铝合金低压铸造（精选9篇）
铝合金低压铸造 篇1
车轮是汽车身上最重要的零件, 没有车轮, 汽车就无法正常行驶, 车轮对车的整体性能影响起到了至关重要的作用。为了保证汽车在行驶过程中的安全, 车轮需要满足各项要求, 最基本的一项要求就是要能够承受自重载荷好不同方向的冲击载荷。铝合金车轮美观大方, 轻便实用, 在铸造中对公差和缺陷的要求非常严格。常见的铝合金车轮铸造技术主要是低压铸造, 因其成本低、生产效率高而备受各大生产企业的重视。
1 铝合金车轮发展
改革开放以来, 我国对于压铸件的需求日益提升, 因此, 大量的铝合金铸造厂逐渐繁荣起来。进入21世纪, 中国的铝合金车轮产业发展迅速, 但与国外相比还存在一定的差距, 其主要问题在于生产设备落后, 工艺有待于进一步提高, 从而导致不合格产品居多。
我国的铝合金铸造技术起步较晚, 解放后才逐渐重视铝合金铸造工业。在20世纪80年代, 中国的铝合金车轮开始逐步发展, 并在20世纪90年代得到了跨越式发展。当铝合金车轮企业在我国如雨后春笋般迅速蔓延后, 对于铝合金车轮技术的研究也提上日程, 尤其是对于铝合金车轮铸造缺陷的分析则不断涌现出新的理论。
2 铝合金车轮低压铸造
在现阶段, 人们更加倾向于能源利用高、污染小的汽车, 这也是汽车制造商在选择材料时需要考虑的因素。在各种考虑因素中, 汽车减重很重要, 为了满足顾客的需求, 当各项性能不断满足的同时, 其带来的必定是车身自重的提升, 这就需要采取轻质材料, 通过减重提高燃油的经济性。铝合金强度高, 轻便, 耐腐蚀性强, 成为轻质材料中的首选。
铝合金车轮低压铸造技术是在金属型铸造基础上积累经验发展起来的。其主要就是将金属在密闭的容器中融化后, 借助液面上的压缩性惰性气体或空气的压力降金属液通过升液管压入型腔, 使其在压力状态下逐渐凝固。然后再减小液面上的压力, 使升液管中未农谷的液相金属液回落到熔炉中。低压铸造技术生产的铸件质量高, 结构紧密, 能够节约大量的制造成本。目前, 该技术在国内外应用得十分广泛, 大约有90%的汽车车轮采用低压铸造的方法。铝合金车轮采取低压铸造技术可大大提升产品的性价比, 质量上乘。
3 铝合金车轮低压铸造缺陷分析和控制
铸造缺陷是制约铝合金低压铸造发展的主要因素。常见的铸造缺陷有裂纹、缩孔、针孔、氧化膜夹杂等。国内学者针对这一现象做了大量的研究工作。有学者针对A356铝合金车轮低压铸造缺陷进行了分析, 并对相关现象出了自己的观点, 还提出了工艺方面的改进措施。还有学者针对裂纹的形成与消除提出了观点, 由于裂纹形成原因复杂, 所以在防范裂纹生成时, 需要调整车轮结构、设置合理圆角、提高模具温度、合理设计升液系统等。
铝合金车轮的铸造技术要求很高, 其要满足各种要求, 如车轮的气密性、表面抛光、几何公差和旋转平衡等。但铸造缺陷的存在将大大限制满足这些要求的可能性。作为铝合金车轮铸造技术中不可避免的问题, 关于铸造缺陷的研究、分析和改善更加重要。
3.1 裂纹
作为低压铸造中的常见缺陷, 裂纹关系到企业的生产成本和生产效率, 更关系到汽车的安全性。裂纹主要是由于应力集中产生的, 分为冷裂纹和热裂纹。冷裂纹主要是因为铸件冷却时内部应力超过铸件自身强度的极限而形成的裂纹, 多生成在铸件表面。热裂纹则主要产生于合金的凝固之中, 这主要取决于固态收缩是否会受到阻碍, 如果没有阻碍就不会产生热裂纹, 而一旦受到阻碍, 就可能会因应力的存在而导致枝晶间的液体金属薄膜未凝固而产生热裂纹, 因为如果开裂速度过快, 这些金属液无法及时填满开裂部位, 裂缝自然就会形成。
为了避免产生裂纹, 首先, 需要合理设计升液系统。升液管不宜过长, 否则会使金属液过早凝固。要尽力缩短金属液面与浇口间的距离。扩大保温层厚度, 可以通过增加保温套的直径来实现。然后还要采取保温功能好的材料。增加升液管的直径, 以防过早凝固。
3.2 缩孔缩松
缩孔缩松是压铸车轮中的常见缺陷。缩孔主要体现在显微组织中未形状不规则、不光滑、大而集中的空洞, 而缩松则表现而小而分散的孔洞。缩孔缩松缺陷主要是由于和在凝固过程中没有得到很好的补充区域所出现的现象。缩孔缩松会降低材料的性能, 减少产品的寿命。根据实践可知, 缩孔缩松主要出现在轮辐、轮芯和轮辋部位。缩孔缩松与合金液的温度、充型速度、保压时间及顺序凝固有关。
关于缩孔缩松的控制, 第一, 要冷却合金液充型的温度;第二, 提高保压的压力和时间。第三, 科学设计车轮结构。第四, 通过合理的冷却方式与系统保证凝固的正确顺序。
3.3 微孔
微孔又称之为气孔, 其尺寸很小, 形成机理较为复杂。受到氢的溶解度影响, 合金液在不断吸入氢后, 会不断溶解氢, 当达到其溶解度后, 一些被溶解的氢气会释放出来, 如果氢的浓度大于凝固区域的压力, 这时候就会形成气孔。气孔的多少和大小不仅与溶解在铝合金液中的氢浓度有关, 还受到凝固条件的影响。金属液在不断凝固的过程中, 尤其到了最后阶段, 局部压力的下降速度很快, 这样就会因分压超出局部压力值而形成气孔。气孔的形成无法避免, 而且气孔的数量与时间有关, 如果铸件在夏天和秋天生产, 那么气孔的数量就会增加。
气孔不仅影响车轮的美观和装饰, 还会影响车轮的疲劳寿命。所以针对气孔的控制措施亦要开展。第一, 使用的炉料可以将氢清除干净, 改进排气装置的排气功能。第二, 铝液充型时能够保持合金液按照顺序充型。第三, 涂料的选择要慎重, 尽量选择发气量少的类型。
结束语
综上所述, 关于低压铸造铝合金车轮主要缺陷分析与控制需要高度重视, 这样才能不断提升铝合金车轮的性能, 提高车辆驾驶的安全系数。低压铸造在铝合金车轮的生产中具有不可或缺的影响力, 其拥有许多铸造方式缺乏的优点, 所以更要高度重铸造缺陷对车轮的质量影响。
摘要：铝合金车轮的低压铸造技术不容忽视, 其不仅可以大大降低制造成本, 也可以提升产品质量。在低压铸造中, 不容忽视的是各种各样的铸造缺陷, 生产企业每年因铸造缺陷报废的车轮数量庞大, 所以研究铝合金车轮低压铸造缺陷, 找到解决对策则显得意义重大。
关键词：低压,铸造,铝合金车轮,缺陷
参考文献
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铝合金低压铸造 篇2
低压铸造的历史是比较悠久， 其最早出现在上个世纪之初。该工艺是在20世纪80年代后期由中信戴卡公司引进， 经过20多年的发展， 已经比较成熟。但真正意义上的开发设计工作是在最近几年。低压铸造法是指在压力作用下， 金属液体充填型腔形成铸件的工艺方法。因为需要的压力不大， 所以叫做低压铸造法。低压铸造法分为以下几个步骤， 熔化、低压铸造成型、机加、热处理和涂装。采用低压铸造法的铝合金轮毂具有铸件成型好、液体金属充型平稳、表面光滑、机械性能高、铸件致密和最终成型的轮廓清晰等特点。而且， 低压铸造法需要的设备简单， 易实现自动化生产[2]。铝合金低压铸造已经是目前经常使用到的铸造方法， 这种铸造方法可以让铝合金铸件的性能更强， 并且在使用上也更加的方便。低压铸造主要是在密闭的保护炉中进行， 在进行铝合金低压铸造时， 其铸件本身的压力效果必须达到可以有效的完成铸件的要求。低压铸造的浇注系统简单， 可以减少甚至完全去除冒口， 金属利用率往往可以达到90%以上。
铝合金低压铸造 篇3
铝合金低压铸造知识数据库是在对铝合金低压铸造工艺及其实例等各种信息进行详细的分析、归类、总结和研究的基础, 结合工艺设计过, 抽取出了相对于设计人员比较重要的各种几何与非几何信息建立而成的[1]。
1 知识的表示形式
知识表示在KBE系统中非常重要, 有两个原因:第一, KBE系统外壳是为某种类型的知识表示方法设计的, 例如规则或逻辑;第二, 一个KBE系统表达知识的方式影响着系统的开发、效率、速度和维护。
在KBE系统中有:知识+推理=KBE系统[2]。
现行的知识表示形式有许多。包括规则、语义网、框架、脚本以及知识表示语言如KL-1、KPYPTON、概念图和其他一些语言[8]。产生式规则常被作为知识库而用在专家系统中, 因为其优点大大超过了缺点。
定义产生式的一种形式方法是Backus-Naur范式 (BNF) [3]。这种方法是一种定义语法的元语言。语法定义了形式, 而语义指出了含义。
语言的种类很多, 有自然语言、逻辑语言、数学语言和计算机语言。如“一个句子由一个名词和一个动词及标点符号组成”, 这个简单的语言规则的BNF为:<句子>::=<主语><动词><结束标志>。这里的尖括号<>和::=称为元语言符, “::=”意为“被定义为”。尖括号中的项称为非终结符, 一个非终结符是表示其它项的变量。其它的项既可以是非终结符, 也可以是终结符。一个终结符不能被其它任何项所代替, 因此它是常量。
<主语>::=I|You|We
<动词>::=left|came
<结束标志>::=.|?|!
