铝-硅合金砂型铸件改为压铸生产的工艺改进_图文

1、收稿日期 :2006-07-08作者简介 :王明杰 (1972- , 男 , 山西万县人 , 硕士 , 讲师 。 研究方向 :工程材料与模具设计 。铝 -硅合金砂型铸件改为压铸生产的工艺改进王明杰(福建工程学院 机电及自动化工程系 , 福建 福州 , 350014摘要 :通过一个铝 -硅合金端盖压铸件设计实例 , 探讨了铝 -硅合 金砂型 铸件改 为压铸 生产时 , 要在 合金化 学成分、 熔 炼工艺和铸件 的工艺性能等方面 , 根 据压铸 工艺 的特点 对铸 件整 个生产 工艺 进行改 进 , 以满 足压铸 生产 的特 殊要 求。压铸铝 -硅合金中 w (Fe 可以达到 1. 0%。 w (

2、Fe <0. 15%时 , w (Mn 要达到 0. 5%0. 8%, 以防止粘模。对于不 太重要的铝合金压铸件可以省略熔炼过程中的变质 处理过 程 , 通 过合理 设置加 强筋、 减少 壁厚、 减小拔 模斜度 等措 施 , 改善压铸件的结构工艺性。关键词 :铝 -硅合金 ; 砂型铸造 ; 压铸 ; 生产工艺 ; 改进中图分类号 :TG249.2; TG292 文献标识码 :A 文章编号 :1007-7235(2006 11-0009-04Process improvements on Al -Si alloy casting produced byd ie -casting inste

3、ad of sand mold castingWANG Ming -jie(Fujian University of Technology, Fuzhou 350014, ChinaAbstract :Researched the i mprovements of process when a A-l Si alloy casting produced by die -casting instead of sand mold casting wi th a cover die -casting example. Main i mprovements relate to alloy chemic

4、al composition, meltin g process and casti ng structure based on the specialties of die -casting process. In A-l Si alloy, w (Fe <1. 0%, when w (Fe <0. 15%, w (Mn =0. 5%-0. 8%.It can reduce the modification process when produce the normal die -casting. They can improve the processability of pr

5、oduct structure of die -casting, by properly arranging the ribs, reducing the die -casting wall thickness and enlarging the draft angle etc. Key words :A-l Si alloy; sand mold casting; die -casti ng ; process; improvement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。压铸生产中 , 铝 -硅合金液

6、在高 压高速条件下充型 , 并在高压条件下快速凝固 , 生产效 率 高、 容易实现自动化生产。压铸件尺寸精度高 , 材料 利用率高 , 组织致密 , 壁厚相同的情况下其强度和硬度 比 砂型铸件的高很多。 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。因此 , 许 多铸件都逐渐 使 用压铸生产来代替砂型 铸造。1 压铸生产铝 -硅合金铸件化学成分的改进1. 1 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 Fe Al 3、 B 相 (Fe 2Si 2Al 9 或 A 相 (AlFeSi等形式存在。砂型铸造条件下 , 由于冷却速 度比较

7、慢 , B 相可以充分长大成为粗大的针状或片状 穿晶组织 , 严重割裂金属基体的连续性 , 降低其力学 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。粗大 B 相的 存在 , 又增加了铸件的机加工难度 , 降低刀具的使用 寿命 1-2。因此 , 铁在铸造铝合金中一直被认为是一 种有害杂质 , 在我国 GB1173-86标准中规定铝 -硅 合金活塞的 w (Fe <0. 7%; 各企业对其控制更为严92006, Vol. 34, l 11轻 合 金 加 工 技 术 LAFT格 , 一般要求 w (Fe <0. 5%, 甚至更低。对

8、于压铸铝合金来说 , 由于冷却速度快 , B 相无 法充分长大 , 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 B 相还可以作为强 化相 , 提高铝合金的 强度和硬度。粘模缺陷是铝 -硅合金压 铸生产过程 中常见的铸件缺陷 , 目前常用的解决办法是对压铸 模镶块材料进行软氮化、 渗离子等表面改性处理来 减少 /粘模 0缺陷 3。这虽然能够在一定程度上减少 /粘模 0缺陷 , 但是从国外公司的生产经验来说 , 由于 表面改性层与基体组织的组织形式不同 , 它们的热 物性参数也不一样。在大型或精密压铸模的使用过 程中 , 压铸模镶块材料在循环

