。 工艺参数少；长效； 无烟尘气味：不腐蚀设备； a i 尸s r操作简单：稳定：小 不造渣。不挂渍坩埚。 易控制。易控制。 锶为碱土族金属元素，化学性质活泼，在空气中易与氧或水反应，立即在其表面 生成s r 0 和s r ( o h ) 2 淡灰色粉末。表1 3 给出了锶的一些冶金参数。图1 2 为a 1 s r 二 元相图，锶在铝中溶解度甚微，铝和锶组成三种金属间化台物，即a i s r 、a 1 2 s r 和 a 1 4 s r 。a i s r 系中存在两个低熔点共晶组织，其一为a i s r 与s r 组成的共晶体，锶量 为9 0 ，共晶温度约为5 8 54 c ，增加或降低锶量皆引起a 1 s r 体系液相线温度急剧升 高；a h s r 与a l 组成另一组共晶体，锶量为3 2 ，共晶温度为6 5 4 4 c 。 表1 - 3 锶的一些基本物理参数 密度熔点沸点 比热容熔化热热导率 晶体 ( g c = 3 )( )( ) ( j ( k g c ) )( j g )( w ( c ) ) 结构 2 6 7 6 71 3 8 40 7 3 6 1 0 4 60 8 3 7 面心立方 在未变质时，硅相呈粗大针、片状并有少量块状初生硅，铝枝晶也十分粗大。加 华中科技大学硕士学位论文 锶变质后，铝相得到细化，硅相由针、片状转变成纤维状，当锶量增至0 0 0 3 时，铝 枝晶显著细化，部分硅相已呈纤维状，但仍有相当数量的细针棒状硅相；锶含量达到 0 0 0 4 的合金，显微组织出现突变，硅相都呈纤维状，铝枝晶进一步细化，可以认为 0 0 0 4 为锶变质临界值。当锶量升至o 0 0 5 0 0 0 7 时，铝枝晶和硅相最细小，分布 均匀，是最佳锶量范围，此时，合金呈淡灰色，断口呈凹凸不平丝绒状。锶量超过0 0 0 9 以后，铝枝晶又开始粗化，并出现细棒状硅相，此时，断口晶粒粗大，即呈现出过变 质现象。 缸w ”) 图1 2a 卜s r 二元相图 c 晶粒细化 晶粒细化是通过控制晶体的形核和长大来实现的。文献 2 2 】对晶粒细化的定义为： 晶粒细化就是改变晶核的数量或晶体生长线速度的处理，在一般情况下应理解为在少 数添加剂的作用下和快速凝固及各种物理作用下金属或合金组织分散度的提高。这一 定义确切地反映了形核和晶体长大在晶粒细化过程中的关键作用。鉴于此，可以寻求 两方面的途径获得晶粒细化效果，即内生法和外生法。内生法就是通过外加振动、磁 场、热温等作用，使合金液在内部迅速产生大量的有效形核；外生法就是通过在熔体 中加入某种细化荆，获取巨大数量的有效生核核心，达到细化晶粒的作用。 早在上世纪6 0 年代初，国外就着手对铝及其合金的晶粒细化技术进行了研究和开 发。研究比较多也比较成熟的是外生法，内生法也达到了定的水平。我国把晶粒细 化剂的研究作为“六五”重大课题，上世纪8 0 年代末加快其研究速度和力度。进入上 世纪9 0 年代，我国铝工业企业已广泛使用晶粒细化剂。经过多年的研制，国内生产的 晶粒细化剂也占据一定的市场。 晶粒细化主要针对初晶口一a 1 。未细化时，初晶口一a 1 呈粗大树枝状。这也使合金 的力学性能下降。晶粒细化通常指【占! 合金熔体中加入一定量的含t i 、b 、z r 等的中间 合金和熔剂，使初晶a 。a 1 由粗大树枝晶变成细小等轴晶。 基于晶粒细化对提高强度和韧性的显著效果，特别重视合金的晶粒细化，采取了 多种措施，确保得到尽可能细的微观组织。 d 时效处理【4 1 【2 3 1 畔1 【2 5 1 大部分铝合金铸件都在热处理后使用，其目的是：铝合金铸件在铸造之后存在着 一定的残留铸造应力，它不但减少零件承载能力，还能引起零件变形，为消除这部分 应力，铸件必须进行热处理；铝合金在铸造条件下结晶，常常偏离平衡状态，铸造本 身保留有不稳定相。在以后使用过程中，外界条件可能促使不稳定状态转变，这样就 会使零件尺寸发生变化，为避免零件尺寸变化，要预先对铸造进行热处理，使那部分 不稳定组织转化为稳定组织；有些铝合金在铸造过程中获得的铸态组织不理想，机械 性能不高。通过热处理方法改变为新的组织，从而使性能得到提高；有时为了改善成 分偏析也要进行热处理。