语言中所有的可能的句子, 都可以这样来生成, 依次用右边的非终结符或终结符来代替左边的每个非终结符, 直至所有的非终结符被消除为止。下面就是这样一些产生式:I left.Ileft?I left!You left.You left?You left!。
一组非终结符称为语言的串。如果这个串是从开始符号通过使用产生式规则不断替换非终结符而获得的, 那么它就是一个合法的句子。例如“We”, “We We”都是合法的串, 但不是合法的句子[4]。
铝合金低压铸造浇注工艺的产生式设计如下:
<浇注工艺>::=<浇注系统><加压规范>
<浇注系统>::=<升液管><横浇道><内浇道><结构>
<升液管>::=<升液管类型><升液管长><升液管出口面积>
<横浇道>::=<横浇道面积><长度>
<内浇道>::=<内浇道面积><长度>
<结构>::=<布置方式><位置><数量>
<升液管类型>::=<直筒形><正锥口形><倒锥口形>
<加压规范>::=<升液速度><充型速度><充型压力><增压压力><保压时间><释压延时冷却时间>
语法树或派生树是一种把句子分解成所有非终结符和终结符, 以便得出知识的图形表示。图1为浇注工艺知识的语法分析树。
2 数据库的基本架构
知识数据库的设计采用模块化的思想, 根据系统的功能, 知识数据库中划分三个子模块, 它们分别是:显性知识子模块、三维实体子模块、规则知识子模块。
铝合金低压铸造KBE系统的最终目的是要得到一个较为详细的工艺流程卡, 所以数据库必然需要存储有工艺设计过程所涉及到的显性知识, 因此建立显性知识子模块, 为了方便管理和调用, 并结合知识的获取机制, 这些显性知识被划分为不同的属性分别存储。
工艺的设计通常是一个与几何 (如铸件结构、浇注系统尺寸等) 相关的过程, 基于KBE的设计如果能将设计方案反映到三维实体建模上, 无疑将使设计结果更为直观。基于这种思想, 建立三维实体子模块, 在该模块中存储铝合金低压铸造系统所需部件的STL文件, 为了方便调用STL文件, 每个STL文件在数据库中都将会有一个定性和定量的描述。例如升液管的描述将包括:名称 (升液管) , 直径 (mm) , 管长 (mm) , 类型 (直通型、正锥口型、倒锥口型) 。
工艺的设计常常需要一般原理性知识 (即隐性知识) 作为指导, 因此它是一个基于许多规则的过程, 如加压压力的确定就基于一些基本的公式, 推理模块在进行推理时, 需实时动态调用数据库中的有关规则的知识, 所以知识库中设有规则知识子模块。一个完整规则的BNF产生式为:规则=IF逻辑式THEN逻辑式[6]。
知识数据库模块的基本结构如图2所示。
3 总结
在本文中, 作者设计了铝合金低压铸造KBE系统知识数据库系统的整体架构, 阐述了基于产生式规则的知识表示方法, 并由此设计了知识数据库知识的表现方法。
参考文献
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铝合金低压铸造 篇4
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通过分析砂型铸造铝合金铸件气孔缺陷产生的机理，提出从控制原材料的水分、控制型砂及砂芯的透气性、精心熔炼等几个方面来消除该缺陷。
铝合金以其良好的力学性能(较高的比强度、比刚度)和优良的铸造性能，在工业中被广泛使用，是汽车、造船、航空航天及其他制造业的重要结构材料。生产中对铝合金铸件的品质要求也越来越高，除了保证化学成分、力学性能和尺寸精度外，不允许铸件有缩孔、缩松、气孔和夹渣等铸造缺陷。
实际生产中，铝合金铸件会出现多种缺陷，气孔缺陷是砂型铸造中经常产生的缺陷，是影响铝铸件质量的重要问题。气孔缺陷常出现在大型铝铸件的厚大部位，以及中小型铝铸件的冒口根部和加工端面。气孔的产生除与型砂的水分、透气性有关外，还与合金的熔炼质量及合金的原材料有关，如何消除该缺陷值得铸造工作者重视。本文拟探讨砂型铸造中铝合金铸件气孔产生的原因，提出消除的措施。
1.铝合金铸件中产生气孔的机理
铝合金铸件形成气孔的主要原因是合金中含有过量的H2，氢含量占所含气体总含量的80%～90%，其余是N2、O2 CO等，而H2则来源于大气及各种金属原材料、熔剂和涂料中的水分受热分解，在高温条件下发生H2O= 2H + + O2= Al2O3，这样就促进了水蒸气的高温分解，氢离子便不断向合金液中扩散。
氢以两种方式存在于铝液中：第一种是分解为原子状态溶解在铝液中，称为溶解型，约占90%；第二种氢则以分子状态气泡形式吸附于夹杂物的表面或缝隙中，称为吸附型。由于氢在铝合金液中的溶解度是随温度上升而增大的(如下图所示)，所以在熔炼过程中合金液将吸入大量的H2。而在结晶凝固的过程中，由于温度降低，合金液表层首先凝固且合金的粘度增大，虽然氢的溶解度降低需从金属液中析出，但是已经很困难了，这样滞留在合金液中便形成了气孔缺陷。熔化、保温时间越长，氢含量越高.氢在合金液中的溶解度除与温度成正比外，还与压力及空气的湿度即氢分压成正比。
合金元素及其含量对溶解度也有一定的影响，硅、铜含量增加则氢的溶解度降低，镁含量增加则氢的溶解度增加。合金成分不同，合金液中氢的临界含量也不同，ZL104 铝合金为亚共晶型铝硅合金时吸氢量最大。
2.防止铝合金铸件气孔缺陷的措施
要防止砂型铸造中铝合金铸件气孔缺陷的产生，就要采取有效措施尽量减少原材料的水分，强化熔炼质量管理，合理选择铸造工艺，提高铸型的排气能力。具体有以下几个方面：
(1)所有原材料及熔炼用工具都要仔细清除表面的锈迹、油污及熔渣等，中间合金和回炉料的质量也要控制好，质量差的回炉料如碎金属屑、浇冒口不宜大量使用。金属原材料、变质剂、精炼剂、浇包和搅拌勺等在使用前都应烘干，而坩埚则应预热至暗红色方可加入熔料。通常在金属表面除了凝聚水外，还有与金属氧化膜作用形成的结晶水，在200～300℃低温烘烤只能去除部分凝聚水和溶解水，只有在500 ℃ 以上才能较容易除去大部分结晶水。
(2)操作中应尽量缩短熔炼时间，减少合金的吸气量。熔炼温度不宜过高，温度越高，吸气量越大，一般不超过800℃，熔炼过程要有测温装置控制。另外，还要控制变质时间，变质时间越长，变质温度越高，氧化与吸气越严重。由于铝合金液面的氧化膜有保护作用，可以防止金属液直接与大气中的水分反应。在熔炼、浇注过程中要尽量避免破坏液面的氧化膜，精炼、变质时搅拌勺在液面下平稳搅动，特别是精炼操作要细心，精炼工序是防止气孔重要的一环。金属液浇注时应平稳，速度均匀，浇包和铸型之间保持最小的垂直距离。
(3)控制砂型的透气性。砂型的透气性过高容易使金属液渗入砂粒间而形成机械粘砂，或铸件表面粗糙度大、尺寸超差等缺陷；透气性过低则形成气孔缺陷的倾向大。一般砂型面砂的透气性宜较小，表面硬度较低；而背砂的透气性应偏高些，同时硬度也应高些，以便搬运，有利于保证铸型的整体透气性。在不塌箱的前提下，型砂透气性一般为80～100。另外，还要严格控制砂型中的水分含量，一般控制在4%～5%。砂型水分含量过高，气孔缺陷加剧。型腔修补时，刷水不能太多。浇注场地不宜撒水，保持空气干燥是一个不能忽视的问题。
