鋁-硅合金砂型鑄件改為壓鑄生產(chǎn)的工藝改進(jìn)_圖文

1、收稿日期 :2006-07-08作者簡(jiǎn)介 :王明杰 (1972- , 男 , 山西萬(wàn)縣人 , 碩士 , 講師 。 研究方向 :工程材料與模具設(shè)計(jì) 。鋁 -硅合金砂型鑄件改為壓鑄生產(chǎn)的工藝改進(jìn)王明杰(福建工程學(xué)院 機(jī)電及自動(dòng)化工程系 , 福建 福州 , 350014摘要 :通過(guò)一個(gè)鋁 -硅合金端蓋壓鑄件設(shè)計(jì)實(shí)例 , 探討了鋁 -硅合 金砂型 鑄件改 為壓鑄 生產(chǎn)時(shí) , 要在 合金化 學(xué)成分、 熔 煉工藝和鑄件 的工藝性能等方面 , 根 據(jù)壓鑄 工藝 的特點(diǎn) 對(duì)鑄 件整 個(gè)生產(chǎn) 工藝 進(jìn)行改 進(jìn) , 以滿 足壓鑄 生產(chǎn) 的特 殊要 求。壓鑄鋁 -硅合金中 w (Fe 可以達(dá)到 1. 0%。 w (

2、Fe <0. 15%時(shí) , w (Mn 要達(dá)到 0. 5%0. 8%, 以防止粘模。對(duì)于不 太重要的鋁合金壓鑄件可以省略熔煉過(guò)程中的變質(zhì) 處理過(guò) 程 , 通 過(guò)合理 設(shè)置加 強(qiáng)筋、 減少 壁厚、 減小拔 模斜度 等措 施 , 改善壓鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性。關(guān)鍵詞 :鋁 -硅合金 ; 砂型鑄造 ; 壓鑄 ; 生產(chǎn)工藝 ; 改進(jìn)中圖分類號(hào) :TG249.2; TG292 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :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砂型鑄造作為傳統(tǒng)的鑄造方法在生產(chǎn)制造領(lǐng)域得 到 廣泛應(yīng)用。但它也有許多缺點(diǎn) , 如材料利用率低、 占用 場(chǎng)地大、 生產(chǎn)效 率低。壓鑄生產(chǎn)中 , 鋁 -硅合金液

6、在高 壓高速條件下充型 , 并在高壓條件下快速凝固 , 生產(chǎn)效 率 高、 容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。壓鑄件尺寸精度高 , 材料 利用率高 , 組織致密 , 壁厚相同的情況下其強(qiáng)度和硬度 比 砂型鑄件的高很多。 壓鑄件表面光潔度高 , 不需加工 或 只需要少量加工就可 以使用。因此 , 許 多鑄件都逐漸 使 用壓鑄生產(chǎn)來(lái)代替砂型 鑄造。1 壓鑄生產(chǎn)鋁 -硅合金鑄件化學(xué)成分的改進(jìn)1. 1 含鐵量的改進(jìn)鋁 -硅合金中的 鐵元素大多數(shù)以 化合態(tài)的形式 存在 , 比較 常見的 以 Fe Al 3、 B 相 (Fe 2Si 2Al 9 或 A 相 (AlFeSi等形式存在。砂型鑄造條件下 , 由于冷卻速 度比較

7、慢 , B 相可以充分長(zhǎng)大成為粗大的針狀或片狀 穿晶組織 , 嚴(yán)重割裂金屬基體的連續(xù)性 , 降低其力學(xué) 性能 , 尤 其是韌性。含 鐵量過(guò)多時(shí) , 還會(huì)降低鋁 -硅 合金的流動(dòng)性 , 惡化合金的充型性能。粗大 B 相的 存在 , 又增加了鑄件的機(jī)加工難度 , 降低刀具的使用 壽命 1-2。因此 , 鐵在鑄造鋁合金中一直被認(rèn)為是一 種有害雜質(zhì) , 在我國(guó) GB1173-86標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鋁 -硅 合金活塞的 w (Fe <0. 7%; 各企業(yè)對(duì)其控制更為嚴(yán)92006, Vol. 34, l 11輕 合 金 加 工 技 術(shù) LAFT格 , 一般要求 w (Fe <0. 5%, 甚至更低。對(duì)