因化学成分不同，各类铝合金具有各自不同的热处理特点， 不同的合金具有不同的强化相，针对铝一锌系、铝一铜系合金，由于在铸造过程形成粗 大的晶粒组织，需要进行较长时间的固溶化处理和时效处理。 人工时效是最常见的铝一锌系合金热处理工艺，其原理是以合金组元或金属间化合 物在铝的固溶体中溶解度的变化为基础，通过加热保温，使过饱和固溶体的分解脱溶， 实现由不稳定状态向稳定状态过渡的过程。其时效温度和保温时间一方面取决于固溶 体的过饱和程度，另一方面还与对铸件的技术要求有关。 综上所述，优化合金的化学成分、结合合理的净化、变质、细化和时效处理工艺， 是获得良好品质铸铝件的基础。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容和目标 本文针对传统的消失模模具制作工艺中存在的模具质量与制造速度、成本之间的 矛盾问题，开展有关新型消失模模具材料和快速制作工艺的研究，主要研究内容如下： a ) 研制一种新型的适合于制作消失模模具的铸造铝合金材料，其性能特征为：铸 造性能好、硬度高、机加工性能好、强度适当。并提出与之相配套的熔体净化、变质、 细化及时效热处理工艺，以进一步提高模具材质的强度和硬度，从而延长模具的使用 寿命。 b ) 研究基于泡沫数控加工原型的铝合金消失模模具的快速制作工艺，将泡沫原型 的快速制作与数控加工相结合，探讨最快捷安全的模具毛坯翻制工艺，在保证模具毛 坯质量的基础上达到缩短模具制作周期的目的。 c ) 尝试将a n s y s 软件引入到铝合金消失模模具的翻制过程，进行有关铝合金凝固 过程数值模拟方面的探索，为下步的模具及铸件的数值模拟打下基础。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 釜= = 。5 。4 2 新型消失模模具用铝合金材质的研制 针对传统的消失模模具铸造铝合金材料普遍存在的硬度低、寿命短等问题，本章 将系统研究一种新型的消失模模具专用的铝合盒材料以及与之相配套的铝合金处理工 艺。 2 1 模具用新型铝合金的基本成分研究 如前所述，目前市场上的常用铝合金牌号都无法同时得到满足消失模铸造发泡模 具的需要，因此研究一种具有较高硬度和加工性能、又具有较好的耐蚀性和铸造性能 的消失模模具铝合金材料就显得十分必要。考虑到a 卜z n 系高强铝合金是迄今为止铝 合金中性能最好和实践使用最多的一组合金，因此我们选择该合金体系作为该消失模 模具材料的基本成分，在此基础上添加一定量的c u 、s i 、m g 元素，通过确定各个成分 的最佳配比，以求达到显著提高机械性能、又具有良好铸造性能的目的。 2 1 1 新型铝合金合金成分设计 铝合金材料中合金元素的种类及含量直接影响模具材料的性能，在设计消失模模 具所用的铝合金成分时主要考虑了锌、铜、镁、硅等元素。 锌是该新型铝合金中的主要强化元素，在合金中z n 、用量适当将形成 r ( m 勖a 1 2 z n 3 ) 和玎( m g z n , 2 ) 等化合物，它们都是合金的强化相，可全部溶入口相，起 到强化作用。该合金的抗冲击和抗应力腐蚀性能均较好，切削加工性能也较好，可以 获得光洁度很高的零件。初步选取z n 在3 o 7 5 范围内进行试验研究。 铜作为主要元素加入该新型模具用铝合金中，可以提高合金的抗拉强度、硬度及 耐磨性，改善高温性能，还可以防止晶间腐蚀。同时，也有利于材料的机加工。在 a l z n c u 三元合金中，随着铜含量的增加，力学性能显著提高，但是过量的铜也会给 性能带来不利的影响会降低铝合金的塑性和流动性。而且铜过高时时效产生的变形 对铝合金铸件尺寸有较大的影响。c u 和a l 形成0 l c u a l 2 ) 相起固溶强化和弥散硬化作 用。初步选取c u 在1 0 4 o 范围内进行试验研究。 】3 华中科技大学硕士学位论文 硅在该合金组织中的作用很明显，硅与铝形成大量共晶，因此能改善合金的铸造 性能。硅在铝中的溶解度很小，共晶温度下为1 6 5 ，而室温时仅为0 0 5 。