(4)在砂型的上型及下型应扎通气孔，以增大在浇注过程中气体的排放。气孔的顶端与型壁应有一定的距离，一般为4～6mm，距离太大不利于排气。大型铸件的下型排气更为重要，除扎出气孔外，还可将铸型用砂垫高。同样，型砂也要保持干净，回用砂及原砂中的杂质要及时清理。
(5)增强砂芯的排气能力。大型复杂铝合金铸件免不了要放砂芯，由于砂芯中的粘结剂在高温浇注时会产生一定量的气体，要设法排放。通常的方法是在砂芯中设置排气道、埋放蜡线、扎气孔等，体积较大的砂芯可填放炉渣或焦炭块，这些措施都非常有效。另外，在砂芯的芯头处应配有气孔排气，如果砂芯的芯头与砂型的间隙较大，可用石棉绳阻拦金属液，防止金属液堵住排气孔。大型复杂铝铸件在浇注时还应在排气系统出口处点火“引气”，以减少排出的压力，有助于气体的排放。砂芯中粘结剂及添加剂的用量应合理。粘结剂的发气量一般很大，在保证砂芯使用性能的前提下应尽量减少加入量。对于桐油砂芯，桐油加入量一般为2% ～3%。为提高砂芯的湿强度和表面硬度，加入糊精的量一般为1%～2%，糊精的发气量很大，因此加入量要严格控制。此外，砂芯在使用前应长时间烘烤，待冷却后方可放入铸型。
(6)增强冷铁排气。为形成顺序凝固，有些铸件会放置冷铁以提高冷凝速度，而冷铁的排气性较差。为改善冷铁的排气性，可在冷铁上开通气槽并涂上耐火涂料。3.结语
低压铸造机压力检测单元改进 篇5
GIMA低压铸造机压铸轮毂时是通过向封闭的低压保温炉充入干燥压缩空气, 压缩空气将铝水从升液管压入轮毂模具中充型而成。充型过程中, 铸造机控制系统需要根据压力检测单元反馈的信号 (检测炉内压缩空气压力) , 实时调整进入保温炉的干燥压缩空气量。压力检测单元由零压开关、超压开关和压力传感器组成。零压开关监测炉内零压力时的压力。自动状态下, 铸造机在打开模具之前, 由于密闭保温炉和封闭模具组成的封闭体压力不可能绝对为零, 因此出厂时通过拨动零压开关的调节旋钮将其压力设定为4.5 k Pa (45 mbar) (此时炉体内铝水不会从升液管进入模具造成跑铝) 。自动状态下, 若超压开关监测到炉内压力超过100 k Pa (1 000 mbar) , 执行单元会及时关闭主进气阀和数字式组合阀, 并在铸造系统显示单元出现超压报警。压力传感器将监测到的炉内压力转换为4~20 m A的电流信号传给接口单元并显示在铸造系统工控机上, 工控机根据信号实时调整数字阀岛的开关数量及阀体接通时间, 以使升液曲线与理论曲线趋于吻合。
压力检测单元工作是否正常直接影响轮毂铸造质量。目前GIMA铸造机使用已近10年, 且零压开关和超压开关均为机械式压力开关, 开关触点频繁动作, 多数已出故障, 从国外购买价格昂贵。经过调研, 最终采用1个具有数显单元和两个输出点的SMC ISE40-01-62L-M型压力开关代替原零压开关和超压开关;压力传感器改用北京鑫诺金CEMPX213型压力传感器。
压力检测单元改进后, 铸造机铸造轮毂时的炉内压力值可通过SMC ISE40-01-62L-M数字显示屏和工控机显示屏观测。正常情况下, 两个压力值应基本相同, 便于铸造机铸造系统故障排除。
铝合金低压铸造 篇6
ZL210A合金是国内新近研制的新型Al-Cu-Mn系高纯高强铸造铝合金,该合金具有优异的综合性能,如高的强度,很好的延性率和塑性,易于切削加工和表面处理等优点,目前已在飞机受力结构件上得到很好应用,取得较好效果[6]。但同时该合金也不可避免存在Al-Cu系合金所存在的缺陷。而铸造工艺对铸件或铸锭的内部组织、整体性能、断口形貌、热处理效果以及内部缺陷、尺寸和表面质量等都有显著的影响[7]。因此,本工作采用砂型和金属型两种铸造方法对ZL210A合金的铸造力学性能和微观组织的影响进行研究,以期在该合金的应用上提供技术依据。
1 实验方法
1.1 合金配制及熔炼
实验合金采用纯度为99.99%高纯铝,Al-Cu,Al-Mn,Al-Ti中间合金和金属Cd配制而成,合金配料成分及标准成分范围见表1。采用电阻坩埚炉进行熔炼,试样在710℃下浇注而成。
1.2 试样几何形状与制备
选用国标砂型单铸试样(以下称砂型试样)和国标金属型单铸试样(以下称金属型试样)作为拉伸试样,如图1所示。
1.3 热处理
固溶处理:(535±5)℃保温7h,(545±5)℃保温8h,两级固溶后50~60℃水冷;时效处理:试样固溶后在170℃保温7h后随炉空冷。
1.4 常温拉伸力学性能实验
常温力学性能实验主要测量抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、延伸率δ5和硬度HBs。
1.5 断口观察
用SEM方法观察断口形貌。
2 结果及分析
2.1 力学性能
2.1.1 试样铸态力学性能
在710℃浇注温度下,ZL210A合金采用砂型和金属型两种方法所得的铸态试样在常温下的力学性能如图2所示。
由图2可知,在铸态下砂型和金属型试样的抗拉强度σb在203~210MPa间浮动,屈服强度σ0.2在97~
101 MPa间浮动,硬度HBs值在63~66间浮动,延伸率δ5均为13%。由此可见,砂型和金属型两种铸造方法对铸态下试样的合金力学强度、硬度值和延伸率的影响程度相近。
2.1.2 试样固溶态力学性能
在710℃浇注温度下,采用砂型和金属型两种铸造方法所得的试样在固溶态下的常温力学性能如图3所示。
由图3可知,固溶态下砂型试样的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2分别为324MPa和143MPa,金属型试样抗拉强度σb和屈服强度σ0.2分别为333MPa和152MPa,均高于砂型试样9MPa;固溶态下砂型试样的延伸率为17%,金属型试样延伸率为22%,高于砂型试样5%;固溶态下金属型试样和砂型试样的硬度HBs值相近,为90左右。由此可见,金属型铸造方法对固溶态下试样的合金力学强度和延伸率的影响要略优于砂型铸造方法,而对硬度HBs值而言,二者的影响相近。
2.1.3 试样时效态力学性能
在710℃浇注温度下,砂型和金属型两种铸造方法所得试样在时效态下的常温力学性能如图4所示。
由图4可知,时效态下砂型试样的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2分别为494MPa和432MPa,金属型试样抗拉强度σb和屈服强度σ0.2分别为506MPa和443MPa,分别高于砂型试样12MPa和11MPa;时效态下砂型试样的延伸率为5%,金属型试样延伸率为8%,高于砂型试样3%;时效态下金属型试样和砂型试样的硬度HBs值相近,为150左右。由此可见,砂型和金属型两种铸造方法对时效态下试样的合金力学强度和延伸率均有一定程度的影响,其中金属型铸造方法要优于砂型铸造方法,而对硬度HBs值而言,二者的影响较小。
2.1.4 分析