8、于壓鑄鋁合金來(lái)說(shuō) , 由于冷卻速度快 , B 相無(wú) 法充分長(zhǎng)大 , 一般以細(xì)小針狀或片狀的形式存在 , 對(duì) 鋁合金基體的切割作用大大減少。這些均勻、 彌散 分布的細(xì)小 B 相還可以作為強(qiáng) 化相 , 提高鋁合金的 強(qiáng)度和硬度。粘模缺陷是鋁 -硅合金壓 鑄生產(chǎn)過(guò)程 中常見的鑄件缺陷 , 目前常用的解決辦法是對(duì)壓鑄 模鑲塊材料進(jìn)行軟氮化、 滲離子等表面改性處理來(lái) 減少 /粘模 0缺陷 3。這雖然能夠在一定程度上減少 /粘模 0缺陷 , 但是從國(guó)外公司的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō) , 由于 表面改性層與基體組織的組織形式不同 , 它們的熱 物性參數(shù)也不一樣。在大型或精密壓鑄模的使用過(guò) 程中 , 壓鑄模鑲塊材料在循環(huán)

9、熱應(yīng)力作用下容易產(chǎn) 生熱疲勞裂紋而失效。歐美公司的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是壓鑄 模鑲塊不再采用表面改性處理來(lái)減少 /粘模 0缺陷。 所以 , 通過(guò)合金化學(xué)成分的改進(jìn)成為解決 /粘模 0缺 陷的重要方法。當(dāng)鐵含量比較高時(shí) , 可以使合金液 表面的氧化膜失去連續(xù)性 , 提高了合金液的表面張 力 , 從而改善鋁 -硅合金容易粘模的缺點(diǎn)。如果含鐵 量較低壓鑄件更容易產(chǎn)生粘模現(xiàn)象 4。適當(dāng)?shù)靥岣?壓鑄鋁 -硅 合金中 的含鐵 量 , 不但 可以減 少粘 模缺 陷 , 在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的澆冒口等壓鑄廢料又可以 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后 , 作為回爐料直接加入到熔化爐回 收使用。這樣既提高了生產(chǎn)效率 , 又降低了原材料 的成本。對(duì)

10、于用于制造活塞的鋁 -硅合金來(lái)說(shuō) , 為了 提高活塞的高溫力學(xué)性能 , 往往需要增加鋁合金中 的含鐵量 5。一般用途的壓鑄鋁 -硅合金中 w (Fe 可 以放寬到 1. 0%6-7。1. 2含錳量的改進(jìn)錳在鑄造鋁合金的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中作為雜質(zhì)元素一 般 要求 w (Mn 0. 5%, 有 一 些企 業(yè) 甚 至要 求 w (Mn=0. 1%0. 25%。這樣低的含錳量導(dǎo)致它在 鋁合金中的 B 相 (Fe 2Si 2Al 9 以針狀形式存在 , 極大地 提高鑄件的脆性 , 降低其韌性 , 甚至在壓鑄件脫模過(guò) 程中會(huì)出現(xiàn)鑄件斷裂現(xiàn)象。錳、 鐵含量都很低的合 金會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的粘模。錳在壓鑄鋁合金中是一種有益

11、的元素 , 它可以與 鋁合金中的針狀或片狀 B 相 (Fe 2Si 2Al 9 一起生成球狀 多面體形態(tài)的 (FeMn 3SiAl 15相。該相在壓鑄工藝的快 速冷卻條件下 , 容易形成體積細(xì)小的、 呈均勻分布的 (FeMn 3SiAl 15相 , 可以大大減少含鐵相對(duì)鋁合金基體 的切割作用 , 改善鋁合金的力學(xué)性能。適當(dāng)提高含錳 量還可以降低鋁合金的粘模傾向。因此 , 在壓鑄鋁合 , 讓合金具有比較合理的鐵 P 錳比。一般來(lái)說(shuō) , 鐵和錳的 總含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) 控制在 1. 2%以下。近年來(lái) , 有一些壓鑄件需要具有較高的強(qiáng)度和 延展性。降低鋁合金中的含鐵量可以改善這方面的 性能 , 但是隨

