压铸流道设计新技术翻译版

1、压铸流道设计新技术Dayalan Gunasegaram, Michel Giverd, Robert O'Donnell and Barrie Finnin澳大利亚 克莱顿 CSIRO（联邦科学与工业研究组织）制造和材料技术所产生受限流的压铸设计方法可达到节约制造成本，改善产品质量的目的。新型受限流的压铸流道所涵盖的设计准则直接与数十年来的压铸行业从未质疑的一些规则相悖。经验丰富的压铸工能够迅速意识到这种新型流道设计在很多方面区别于传统理念设计。首先，压铸设计准则要求熔体进入浇口时尽可能减少阻力，以便维持足够的动力将熔体射入到具有最小横截面的浇口。其次，传统压铸工认为遵循最小截面的流

2、道扩展将会导致卷气。新型流道设计均与这两种观点相悖。然而与传统压铸设计比较，受限流的设计方法能提高产量，减小气孔，提高机械性能并能在某种程度上减少压铸循环时间。除了主设备外的现有的冷室或热室压铸机都可应用，且使用起来无需任何修改。修理维护简单如今压铸技术面临降低制造成本消耗和提高质量标准的严峻的挑战。减少成本的需求使得压铸对提高产量，减少废品率以及提高产品质量更为敏感。提高质量标准对于压铸镁合金尤为重要，主要原因在于其昂贵的循环回收成本。为了解决这些需求，新型压铸流道设计技术对熔体流动进行压缩处理。如图2所示，采用较薄的且带有缩紧结构的流道对即将进入浇口的熔体进行剪切和加速等预处理。图1 沿流

3、道对熔体进行限制的熔体预处理器图2 左图为新型受限流道设计较细流道可促使熔体压缩，右图为传统流道熔体流过受限流道的最小截面时，在流动方向有很小甚至不存在的扩张。当没有扩张时，通向熔体预处理器的平行端骤然变成更大的流道。多数情况下，新型流道设计的冲头速度要低于使用典型的压铸流道情况，且没有冷运行的危险，并允许熔体以低速通过传统浇口充填铸件型腔。这使得受限流流道不仅可用于更高熔体速度生产高质量铸件，而且在低浇口速度下更好地控制充填界面前沿，获得较好的排气通道。工业测试显示当今使用的几乎所有机器能够将熔体注入很小的截面并成功充满铸件型腔，且使用受限流道的铸件的机械性能得到改善，表明其孔隙率较低。优于

4、商业试验受限流道设计理念建立在几个实际的科学原则上。熔体预处理时获得受限流截面的熔体加速使得金属液流速达到高于5倍的传统压铸浇口速度，促使熔体的剪切和增加湍流。这样的熔体处理使得压铸以低于传统压铸的冲头速度下充填铸件型腔，而且减慢压室的熔体速度有利于改善排气条件。当包含液态合金、预结晶和气体悬浮物的熔体进入流道。如图3所示，液流在熔体预处理器遇到压缩作用，使悬浮物剪切成碎小颗粒。因此，通过新型流道充型可获得细化的微观组织，一般没有粗大的-Al相（图4）。晶粒细化和排列紧密使得易收缩的共晶团更精细和孤立。这些都将帮助改善铸件内部的收缩气孔，更大重复性地改善机械性能。此外，无论是剪切气泡还是收缩改

5、善所形成的细孔，都将改善铸件的X射线质量。图3 受限流道（下方）剪切预结晶和气体悬浮物，细化微观组织图4 左图为受限流的金相组织晶粒较细。右图为传统压铸金相组织晶粒粗大未腐蚀的铝合金100X受限流道除了细化悬浮物，还可以通过增加湍流将易形成缺陷的悬浮物分散均匀。剧烈的湍流产生的强烈的高频碰撞，伴随着增强的动量可以更有效地磨碎悬浮物。易形成缺陷的悬浮物的分散增加提高了铸件的机械性能，改善了试验的可重复性地，遏制了裂纹扩展。测试过程受限流道技术已经在国际上多家压铸企业中得到应用，其中部分已经获得许可生产。表1显示了2006年采用受限流道新工艺生产的12种商业压铸件性能。表中数据显示当采用受限流代替

6、传统压铸时有几种不同尺寸铸件的屈服性能得到很好的改善。编号为5，6和11的三种铸件由于气孔减少质量得到改善，有两种铸件的在废品率上有很显著的改善。编号6的铸件生产率提高了12%，编号11的铸件采用受限流道后的延伸率达到了客户要求，传统压铸流道工艺是不可能的。表1 采用受限流道的商业压铸件的性能编号合金体积模具型腔数压射料质量(g 变化*)良品率(% 改变)废品率(% 改变)关键参数改善情况产率吨 节省气孔率其他1Mg180,00011,060-91071-83-302Mg不可用11,000-81065-81-不可用3Mg350,0002410-31030-45-204Mg80,0001750-

7、68057-67-75AI20,00011,170-1,07057-6340-<126AI30,00011,471-1,14152-655-0.2117AI500,0001595-52053-61-428AI4,000,00041,932-1,63050-60- 3339AI6,000,00081,492-1,15735-46-27710AI不可用13,150-2,90065-70-不可用11AI1,400,00015,900-4,90040-49-1,54312AI500,00024,670-4,50065-75-43* 变化显示了从传统压铸流道设计到受限流的改善效果。 显示铸件有显著