9、热应力作用下容易产 生热疲劳裂纹而失效。欧美公司的生产经验是压铸 模镶块不再采用表面改性处理来减少 /粘模 0缺陷。 所以 , 通过合金化学成分的改进成为解决 /粘模 0缺 陷的重要方法。当铁含量比较高时 , 可以使合金液 表面的氧化膜失去连续性 , 提高了合金液的表面张 力 , 从而改善铝 -硅合金容易粘模的缺点。如果含铁 量较低压铸件更容易产生粘模现象 4。适当地提高 压铸铝 -硅 合金中 的含铁 量 , 不但 可以减 少粘 模缺 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到熔化炉回 收使用。这样既提高了生产效率 , 又降低了原材料 的成本。对

10、于用于制造活塞的铝 -硅合金来说 , 为了 提高活塞的高温力学性能 , 往往需要增加铝合金中 的含铁量 5。一般用途的压铸铝 -硅合金中 w (Fe 可 以放宽到 1. 0%6-7。1. 2含锰量的改进锰在铸造铝合金的国家标准中作为杂质元素一 般 要求 w (Mn 0. 5%, 有 一 些企 业 甚 至要 求 w (Mn=0. 1%0. 25%。这样低的含锰量导致它在 铝合金中的 B 相 (Fe 2Si 2Al 9 以针状形式存在 , 极大地 提高铸件的脆性 , 降低其韧性 , 甚至在压铸件脱模过 程中会出现铸件断裂现象。锰、 铁含量都很低的合 金会产生很严重的粘模。锰在压铸铝合金中是一种有益

11、的元素 , 它可以与 铝合金中的针状或片状 B 相 (Fe 2Si 2Al 9 一起生成球状 多面体形态的 (FeMn 3SiAl 15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 3SiAl 15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模倾向。因此 , 在压铸铝合 , 让合金具有比较合理的铁 P 锰比。一般来说 , 铁和锰的 总含量 (质量分数 控制在 1. 2%以下。近年来 , 有一些压铸件需要具有较高的强度和 延展性。降低铝合金中的含铁量可以改善这方面的 性能 , 但是随

12、之而来的是铝合金的粘模现象很严重。 把铝合金的 w (Fe 降低到 0. 15%以下 , 同时增加含 锰量为 w (Mn=0. 5%0. 8%, 不但可以改善铸件 组织 , 而且能防止在压铸过程中产生粘模现象 8-9。 熔体经过锶长效变质剂变质处理 , 压铸件可以进行 热处理和焊接。2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进行精炼和 变质处理 , 以提高铸件的力学性能。在压铸生产过 程中 , 由于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。已处理好的铝合金长时间没 有及时使用会发生变质退化 , 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

13、锰量来提高 铸件的力学性能要比通过变质处理改善力学性能的 效果更明显 , 同时压铸模的快速冷却能力本身也可 以细化金属晶体。对于这类零件来说 , 变质处理不 是压铸铝合金的必要处理工艺 , 可以省略。对于力 学性能要求比较高的零件 , 在选择变质剂的时候最 好用锶等长效变质剂。但是 , 对回炉料的使用应该 严格控制 , 防止变质剂的 /遗传 0导致合金力学性能 恶化 8。多数的压铸生产企业在生产过程中基本上 都没有进行精炼处理。熔体中的大块夹杂主要是靠 夹杂的自然上浮 来去除 , 小块夹杂基本 不去处理。 对于要求比较高的压铸件 , 需要进行精炼处理。3铸件结构工艺性改进 10-113. 1壁

14、厚砂型铸造属于重力铸造 , 为了改善充型性能 , 砂 型铸造要求铸件 的壁厚比较厚 , 一般不 小于 5mm 。 压铸件的金属液是在高压下高速充型 , 压铸件的壁 厚一般都比较薄 , 通常在 1. 5mm4. 0mm 之间。由 于压铸模的快速冷却作用 , 会在压铸件表面生成厚 度 1. 5mm 左右的表面细晶粒区 , 该区的晶粒细小 , 组织致密 , 具有良好的力学性能。因此 , 铸件的壁厚 一般都要减少 , 中小型壳形零件的壁厚 1. 5mm2. 5 mm, 力学性能就能够满足实际需要 , 这样做可以大 大减轻铸件重量 , 通常可以节约材料 30%50%。 3. 2加强筋,10LAFT 轻

15、合 金 加 工 技 术 2006, Vol. 34, l 11过设置加强筋来改善铸件的抗变形能力。合理的加 强筋设计还可以改善模具的充型条件 , 提高金属液 的充型能力。在设计时要注意加强筋的合理分布 ,避免十字交叉。加强筋 的壁厚一 般是铸件 壁厚的 0. 8倍。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 件上而使铸件变形。 3. 3 支脚结构作为壳形零件 , 铸件支脚部分是较重要的部位。 通常砂型铸造采用实心阶梯形支脚。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。因此通常要进行