对比图2-4可知,砂型和金属型两种铸造方法对铸态、固溶态和时效态试样性能均有一定程度的影响,其中对抗拉强度和屈服强度的影响要优于延伸率,而对硬度的影响较小。相比较而言,金属型试样力学性能明显好于砂型试样。
2.2 断口形貌
砂型和金属型两种铸造方法所得的试样断口形貌如图5所示。
通过观察各断口形貌图可知,各断口均为晶内断裂,韧窝密集且较深,呈现典型的韧性断裂。比较各断口形貌可进一步得到,金属型固溶态试样断口的韧窝最为明显,其次为砂型固溶态试样断口,接着为铸态试样断口,时效态试样断口的韧窝相对较浅。断口的韧窝越明显,合金的韧性则越好,由此可见,金属型固溶态试样韧性最好,其次为砂型固溶态试样,接着为铸态试样,最后为时效态试样,这由不同铸造方法所得的试样延伸率测试结果可进一步得到。
3 结论
(1)对于ZL210A合金力学性能而言,金属型铸造方法优于砂型铸造方法,其常规力学性能σb,σ0.2和δ5值均高于砂型铸造。
(2)从断口形貌上看,不同铸造方法所得的ZL210A合金试样断口形貌均呈现典型的韧性断裂。其中,金属型固溶态试样的断口韧窝最为明显,呈现出较好的韧性。
摘要：采用砂型和金属型两种不同铸造方法对铸态、固溶态和时效态ZL210A合金性能及断口形貌的影响进行研究。结果表明:对ZL210A铸造合金而言,金属型铸造方法优于砂型铸造方法,其常规力学性能σb,σ0.2和5δ均高于砂型铸造,从断口形貌上看,试样断口形貌均呈现典型的穿晶断裂,且韧窝较深。其中,金属型固溶态试样的断口韧窝最为明显,呈现出较好的韧性。
关键词：铸造方法,ZL210A,砂型,金属型,力学性能,断口形貌
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铝合金低压铸造 篇7
随着世界经济的快速发展,大型薄壁复杂构件整体精密制造已经成为国内外轻合金结构件制造技术的发展趋势。所谓薄壁复杂构件是指铸件的壁厚在1~3mm,铸件形状复杂,特别是采用整体铸造技术制备的铸件,形状更为复杂,很难实现近净成形[1]。而采用大型整体薄壁结构件精密铸造技术,例如低压铸造技术、离心铸造技术等可以获得整体结构性好、可靠性高、质量轻、加工成本低的铸件,因而此类技术受到国内外航空航天及民用领域的高度关注。低压铸造技术具有少余量、无余量成型加工的优点,同时也是实现汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施,日益受到铸造界的广泛关注。随着各行业对大型、复杂、薄壁、精密、优质高强度轻合金铸件的需求量迅猛增加,铝合金大型薄壁复杂构件整体精铸技术受到了重视,因此开展低压铸造技术成形理论及制备工艺的研究对我国轻合金复杂薄壁构件的广泛应用具有重要的理论价值及实际应用价值[2]。
如何有效地控制充型过程和获得成分均匀及微观结构致密、晶粒尺寸细小的凝固组织是利用低压铸造技术制备高质量大型薄壁复杂铝合金制件亟待解决的核心问题。目前,研究学者及工程技术人员主要从低压铸造工艺、充型过程、铸造模具以及铸件材料等几个方面进行研究以寻找提高铸件质量的最佳途径[3,4,5,6,7]。本文介绍了低压铸造技术的发展现状,着重讨论了低压铸造的原理、充型过程工艺特点及铸造材料研究的进展。对今后低压铸造技术的发展趋势也进行了展望。
1 低压铸造技术的发展历程
低压铸造技术的最早起源可追溯至20世纪初,美国的S.P.Wetherill和J.P.Wetherilljr于1906年提交了一份专利,这份专利使低压金属型铸造设备被成功应用于铸造一系列锌铝合金铸件[8]。据前西德Karl Schmidt公司介绍,在1910年A.L.J.Queneau研究了用电阻坩埚炉作为铝青铜、锰青铜铸件的低压铸造设备[9]。同一时期,英国人E.F.Lake发明了可达300℃的铅和锡合金铸造用设备的专利,这也是公开文献报道中公认的低压铸造技术起源[10,11,12,13]。1917年法国公开发表了利用水蒸发所产生的压力作为加压装置的铸铝低压铸造机。1924 年德国Allgemein Elecktricitts Gesellsclft公司制作了在转台上装几个铸型,浇注导管在上面,旋转时可连续浇铸的装置[9]。但是,从那时起经过了约20年的工业应用,特别是采用金属模铸造以后,几乎就没有什么发展。低压铸造真正被推广应用是在二战以后,当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸件的壁厚效应,即因壁厚增加而导致力学性能急剧下降的缺点。低压铸造由于有较高的补缩压力和温度梯度,有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至今仍被应用于厚大断面铸件的铸造[11]。二战以后英国ALUMASC公司的E.C.Lewis开展了低压铸造技术的研究,其成果在日本和其他国家被广泛用于纺织机零件、水下工程零件以及一般的机械铸件生产,成效显著。特别是在1950年成功地研究了用轻合金铸造的啤酒桶。在以后的10年中基本上实现了高度生产系列化。它是把铸造成的啤酒桶的薄壁铸件,用自动氩弧焊焊起来。同年,奥地利的MANDLE BERGER公司引进了ALUMASC公司的低压铸造技术,特别是进行了铸造机的研究使汽车部件的生产范围扩大,并成功地进行了大量生产。1954年,前西德Karl Schmidt公司从BERGER公司引进技术和与E.C.Lewis签订技术合同,进行了汽车零部件的研制和金属模机械化生产,同时进行了典型的铸造机组的研究,从而扩大了原计划的生产量。这种技术引起了美国汽车制造商GM公司的兴趣,他们引进了技术和接受了数十台铸造机,在CORVAIR车的空冷发动机的轻合金铸造工厂(MASSENA)里,对这种工艺给予极大的关注,之后和OTTO JUNKER公司一起进行了低压铸造用低频感应炉的研究。特别是1950年以后由于汽车工业的发展,低压铸造工艺和设备有了一个飞跃。汽车轮毂由于质量要求高,本身结构又适于低压铸造,而且需求量大,因此极大地推动了低压铸造技术的发展[13]。英国在20世纪60年代率先发展低压铸造汽车轮毂,其后美国、日本、前西德相继发展。据1989年统计,美国Parkficld车轮有限公司低压铸造轮毂年产量达到250万只,日本日立金属制作所采用14台自动化低压铸造机,年产铝合金轮毂180万只。德国Stahlschmidt & Maiworn公司使用30台低压铸造机每年生产200万只铸铝轮毂。80%供应O.E.M市场,包括Audi、Ford、GM、Mercedes Benz、Porsche和Volvo等名车制造商。法国雷诺公司所有汽车发动机缸盖均采用低压铸造法生产,共11台低压铸机,日产5500只缸盖。铸铝轮毂市场占有率在1981年仅4%,1994年扩大到40%,2000年扩大到60%,铸铝轮毂生产在国际上绝大多数采用低压铸造法。目前国外低压铸造机与成套设备著名厂家有:美国Em-pire公司、日本Isuzu公司、英国Plume公司、丹麦Rimatic公司和德国Gima和Kurtz公司。产品规格比较齐全,保温炉铝合金容量300~1000kg。系列产品已进入中国企业[2,12]。