12、之而來(lái)的是鋁合金的粘模現(xiàn)象很嚴(yán)重。 把鋁合金的 w (Fe 降低到 0. 15%以下 , 同時(shí)增加含 錳量為 w (Mn=0. 5%0. 8%, 不但可以改善鑄件 組織 , 而且能防止在壓鑄過(guò)程中產(chǎn)生粘?，F(xiàn)象 8-9。 熔體經(jīng)過(guò)鍶長(zhǎng)效變質(zhì)劑變質(zhì)處理 , 壓鑄件可以進(jìn)行 熱處理和焊接。2鋁 -硅合金熔煉工藝的改進(jìn)砂型鑄件要求在鋁合金熔煉過(guò)程中進(jìn)行精煉和 變質(zhì)處理 , 以提高鑄件的力學(xué)性能。在壓鑄生產(chǎn)過(guò) 程中 , 由于鋁合金液不可能一次用完 , 往往需要在保 溫爐中停留一段時(shí)間。已處理好的鋁合金長(zhǎng)時(shí)間沒(méi) 有及時(shí)使用會(huì)發(fā)生變質(zhì)退化 , 因此 , 對(duì)于一些要求不 太高的零件 , 通過(guò)適當(dāng)增加含鐵量和含

13、錳量來(lái)提高 鑄件的力學(xué)性能要比通過(guò)變質(zhì)處理改善力學(xué)性能的 效果更明顯 , 同時(shí)壓鑄模的快速冷卻能力本身也可 以細(xì)化金屬晶體。對(duì)于這類零件來(lái)說(shuō) , 變質(zhì)處理不 是壓鑄鋁合金的必要處理工藝 , 可以省略。對(duì)于力 學(xué)性能要求比較高的零件 , 在選擇變質(zhì)劑的時(shí)候最 好用鍶等長(zhǎng)效變質(zhì)劑。但是 , 對(duì)回爐料的使用應(yīng)該 嚴(yán)格控制 , 防止變質(zhì)劑的 /遺傳 0導(dǎo)致合金力學(xué)性能 惡化 8。多數(shù)的壓鑄生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中基本上 都沒(méi)有進(jìn)行精煉處理。熔體中的大塊夾雜主要是靠 夾雜的自然上浮 來(lái)去除 , 小塊夾雜基本 不去處理。 對(duì)于要求比較高的壓鑄件 , 需要進(jìn)行精煉處理。3鑄件結(jié)構(gòu)工藝性改進(jìn) 10-113. 1壁

14、厚砂型鑄造屬于重力鑄造 , 為了改善充型性能 , 砂 型鑄造要求鑄件 的壁厚比較厚 , 一般不 小于 5mm 。 壓鑄件的金屬液是在高壓下高速充型 , 壓鑄件的壁 厚一般都比較薄 , 通常在 1. 5mm4. 0mm 之間。由 于壓鑄模的快速冷卻作用 , 會(huì)在壓鑄件表面生成厚 度 1. 5mm 左右的表面細(xì)晶粒區(qū) , 該區(qū)的晶粒細(xì)小 , 組織致密 , 具有良好的力學(xué)性能。因此 , 鑄件的壁厚 一般都要減少 , 中小型殼形零件的壁厚 1. 5mm2. 5 mm, 力學(xué)性能就能夠滿足實(shí)際需要 , 這樣做可以大 大減輕鑄件重量 , 通常可以節(jié)約材料 30%50%。 3. 2加強(qiáng)筋,10LAFT 輕