16、结 构改进 , 在保证力学性能的情况下 , 满足压铸工艺要 求。图 1 为支脚结构改进的简图。图 1 铸件的支脚结构改进3. 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加工而成。对于压铸件来 说 , 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 ; 另一方 面 , 如果在这些部位不铸孔 , 则会因为此处成为铸件 的 /热节 0, 不易补缩而在此产生缩孔或缩松缺陷 , 降 低压铸件的力学性能。压铸模设计时 , 为了铸孔型芯抽芯方便 , 压铸孔 的径 P 深比值为

17、:盲孔直 径 P 盲孔深度比值不 大于 4, 通孔直径 P 通孔深度比值不大于 8。为了延长铸孔型 芯寿命 , 模具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 P 深比值大于 8时 , 可 以采用对插的形式成形 , 尽量避免压铸盲孔。 3. 5 铸字与花纹压铸出五号字。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 , 压铸模具设计时 , 尽量 不要铸字与花纹。现在的压铸模型腔多数为整体式 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 , 减少模具

18、寿命。为了延长模具使用寿命 , 最好把文字部分做 成镶块形式 , 方便更换和维修。3. 6 嵌铸压铸工艺的一个特点是可以方便地采用镶嵌件 来提高铝合金的力学性能。以往采用砂型铸造生产 的摩托车刹车蹄 , 需要先铸出刹车蹄身 , 加工后安装 摩擦片。现在就可以用压铸 , 把摩擦片直接嵌铸在 刹车蹄身上。嵌铸工艺使镶嵌件与基体结合紧密 , 减少 大量的机加工 工序 , 简 化生产工艺 , 提高生产 率 , 在压铸生产中得到广泛应用。4 压铸件工艺性改进4. 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 不小于 5mm 。对压铸来 说 , 如果没有特殊需要 ,

19、最好保留其砂型铸造圆角尺 寸。铸造圆角越大 , 型腔部位越不容易产生应力集 中 , 会相应增加模具使用寿命。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。4. 2 拔模斜度铸件为了脱模方便 , 一般都有拔模斜度。为了 手工脱模方便 , 砂型铸件一般拔模斜度比压铸件的 要大。砂型铸件改为压铸件时 , 脱模斜度可以适当 减少。也可以不变 , 以有利于压铸件的脱模。5 压铸件工艺设计实例以端盖压铸件为例 (图 2 :¹砂型铸件原始壁厚为 6mm, 改 为压铸件后 , 壁厚为 2. 5mm 。º在图 2中 1的部位 是紧固螺丝的位置 , 砂型 铸

20、件需要先铸出台阶 , 经钻孔、 攻丝后使用。改为压 铸件后如 2的部位 , 壁厚减少 , 铸出通孔 , 用螺钉、 螺 帽紧固。»为了提高压铸件的抗变形能力和强度 , 在内 壁设置加强筋 ; 为了防止铸件推出时变形 , 把顶杆顶 出位置设置在加强筋交叉点 , 见图 2中部位 3。¼内壁的铸造圆角不变 , 由于壁厚减少 , 只减少 112006, Vol. 34, l 11轻 合 金 加 工 技 术 LAFT 图 2 端盖铸件实例½本铸件轴孔部位承受力 比较小 , 通过设置加 强筋可以满足需要 , 见图 2中部位 5、 6。对于一些轴 孔要求耐磨性好或者强度比较高的零

21、件 , 可以通过嵌铸或在压铸件上镶嵌轴套的方法改善这个部位的 力学性能。¾原来用 ZL108铝合金制造。压铸件只有轴孔 的位置和配合端面需要加工 , 其他部位不需机加工。 通过增加回炉料的数量 , 适当提高铝合金中的含铁量 , 既可降低成本、 节约材料 , 还很少发生粘模现象。¿在铝合金熔炼过程中 , 在保证炉料完全烘干 的情况下 , 只需对铝合金液进行一般的精练处理 , 不 必进行变质处理而直接用于压铸。6 结 论由于压铸生产的优点 , 一些铝 -硅合金铸件生产 中正在用压铸法代替砂型铸造法。但是砂型铸件改 为压铸法生产时 , 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。(1铝 -硅 合 金 中 的 w (Fe 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 增加。(2对于韧性要求较高的压 铸件 , 需要 降低铝 -硅合金中的含铁量 , 增加含锰量以提高压铸件的强 度和韧性 , 同时克服压铸件粘模缺陷。(3 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的抗变形能力。(4 尽可能铸出铸孔 , 以避