我国从20世纪50年代开始研究低压铸造,但发展一直比较缓慢。随着汽车工业的发展和大量新技术的采用,在2000年前后[8,11,14,15],低压铸造在我国得到快速发展,国产低压铸造机的功能和性能,以及使用的稳定性和可靠性已经接近或达到国际先进水平,被大量用于汽车轮毂、汽车缸盖等铸件的生产。国内低压铸造机主要生产厂家有济南铸锻研究所(J455)、上海机械制造工艺研究所(FDZ-A、FDZ-C)、江苏灌南压铸机厂(J453A、J453B)、天水铸造机械厂(J452、J453)和沈阳铸造研究所(803液面加压系统)等。国内低压铸造机不成系列,无成套供应能力。最重要的问题还是设备与工艺脱节使产品成品率低,生产故障频繁,造成生产率低。国内最大的轮毂厂秦皇岛戴卡轮毂公司和广东中南铝合金轮毂公司的低压铸造机分别由德国和美国公司提供[16]。
低压铸造浇注方法有两种,一种以气体加压,另一种利用电磁泵输送导电金属液。电磁低压铸造是由英国Cos-worth公司发明的,后来被称为Cosworth Process工艺,其原理如图1所示[17]。该铸造方法的电磁泵利用率差,泵头容易损坏,必须时常更换,砂型选用的是锆砂,价格较贵,所以电磁低压铸造成本高。比较而言,气体加压的控制方式成本低,耗电量少,更容易推广。
传统的气体加压式的低压铸造为熔融的金属液在较低气体压力作用下由下而上充型,然后在压力下凝固以获得铸件的一种成形方法,原理如图2所示[12]。它是在密封坩锅的金属液面上施加0.0098~0.049MPa的干燥气体,压力逐渐上升,使金属液沿放置在金属液中的耐高温的管道(俗称升液管)上升并流入到坩埚上方的模具型腔中,待金属液从铸型上部至浇口完全凝固时便停止加压;待升液管内的金属液流回坩锅后脱模取件。
2 低压铸造技术的研究进展
低压铸造的基本原理为[18]:一定温度的金属液在压力作用下,沿升液管自下而上通过浇道缓慢进入并充满型腔和冒口,然后增压保压直至铸件完全凝固,最后解除压力,使升液管和浇道中尚未凝固的金属液由于自重流回保温炉或坩埚中。根据低压铸造技术的原理可知低压铸造工艺过程大致可以分为升液、充型、增压、保压凝固、卸压冷却几个阶段。在升液充型阶段,与重力充型相比,金属液流动的动力不同,低压铸造的充型过程是通过控制施加于金属液面上的压力,推动金属液沿升液管进入型腔。其主要特点是充型过程压力可控、金属液充型平稳,避免了重力充型下的涡流、翻腾、冲击和飞溅,降低了吸气和氧化夹杂物产生倾向,以期得到无气孔、无氧化夹杂物缺陷的铸件。低压铸造的关键是充型过程,这个过程可以分为两个阶段———升液阶段和充型阶段。在充型过程中,主要问题是金属液的湍流,可以通过调节压力来解决。充型速度依赖于加压速度,控制加压速度,保持金属液层流流动是得到优质铸件的关键。
2.1 充型工艺研究现状
由低压铸造原理可知,对于低压铸造生产工艺而言,合金液的充型速度、液流的平稳性及加压压力跃变速度是至关重要的问题。国内外众多科技人员在这方面开展了大量基础研究并进行了广泛的工程实践[19,20,21,22,23,24],取得了许多新进展。
基础研究方面,韩国庆尚国立大学的研究人员Sun-chul Huh等[20]以FeCrSi金属纤维为增强体制成多孔预制体,AC8A铝合金作为基体金属,采用低压铸造的方法将熔融铝合金液渗入多孔预制体中制备了铝基复合材料,建立了最佳低压铸造充型工艺参数,同时也分析了金属液在多孔预制体中的渗流行为。他们具体研究了充型时的加压时间以及压力大小与复合材料制件内部孔隙率之间的相互关系,结果表明随着压力增大,加压时间缩短,孔隙率逐渐降低,当压力为0.8MPa,加压时间为1s时,复合材料制件内部孔隙率为零;同时也基于达西公式并利用直接差分方法计算了充型过程中多孔预制体中金属液充型压力分布规律,图3为预制体内压力分布与预制体内部孔隙率的相互关系曲线,结果进一步显示随着充型压力增大,孔隙率逐渐降低,且在0.8 MPa时孔隙率为零。分析知复合材料内部孔隙率下降的主要原因是压力的增大改善了金属液基体与增强体之间的表面润湿状况,压力越大,铝合金液与金属纤维之间表面润湿性越好,而这也促进了合金液在多孔金属纤维预制体中的渗流。研究人员按以上最佳工艺参数条件制备的铝基复合材料汽车发动机活塞比A366.0铝合金活塞耐疲劳寿命及耐磨性能更优异。
加拿大英属哥伦比亚大学D.M.Maijer[19,21]研究团队一直专注于研究计算机数值模拟技术在低压铸造铝合金制件上的工业应用和开发。最近他们利用数值模拟技术[19]对低压铸造制备汽车轮毂铝合金制件过程中易产生的宏观孔隙、微观孔隙和氧化膜的缺陷进行了预测分析,并结合模拟结果对实际低压铸造工艺参数应如何优化以减少这些缺陷对铝合金制件的整体性能进行了探讨。数值模拟结果表明,汽车轮毂铝合金制件铸造缺陷主要取决于低压铸造过程中金属液的充型过程及热传导过程。在充型过程中,模具型腔内部气体运动轨迹的不确定性是充型过程数值模拟结果难以与实际低压铸造过程相符的主要原因,D.M.Maijer研究团队在充分考虑型腔内部气体对充型过程影响的基础上利用数值模拟技术优化充型过程的压力参数获得了无缺陷的A356铝合金轮毂模型,并通过试验加以验证。
国内西北工业大学凝固技术国家重点实验室对低压铸造工艺进行了系统研究[25,26,27,28,29,30]。郝启堂等[26]以ZL114A铝合金为原材料在自制的低压铸造设备上分别铸造了不同厚度的平板件,对低压铸造程中的充型与凝固特点进行了研究,结果表明低压铸造实际充型速度小于理论给定速度,且模具型腔结构越复杂,铸件截面积越小,对金属液的充型阻碍越大,实际充型速度越慢,据此在设置工艺参数时应正确选择阻力系数。比较不同厚板实验结果显示在40mm/s的充型速度下整个充型过程平稳无波动并能有效减少氧化夹杂和卷气等情况的发生,凝固组织分析表明此充型速度下铸件无缺陷,组织性能优异。分析其主要原因是一方面合金液充型过程中顺序充填铸型,另一方面低压铸造充型时间较重力铸造充型时间长,有利于型腔内气体排出。 李建峰等[28]以A357合金为原材料对其在低压铸造工艺条件下的凝固特性及充填规律进行了研究。实验结果表明在保证合金液充型过程升液平稳且充满型腔的前提下,充型压力提高到30kPa时,能够得到优质的铸件宏观形貌、细化的晶粒组织(见图4)和优异的力学性能(见图5及表1)。通过分析得出液态金属充填型腔时的流动规律:在一定压力作用下,进入型腔的液流有保持其运动方向和动量的倾向,从而形成贯穿已充填区域的潜流,潜流在运动中不断与周围介质发生动量交换,其结果使潜流扩展,平均流速逐渐下降,同时在其两侧产生涡流运动,形成停滞涡流区,潜流到达液面时,其速度仍大于零,自由液面呈凸起状,在静压力差的作用下产生横向漫流区。