15、合 金 加 工 技 術(shù) 2006, Vol. 34, l 11過(guò)設(shè)置加強(qiáng)筋來(lái)改善鑄件的抗變形能力。合理的加 強(qiáng)筋設(shè)計(jì)還可以改善模具的充型條件 , 提高金屬液 的充型能力。在設(shè)計(jì)時(shí)要注意加強(qiáng)筋的合理分布 ,避免十字交叉。加強(qiáng)筋 的壁厚一 般是鑄件 壁厚的 0. 8倍。通常把推桿 頂出部位設(shè)置在加強(qiáng)筋的交叉 處 , 作為頂桿推出的支撐柱 , 防止頂桿直接頂在壓鑄 件上而使鑄件變形。 3. 3 支腳結(jié)構(gòu)作為殼形零件 , 鑄件支腳部分是較重要的部位。 通常砂型鑄造采用實(shí)心階梯形支腳。但是這樣做對(duì) 于壓 鑄件來(lái)說(shuō) , 支腳部位的厚 度太大 , 容 易產(chǎn)生縮 孔 , 降低這個(gè)部位的力學(xué)性能。因此通常要進(jìn)行

16、結(jié) 構(gòu)改進(jìn) , 在保證力學(xué)性能的情況下 , 滿足壓鑄工藝要 求。圖 1 為支腳結(jié)構(gòu)改進(jìn)的簡(jiǎn)圖。圖 1 鑄件的支腳結(jié)構(gòu)改進(jìn)3. 4 鑄孔對(duì)于殼形鑄件上的鑄孔 , 砂型鑄件一般不鑄出 , 鑄件生產(chǎn)出來(lái)后通過(guò)鉆孔加工而成。對(duì)于壓鑄件來(lái) 說(shuō) , 直徑在 1. 0mm 以上的孔都可以考慮用壓鑄的方 法直接鑄出。一方面因?yàn)閴鸿T條件下鋁合金液具有 良好的充型能力 , 可以鑄出直徑比較小的孔 ; 另一方 面 , 如果在這些部位不鑄孔 , 則會(huì)因?yàn)榇颂幊蔀殍T件 的 /熱節(jié) 0, 不易補(bǔ)縮而在此產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷 , 降 低壓鑄件的力學(xué)性能。壓鑄模設(shè)計(jì)時(shí) , 為了鑄孔型芯抽芯方便 , 壓鑄孔 的徑 P 深比值為

17、:盲孔直 徑 P 盲孔深度比值不 大于 4, 通孔直徑 P 通孔深度比值不大于 8。為了延長(zhǎng)鑄孔型 芯壽命 , 模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免鑄孔型芯過(guò)長(zhǎng)。作 為懸臂梁 , 鑄孔型芯受到金屬液的沖擊 , 易產(chǎn)生彎曲 變形而失效。對(duì)通孔來(lái)說(shuō) , 當(dāng)徑 P 深比值大于 8時(shí) , 可 以采用對(duì)插的形式成形 , 盡量避免壓鑄盲孔。 3. 5 鑄字與花紋壓鑄出五號(hào)字。砂型鑄件多數(shù)用型芯成形文字 , 只 能鑄出比較大的文字。但是 , 壓鑄模具設(shè)計(jì)時(shí) , 盡量 不要鑄字與花紋?，F(xiàn)在的壓鑄模型腔多數(shù)為整體式 結(jié)構(gòu) , 在型腔內(nèi)部雕刻出文字和花紋 , 容易在型腔表 面形成裂紋源 , 在文字部位產(chǎn)生疲勞裂紋 , 減少模具

18、壽命。為了延長(zhǎng)模具使用壽命 , 最好把文字部分做 成鑲塊形式 , 方便更換和維修。3. 6 嵌鑄壓鑄工藝的一個(gè)特點(diǎn)是可以方便地采用鑲嵌件 來(lái)提高鋁合金的力學(xué)性能。以往采用砂型鑄造生產(chǎn) 的摩托車剎車蹄 , 需要先鑄出剎車蹄身 , 加工后安裝 摩擦片?，F(xiàn)在就可以用壓鑄 , 把摩擦片直接嵌鑄在 剎車蹄身上。嵌鑄工藝使鑲嵌件與基體結(jié)合緊密 , 減少 大量的機(jī)加工 工序 , 簡(jiǎn) 化生產(chǎn)工藝 , 提高生產(chǎn) 率 , 在壓鑄生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。4 壓鑄件工藝性改進(jìn)4. 1 鑄造圓角砂型鑄件為了保證良好的充型性能 , 一般都有 比較大的鑄造圓角 (半徑 不小于 5mm 。對(duì)壓鑄來(lái) 說(shuō) , 如果沒(méi)有特殊需要 ,