8、性能改善的方面。 压铸循环时间减少4 s（12 %）压铸过程设置窗口扩大。 关键参数延伸率从11%增加到17%。如图5所示，受限流设计概念已经应用到不同合金的各式各样不同尺寸、厚度和形状的压铸件，充分地证明了技术范围和灵活性。采用该技术可生产重量在0.44磅（200g）到11.02磅（5kg）的零件，且铸件都显示了至少一项性能的改善。这也进一步地证实了有着广泛应用领域的新理念。图5 受限流道设计理念可应用到不同合金各种形状的铸件提高产率与传统压铸相比，新工艺的受限流道越小对产量的提高贡献越大。然而，很多情况下采用新型流道可不用溢流槽结构。这大概是由于相关的型腔排气方式和潜在流动条件和充填方式的

9、改善。例如，表1中编号11的铸件节约压射料最多，达2.2磅（1kg）镁合金铸件（编号1-4）的压射料节约的平均百分比为19%，铝合金铸件（编号5-12）为15%。从产品的生产情况来看，编号1-7的铸件每年节约金属2.2至42吨。对于待生产的铸件（编号8-12），熔炼要求有所不同，每年将节约金属94至1540吨。对于制造大体积的铸件，提高产量可以大大降低合金材料、熔炼和处理的成本。镁合金铸件（编号1-4）的生产也可降低回收成本，提高收益。压射料减少，即减少能源的需求，也使压铸操作对环境带来更小的影响，进而减少温室气体的排放。降低气孔率受限流道中气泡的剪切和收缩气孔的细化改善了铸件的X射线质量，原

10、因在于尺寸小于X射线设备分辨率气孔不会出现在影像上。由于新型流道设计采用低的浇口速度，改善型腔排气情况，进而降低总气体含量。采用受限流道设计使得废品率降低，使得原来废品率高达40%，基本无利润的零件（编号5）生产变得有效益。2006年初应用受限流技术生产体积较小的铝合金零件，废品率大大地降低，甚至不足1%。提高生产率较小的受限流道带给模具热量也小，在某些情况下尽可能减少在取件前铸件散热的时间。这对于通常先于浇注系统凝固的薄壁零件特别适用。缩短压铸循环时间，提高了工艺生产率。通过新工艺方法，表1中编号6的铸件的生产率提高到12%。受限流理念的应用使压射料从3.24磅降到2.56磅（），减少了2%

11、。这意味着取件前压铸模具需要散去的热量大大降低了。因此，循环时间也降低了12%。与传统压铸相比，生产中废品率从5%降到0.2%带来的效益可以使产量从52%提高到65%。扩展加工能力受限流道设计的应用提高铸件质量，压铸可能实现以前传统工艺不可能达到的质量规范。最好的案例是编号11的铸件，以前这种大量的压铸生产的特殊铝合金零件经历着显著的废品率，因为30%的铸件达不到客户对延伸率的要求。问题在于铸件内部气孔，压铸工也尝试采用较大的流道，但没有任何改善。随着引入新型流道，减轻了2.2磅，压铸达到了延伸率的要求，而且一致性很好。新型流道设计的废品率预计将接近零。应对更高的熔体速度解决传统工艺的流道中采

12、用较高的熔体速度显得很重要。模具侵蚀、粘模和飞边是压铸迫切关心的问题。下面的讨论将说明受限流道设计理念如何解决这些问题。模具侵蚀在传统压铸的担忧只要源于浇口位置出现的最高的熔体速度导致浇口附近的侵蚀，而且首先接触的区域是型腔表面。相反，采用受限流技术，浇口速度相同或低于传统压铸，所以实际上可能会降低浇口区域和铸件型腔的侵蚀。虽然模具侵蚀还不是应用新型流道设计的商业生产的问题，有些可以预料的随时间变化的侵蚀存在熔体速度最高的受限流道区域。因此，推荐该区域采用可替换插入式流道镶块，比便于修复。另外，许多涂料系统，如碳化钛或钛碳氮化合物，也可以使用。此外也可选择焊接修复流道。粘模在任何试验和生产运行

13、条件下，虽然熔体在受限区域或熔体预处理器中速度最高，但没有观察到粘模现象。如图2所示，可能有助于解释该现象的因素是熔体预处理器的截面尺寸很小，导致熔体预处理器的口径比很大。因此，熔体预处理器周围的模具材料并不会过热而很难和熔体粘合。研究证明合金凝固越快的区域粘模倾向越小。飞边采用受限流道技术很少有飞边，可能由于较低冲头速度使得冲头推进压射时熔体所受的压力峰值减少。这是该设计理念的一个重要依据，有时减少修剪操作可以显著地降低产品生产成本。采用受限流道设计的镁合金方向盘的流道关于作者澳大利亚克莱顿地区联邦科学与工程研究所（CSIRO）Dayalan Gunasegaram高级研究科学家Michel Givord研发工程师Robert