图4不同充型压力下铸件的铸态微观组织[28]:重力铸造(a),10kPa(b),30kPa(c),50kPa(d)Fig.4 The casting microstructures of casts with different filling pressures[28]:gravity casting(a),low pressure casting10kPa(b),low pressure casting 30kPa(c),low pressure casting 50kPa(d)
图5不同充型压力下铸件的断口形貌[28]:重力铸造(a),10kPa(b),30kPa(c),50kPa(d)Fig.5 The fracture appearances of casts with different filling pressures[28]:gravity casting(a),low pressure casting 10kPa(b),low pressure casting 30kPa(c),low pressure casting 50kPa(d)
华中科技大学长期开展低压铸造工艺数值模拟CAE软件的开发及工程应用研究,并应用数值模拟的原理对低压铸件的充型凝固过程进行了持续研究[31,32,33]。廖敦明等[31]采用华铸CAE低压模块对低压铸件充型凝固过程进行了模拟,结果与实际符合较好,实际应用也显示低压铸造CAE能有效地评判低压铸造工艺设计的合理性。其模拟充型过程的基本原理是基于金属液属带有自由表面粘性的不可压缩非稳态流动,其运动状态的数理描述需采用动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程,自由表面的移动是采用SOLA-VOF方法解体积函数方程来确定。对铝合金蜗壳和铝合金轮毂两个低压铸件进行数值模拟并与实际情况作对比,结果显示两者相符,通过数值模拟可以有效改进低压铸造浇注系统设计从而提高铸件质量。
2.2 充型材料研究现状
低压铸造技术应用的主要目的之一是解决传统重力铸造浇注系统充型和补缩的矛盾,因其金属液由下而上充填铸型,最初该技术应用的材料领域仅限于铝合金等轻合金[9,13,14,15]。铝合金密度小、熔点低,铸件需求量大,铝材料来源广泛,因此已实现了大规模的工程化应用[3,4,5,34,35]。
中国专利CN 1483848A[36]公开了一种微型汽车发动机缸盖低压铸造铝合金,其主要化学成分为Si、Cu、Mg,特别是Cu、Mg控制较好,其有害杂质元素控制较严格;合金经变质及变质处理和T6热处理后其抗拉强度高于300 MPa、布氏硬度值HB为110;合金具有足够的强度和刚度,能够满足微型汽车发动机缸盖低压铸造工艺和机械加工工艺。清华大学的李斌等[37]在大量实验数据统计分析的基础上,建立了低压铸造ZL114A铝合金形核模型,ZL114A铝合金主要成分为Al 7%(质量分数)、Si 0.5%(质量分数)、Mg,得到了相关热力学、动力学参数,采用改进的元胞自动机方法耦合有限差分法对该铝合金的宏观凝固及微观组织演化过程进行了数值模拟,在充分考虑相关凝固特征参数等因素条件下,得出了铝合金共晶组织含量的变化规律,并将模拟值与实验值进行了对比验证,结果显示模拟与实验吻合较好。
韩国仁荷工业大学的Choong do Lee[38]将A356铝合金(成分见表2)进行低压铸造成型,获得了具有致密微观结构的制件,其耐循环疲劳破坏的极限循环次数相对于传统铸造方式有极大的提高(T6热处理后的低压铸造铝合金轮毂在200MPa应力作用下的循环次数可达到0.5×105)。
最近山东大学的Xiangfa Liu等[39]开发出一种新型铝合金晶粒细化剂Al-Fe-P用于低压铸造铝合金技术,添加了适量Al-Fe-P细化剂的铝合金可在相对较低的浇注温度(≤720℃)条件下,获得细化的晶粒组织,主要原因在于低压铸造组织中生成了大量细小的AlP相颗粒(见图6)。他们分别以Cu-14P、Al-3P和Al-10Fe-3.2P作为合金添加剂,然后比较其在低压铸造条件下铸件的各项性能,低压铸造铝合金件化学成分及力学性能见表3,实验结果显示添加了质量分数为0.7%的Al-10Fe-3.2P合金的A390铝合金性能最优,粗大的初生Si相从126μm细化至27μm,其低压铸造件的抗拉强度和屈服强度分别提高了18.2%和15.6%。该项研究结果揭示了Al-Fe-P合金添加剂在低压铸造铝合金工业上的广阔应用前景。
随着航空航天及国防工业的发展,对金属结构材料的轻量化要求越来越高,镁合金作为目前最轻的金属结构材料,以其比强度高、抗冲击性和减震性能优异的特点得到日益广泛的应用,因此低压铸造镁合金越来越为国内外学者所关注[7,9,25,40,41,42]。华中科技大学樊自田等[40]系统研究了消失模结合低压铸造技术制备镁合金铸件的基础理论和合金化对铸件组织性能的影响。他们以常用的AZ91D镁合金为研究对象,利用真空低压镁合金消失模铸造新工艺制备出了高质量的镁合金铸件,根据系统实验结果确立了AZ91D镁合金真空低压消失模铸造方法的最佳充型工艺参数范围为:浇注温度710~750 ℃、负压真空度0.02~0.03 MPa、充气流量8~14m3/h、采用先开始充型再抽真空的模式以及开放式浇注系统,制得的镁合金铸件无缺陷、质量优异。
哈尔滨工业大学的魏尊杰等[41,42]通过低压铸造的方法对Mg-xZn-3Y-0.7Zr-0.2Sb和Mg-10Gd-3Y-0.7Zr系镁合金进行了系统研究。通过组织分析发现,采用低压铸造的Mg-xZn-3Y-0.7Zr-0.2Sb系合金的铸态组织倾向于树枝晶,随着铸型激冷能力的提高和壁厚的减小,晶粒尺寸均变小,第二相体积分数增加。合金的铸态力学性能随着铸型冷却能力的提高以及壁厚的减小而提高。低压铸造的Mg-xZn-3Y-0.7Zr-0.2Sb合金铸态时为准解理断裂,T6热处理后,合金以解理断裂为主。无论是铸态还是热处理条件下,拉伸过程中,裂纹首先在第二相上萌生。Mg-10Gd-3Y-0.7Zr系合金低压铸造组织主要为α-Mg初生相和Mg24(Gd,Y)5共晶相两种,并且共晶相主要呈网状半连续分布在晶界位置。合金的铸态组织均为等轴晶,随着冷却速度的提高及壁厚的减小,晶粒尺寸均变小。低压铸造的Mg-10Gd-3Y-0.7Zr合金6~18mm厚板件的铸态抗拉强度为200~230 MPa,屈服强度为130~150 MPa,硬度值为75HV0.1~85HV0.1。经过T6处理之后低压铸造Mg-10Gd-3Y-0.7Zr合金性能提升更加明显,半金属型18mm壁厚处性能最好,抗拉强度、屈服强度和延伸率为307.6MPa、202.1MPa和9.9%,分别提高了50.7%、33.7% 和90.6%。T6 处理后,Mg-10Gd-3Y-0.7Zr合金的断裂方式为准解理断裂,时效处理之后,在断口形貌中能观察到比较多的韧窝和撕裂棱。