铝基体 中溶解少量的硅不仅降低台金的抗腐蚀性能，而且粗化合金晶粒，但是硅含量超过 0 3 时，随着硅含量的增加晶粒反而逐渐细化，抗腐蚀性能也有所改善。初步选取s i 在1 0 7 0 范围内波动。 镁在铝合金中的溶解度很小，一般不会超过0 0 2 。镁可以单独加入形成二元 a l - * i g 合金，也可以与其他元素一同加入。在a i z n 合金中加入镁，形成a l z n m g 台金 系列。在a 1 一s i 系合金中m g 能提高强度，但使伸长率下洋2 3 1 。初步选取m g 的范围为 o 1 0 。 基本成分的确定主要是指确定锌、铜、硅、镁的含量。由于锌、铜和硅是该合金 中的主要合金化元素，对机械性能的影响显著，所以试验的目的主要是确定锌、铜和 硅的含量。 2 1 2 试验方法 试验所用材料为高纯铝、纯z n 、纯m g 、a 1 c u 中间合金和a 1 s i 中间合金。合金 熔炼使用1 2 4 石墨坩埚在5 k w 电阻炉中进行，试棒采用金属型浇注，时效处理在3 k w 马沸炉中进行，合金熔化后进行吹氩气精炼，然后加入a 1 s r 中间合金进行变质，加 入a l t i b 进行细化。 试验中考察的主要机械性能指标为：抗拉强度和布氏硬度。铝合金的强度以金属 型浇注的1 6 试样加工成标准1 2 抗拉试样 2 刁在w d w i o o e 电子万能试验机测定。硬度 试样为1 6 试样两端磨平并经初步抛光，测试仪器为h b s o o a 布氏硬度测试仪。金相在 p e m 金相显微镜上进行，电镜实验在h i t a c h i h 8 0 0 扫描电子显微镜上进行。 熔化工艺为：首先采用氧化锌+ 适量水玻璃+ 适量水配成涂料，所有熔炼工具均 于2 0 0 3 0 0 刷上涂料并烘干，避免铝合金在熔炼过程中增加不必要的吸气。然后将 石墨坩埚预热到暗红色，然后把经预热后的铝锭放入坩埚中熔化，待加入料全部熔化 后，再加入a 1 一c u 、a 1 一s i 等中间台金，最后加入纯z n 和纯m g ，完全熔化后进行搅拌。 1 ) 铝合金的精炼处理 1 4 在本课题的研究过程中，使用的是多孔头吹气法精炼，在石墨棒( 如图2 - 1 所示) 上钻有很多小孔，与不锈钢管相接，使精炼气体通过石墨棒喷出，产生大量的细小分 散的气泡，并通过对石墨棒的搅动，使气泡均匀并分散到整个熔池中，从而获得较好 的精炼效果。透过石墨棒，由于气泡小，与铝液接触时间长，精炼效果明显优于单管 吹气法【9 】f 1 0 】。 氨气精炼工艺过程：精炼前，把浸入铝液的多孔吹头的钢管部分插入石墨棒，然 后刷上一层涂料( 配方见表2 - 1 所示) ，厚度为0 5 r a t a 左右，并预热烘干。铝合金熔体 温度达到7 2 0 7 3 0 时开始精炼处理。 表2 - 1 试验用涂料配比 赢p 组元 z n o ( ) 水玻璃( )水( ) 工具涂料 2 3 2 52 5 7 0 7 5 试验中所用装置如图2 2 所示，首先打开氩气瓶开关，调整减压阀及流量计，使 压力稳定为0 0 2 0 0 3 m p a ，氩气流量为0 2 0 3 m 3 1 1 。通氩压力及流量大小由熔炼 所用坩埚大小决定，一般以金属液面有气体沸腾而液面氧化膜不破裂为宜。铝液在精 炼过程中应尽量避免翻腾，也不能乱搅，保持液面静止。当需要搅拌时，应该将搅拌 工具深入到液态金属下部，慢慢的沿坩埚底部轻轻搅动，使坩埚下部的铝液不要翻腾 到液面上方，否则铝液质量将受到极大影响。 用惰性气体氩气对铝合金熔体进行精炼，一方面可以除去周围熔体中的氢气，同 时还可以将氧化夹杂物带出到熔体表面，达到去杂目的。每炉通氩气两次，第一次 1 5 m i n ，第二次5 m i n ，可以有效地去除氢气。当两次精炼结束后，将铝熔体静置段 时涮再进行浇注，由于夹杂物的密度比铝熔体的大，所以夹杂物会自发下沉，从而达 到从熔体中分离的目的。 2 ) 细化处理 铝熔体的细化处理主要是使铝液在结晶过程中产生大量的有效核心，并使晶粒依 核生长，从而获得晶粒细化效果。鉴于此，我们在熔体达到一定温度时往其中加入细 化剂a 1 t i b ，达到细化晶粒