19、最好保留其砂型鑄造圓角尺 寸。鑄造圓角越大 , 型腔部位越不容易產(chǎn)生應(yīng)力集 中 , 會(huì)相應(yīng)增加模具使用壽命。另外較大的鑄造圓 角也可以改善金屬液的充型能力 , 提高鑄件的致密 度和力學(xué)性能。4. 2 拔模斜度鑄件為了脫模方便 , 一般都有拔模斜度。為了 手工脫模方便 , 砂型鑄件一般拔模斜度比壓鑄件的 要大。砂型鑄件改為壓鑄件時(shí) , 脫模斜度可以適當(dāng) 減少。也可以不變 , 以有利于壓鑄件的脫模。5 壓鑄件工藝設(shè)計(jì)實(shí)例以端蓋壓鑄件為例 (圖 2 :¹砂型鑄件原始壁厚為 6mm, 改 為壓鑄件后 , 壁厚為 2. 5mm 。º在圖 2中 1的部位 是緊固螺絲的位置 , 砂型 鑄

20、件需要先鑄出臺(tái)階 , 經(jīng)鉆孔、 攻絲后使用。改為壓 鑄件后如 2的部位 , 壁厚減少 , 鑄出通孔 , 用螺釘、 螺 帽緊固。»為了提高壓鑄件的抗變形能力和強(qiáng)度 , 在內(nèi) 壁設(shè)置加強(qiáng)筋 ; 為了防止鑄件推出時(shí)變形 , 把頂桿頂 出位置設(shè)置在加強(qiáng)筋交叉點(diǎn) , 見圖 2中部位 3。¼內(nèi)壁的鑄造圓角不變 , 由于壁厚減少 , 只減少 112006, Vol. 34, l 11輕 合 金 加 工 技 術(shù) LAFT 圖 2 端蓋鑄件實(shí)例½本鑄件軸孔部位承受力 比較小 , 通過(guò)設(shè)置加 強(qiáng)筋可以滿足需要 , 見圖 2中部位 5、 6。對(duì)于一些軸 孔要求耐磨性好或者強(qiáng)度比較高的零

21、件 , 可以通過(guò)嵌鑄或在壓鑄件上鑲嵌軸套的方法改善這個(gè)部位的 力學(xué)性能。¾原來(lái)用 ZL108鋁合金制造。壓鑄件只有軸孔 的位置和配合端面需要加工 , 其他部位不需機(jī)加工。 通過(guò)增加回爐料的數(shù)量 , 適當(dāng)提高鋁合金中的含鐵量 , 既可降低成本、 節(jié)約材料 , 還很少發(fā)生粘?，F(xiàn)象。¿在鋁合金熔煉過(guò)程中 , 在保證爐料完全烘干 的情況下 , 只需對(duì)鋁合金液進(jìn)行一般的精練處理 , 不 必進(jìn)行變質(zhì)處理而直接用于壓鑄。6 結(jié) 論由于壓鑄生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn) , 一些鋁 -硅合金鑄件生產(chǎn) 中正在用壓鑄法代替砂型鑄造法。但是砂型鑄件改 為壓鑄法生產(chǎn)時(shí) , 需要在合金化學(xué)成分、 熔煉工藝、 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性方面進(jìn)行相關(guān)改進(jìn) , 以滿足壓鑄生 產(chǎn)的特殊要求。(1鋁 -硅 合 金 中 的 w (Fe 可 以 適 當(dāng) 放 寬 到 1. 0%, 并要 求 有一 定的 含 錳 量 , 以 防止 鑄 件 脆性 增加。(2對(duì)于韌性要求較高的壓 鑄件 , 需要 降低鋁 -硅合金中的含鐵量 , 增加含錳量以提高壓鑄件的強(qiáng) 度和韌性 , 同時(shí)克服壓鑄件粘模缺陷。(3 在鑄件結(jié)構(gòu)工藝性方面應(yīng)減少鑄件壁厚 , 通 過(guò)合理設(shè)置加強(qiáng)筋改善鑄件的抗變形能力。(4 盡可能鑄出鑄孔 , 以避