此外,低压铸造技术在铜合金和黑色金属领域也有广泛的应用[8,43,44,45]。沈阳铸造研究所开发的具有自主知识产权的内径1900mm、容量700kg的铜合金低压铸造设备,提升了我国优质承压铜合金铸件的铸造技术和装备水平,该成果达到了国际先进水平[43]。沈阳铸造研究所联合海军装备部对低压铸造ZCuZn16Si4铜合金补缩特性进行了初步探索研究[44],利用冒口补缩距离试验研究了低压铸造压力参数对这种铜合金凝固过程中液态金属补缩能力的影响,并根据实验结果为数值模拟计算凝固过程中受压力作用时ZCuZn16Si4合金的缩松缺陷新判据的建立提供有价值的数据。实验结果表明在适当的压力范围内不同的压力将导致不同的冒口补缩距离,而通过数值模拟计算发现通过数值模拟技术获得的缩松判据还不能很好地预测低压铸造铜合金铸件的缩松缺陷,因此还需要做大量的实验工作才能更好地预测铜合金铸件的缩松缺陷。沈阳理工大学的董秀琦等[45]开展了采用焦炭炉低压铸造的方法生产砂型铜合金铸件的实践研究,试验生产了质量分别为60kg和8.5kg的大阀板和中阀板,铸件材料为ZCuAl10Fe3,其成分为Cu质量分数86.0%、Al质量分数8.5%~9.5%、Fe质量分数2.5%~4.0%,采用该工艺生产铜合金阀板的出品率高达95%。黑色金属的低压铸造工艺研究文献较少,国内目前还暂未见铁合金的低压铸造工艺的相关报道。钢液1600 ℃以上的高温成为科研人员选择升液管材质面临的最大难题,有待于科研人员的研究解决。
3 展望
根据低压铸造原理可知该工艺的关键是充型过程。升液阶段金属液湍流问题的解决,充型阶段流体速度的有效控制,是保证得到优质铸件的关键。在升液充型阶段,与重力充型相比,金属液流动的动力不同,低压铸造的充型过程是通过控制施加于金属液面上的气体压力,推动金属液沿升液管进入型腔。为实现大型薄壁复杂构件的低压铸造制备,相关基础理论还需要进一步深入研究,工艺和设备还需要在实践中不断完善,此外充型材料的选择范围需要拓展并对相应的材料进行系统研究。目前需要尽快解决以下问题:
(1)计算机数值模拟技术不仅有助于弄清充型过程的缺陷产生原因,也能为低压铸造工艺提供有效的充型参数优化设计。因此深入研究并建立与实际充型过程相吻合的金属液流模型对于数值模拟的结果精确化至关重要,需充分考虑充型过程中除金属液之外的其它流体(如型腔内的空气流和充型过程中外部充入的保护气氛气流)对金属液流的影响作用,并从多相流体的交互作用机理上系统研究,解决数值模拟结果与实际充型过程不吻合的问题,提高低压铸造生产效率和铸件质量。
(2)开发出适于低压铸造的合金体系。一直以来,低压铸造工艺采用的材料集中于传统的铸造铝合金系和镁合金系,可考虑结合材料热力学基础理论设计基于传统铝合金和镁合金体系的晶粒细化添加剂材料,这方面已有Al-10Fe-3.2P晶粒细化添加剂[39],应进一步研发出更多合金体系晶粒细化添加剂;此外还应加快研发除镁、铝合金之外的其它合金体系的低压铸造铸件,以适应工业广泛应用的需求。
铝合金低压铸造 篇8
1 铸造铝合金导体常规的制造工艺及性能参数
高压电器中的铸造铝合金导体, 材质一般为ZL101A-T6, 导体的导电率为33~36%IACS[试样电导率与某一标准值的比值的百分数称为该试样的导电率。1913年, 国际退火铜标准确定:采用密度为8.89g/cm'、长度为1m、重量为1g、电阻为0.15328欧姆的退火铜线作为测量标准。在200℃温度下, 上述退火铜线的电阻系数为0.017241 (或电导率为58.0MS/m) 时确定为100%IACS (国际退火铜标准) , 其他任何材料的导电率 (%IACS) 可用下式进行计算:导电率 (%IACS) =0.017241/ρ*100%]。
铸造铝合金导体的主要制造工艺流程:铝液熔化→浇注→热处理→机械加工。
ZL101A-T6的化学成分及机械性能分别见表1、表2。
2 提高导体导电率的必要性
随着高压电器技术的发展, 市场对设备的载流能力要求越来越高。为了使导体具备更高的载流要求, 通常可以从以下两个方面进行改善。
2.1 增加铝合金导体的截面积
导体的电阻率和长度一定时, 增加导体的截面积, 可以降低导体的电阻, 即在温升不变时, 导体可以承载更大的电流。但导体的截面积增大后, 产品的绝缘裕度可能会降低, 而且增加导体成本。
2.2 采用纯铜导体
纯铜的导电率在70%IACS以上, 采用相同截面积的纯铜导体可以显著提高导体的载流能力。但纯铜的成本高, 且质量大, 转运、安装不方便。
以上两个方法, 可以达到提高导体载流能力的目的, 但都会较大幅度得增加导体成本, 甚至会降低绝缘裕度, 不是最优方案。如何在不改变现有导体结构的前提下来提高导体的载流能力, 是一个值得研究的课题。
3 提高铸造铝合金导电率的工艺方法
为了提高ZL101A铸造导体的导电率, 可以从调整材料的化学成份、熔炼工艺和热处理工艺等方面考虑。经过大量的实验验证后, 得出以下规律:1) 材料杂质越少、越纯净, 则其导电率就越高。对于铸造铝合金导体的材料ZL101A来说, Fe、Cu、Ti、Zn、Mn等元素均属于杂质, 这些元素含量越少, 导体的导电率就越高。2) 铝液进行熔炼时, 变质处理和精炼能够提高材料的导电率和机械性能。3) 热处理时, 提高时效温度, 可以提高导体的导电率, 但导体的强度会随之降低。
结合导体在高压开关中的作用, 导体在设计及制造时应考虑以下两个方面:1) 导电率。导体的作用是通流, 故其必须具备足够的导电率, 保证在常态工作时, 高压电器设备的温升满足设计要求;2) 机械强度。导体在通流的同时, 会相互产生一定的电动力, 为了确保导体不产生影响性能的变形、破坏, 导体必须具备足够的抗拉强度、屈服强度、延伸率等机械性能。
综合考虑导体的性能和制造成本, 在提高导体的导电率时, 应遵循以下原则:1) 导体的导电率和机械性能应同时考虑;2) 材料和工艺成本相对原来增加不大;3) 优化后的制造工艺尽可能和常规工艺保持一致。
参照以上原则, 导体在实际批量制造时, 制造厂家可以从以下几个方面进行工艺改善:1) 严格控制材料中杂质元素的含量;2) 对铝熔液精炼和变质处理:熔液经过精炼和变质处理后, 晶粒得到细化, 金相组织更加致密, 有利于提高导体的导电率和机械性能;3) 改变热处理工艺:在进行时效热处理时, 可以适当提高人工时效的温度、延长时效的时间, 通过改变材料的金相组织, 在兼顾导体的机械性能的前提下提高其导电率。
4 应用案例
根据以上工艺改善方法, 对铸造铝合金导体进行了小批量试做, 并在110kV3150A高压开关温升样机上进行了试用。结果和常规铸造铝合金导体ZL101A-T6相比, 导体导电率从原先的36%IACS提高到了45%IACS以上, 而且导体的机械性能仍能满足设计要求;样机的温升相对导体制造工艺改善前有所下降, 试验结果全部符合标准要求。试验效果达到了预期, 而且导体的综合成本较原来也没有明显增加。
5 结束语
在不改变原铸造铝合金导体结构的前提下, 通过改善导体的制造工艺, 有效地提高了导体的导电率, 不仅满足了大容量高压开关的要求, 而且综合成本也增加不大, 实际工程应用后, 取得了一定的社会效益和经济效益。
参考文献
铝合金低压铸造 篇9
近年来,随着全球气候变暖和能源问题的日益突出,各国政府均要求汽车制造企业降低产品能耗、减少污染,因此世界各大汽车公司都在花大力气提高其汽车的使用经济性能,降低燃油消耗,减少排放,以满足日益提高的法规要求。 作为汽车的心脏部件的发动机,减轻自身质量是一种间接节约燃料的方法。在轻质材料中,铸造铝合金因其密度小、比强度高等优点,广泛应用于汽车发动机部件中[1,2,3,4,5]。
作为汽车中最重零件之一的发动机,铸造铝合金替代原有的铸铁材料以达到减重的目的是大势所趋。在汽车传动体系中,约100%的活塞、75%的气缸盖以及85% 的进气歧管等都是用铸造铝合金制造的[6]。
铸造铝合金在汽车中的广泛应用可以通过图1[6,7]看出。 目前,由于铝合金在实现轻量化、降低能源消耗、减少环境污染等方面具有显著作用,因此在汽车发动机领域正得到日益广泛的应用。特别是我国在攻关计划和863、973计划中相继启动了相关铝合金材料的开发及产业化工作,这关系着铝合金的应用前景,同时也对铝合金性能提出了更高的要求。
随着汽车工业的迅速发展,传统的铸造铝合金材料的高温强度、耐热疲劳能力等已经临近极限状态,不能满足发动机的发展需求。例如作为发动机燃烧室中关键部件之一的活塞,它需与350~400 ℃ 高温气体 长时间接 触并且承 受25~300 ℃的热机械疲劳作用[8]。因此,发展具有高导热性、 优异的高温强度以及良好尺寸稳定性的高性能铸造铝合金是最近20年相关领域的重要研究课题。
应用在发动机中的铸造铝合金,主要有Al-Si系、Al-Cu系和Al-Mg系等。不同体系的合金,通过添加不同的合金元素和不同的强化方式,改善合金的力学性能,也影响着铸造铝合金的耐高温性能。笔者综述了目前铸造铝合金高温性能的研究成果,对比了部分合金之间的差异,并对提高铸造铝合金高温性能的方法进行了讨论。
1 Al-Si系合金
Al-Si系合金是铸造铝合金中品种最多、用途最广的合金系,相关高温性能的研究也相对较多[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23],主要包括以下两类:(1)用在发动机缸体、缸盖上的Al-Si-Mg和Al-Si-Cu系,标准牌号有319、A380、A356(美国)等;(2)用在发动机活塞上的共晶型Al-Si-Cu-Mg系和过共晶型Al-Si-Cu-Mg系, 牌号有M124、M142、M174(德国),ZL117、YL117(中国), A390、A393(美国)等。
在Al-Si系合金中加入Mg,可时效析出Mg2Si相,提高材料的室温强度。由于Mg2Si相的热稳定温度约为180 ℃, 因此,铸造Al-Si-Mg系合金耐热性低,其工作温度一般低于185 ℃[9]。Haghdadi等[10]研究了铸造Al-Si-Mg合金的高温流变行为,发现在400~450 ℃时Si颗粒的球化以及Mg2Si析出相的粗化或溶解造成了合金的高温软化现象。Al-Si系合金中加入Cu后时效析出的Al2Cu相,其热稳定温度约为225 ℃,可提高材料的高温强度。E.R.Wang等[11]对共晶Al-Si-Cu-Fe-Mn合金的室温和高温力学性能进行了研究,经T6热处理后,室温下合金的抗拉强度为336 MPa,300 ℃的高温抗拉强度为144.3MPa,α-Fe(Al15(Fe,Mn)3Si2)和富铜相(Al2Cu)的析出是合金室温和高温力学性能提高的主要原因。该结论与Hiroyuki Toda等[12]的研究结果相互印证,均表明热稳定性较好的Al2Cu相的析出是Al-Si-Cu系铝合金能在200 ℃左右工况下使用的主要原因。
Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系铸造铝合金的总体高温强度水平不高,一般在225 ℃以下工作。当工作温度超过225 ℃ 时,应使用铸造Al-Si-Cu-Mg系铝合金,这类合金主要应用在发动机活塞上,因此也被 称为活塞 铝合金。国内刘相 法等[13,14,15]对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞铝合金进行了系统性研究, 结果表明,在Al-Si-Cu-Mg系合金中加入Ni元素后,主要形成Al3Ni、Al3CuNi、Al7Cu4Ni等富Ni的金属间化合物,而对高温强度有显著贡献的是Al3CuNi相,该合金在350 ℃时的抗拉强度约为62MPa;通过改变Al-Si-Cu-Mg-Ni中Cu元素的含量,发现随着Cu含量的增加(2.63%~5.45%(质量分数)),合金350℃时的抗拉强度从78.1MPa增加到93.5MPa, 室温抗拉强度呈现先降后升的趋势,原因在于Al3CuNi相随着Cu含量的增加而增加。因此,在合金基体组织中呈现网状和半网状的Al3CuNi相对铸造Al-Si-Cu-Mg-Ni铝合金的高温力学性能有卓越的贡献。澳大利亚Z.Asghar等[16,17,18,19]利用同步辐射等先进3D表征手段,对Al-12Si、Al-12Si-Ni、 Al-10Si-5Cu-1~2Ni等铸造铝合金的室温和高温性能进行了深入研究,并提出了Al-Si系合金的高温强化机制,其将AlSi-Cu-Mg-Ni系铸造铝合金看成由共晶Si和含铝的金属间化合物作为增强相的金属基复合材料,合金的物理及力学性能受这些增强相的形态、体积分数以及共晶Si相与含铝的金属间化合物之间的相互搭接程度影响。接触面的比表面积、 共晶Si相的长宽比以及Al7Cu4Ni和AlSiFeNiCu金属间化合物的体积分数越大,合金的室温和高温强度越好。韩国学者[20,21]研究了铸造Al-Si-Cu-Mg和Al-Si-Cu-Mg-Ni的疲劳和蠕变性能,得出在Al-Si-Cu-Mg系合金中,随着Cu含量的增加,100~300 ℃ 热膨胀系 数从26.7×10-6℃-1降低到23.7×10-6℃-1,250 ℃的屈服强度由120MPa左右增加到186MPa,材料弹性模量、力学性能以及疲劳性能的变化与Al2Cu的析出长大有关;在Al-Si-Cu-Mg-Ni系合金中,随着Cu和Ni含量的增加,100~300℃热膨胀系数从23.6×10-6℃-1降低到21.6×10-6℃-1,25~400 ℃ 的弹性模 量增加5GPa,蠕变断裂时间从2.8h延长到23.8h(蠕变温度250~ 400 ℃,蠕变应力20~130 MPa),应力指数n从5.3增加到6.6,变形激活能从269kJ/mol增加到311kJ/mol,以上性能变化的原 因在于Ni与Cu的加入,析出了高 温稳定的Al3(Ni,Cu)2相和在350 ℃时稳定的FeNiAl金属间化合物, 这些相提高了合金的物理及力学性能,高温下铸造铝合金蠕变速率的控制因素主要是晶格扩散,如晶界处空位的移动、 晶界滑动以及位错攀移,热稳定相可通过形成位错墙以及提高蠕变激活能的方式提高合金的蠕变性能。
德国马勒公司开发 的Al-Si-Cu-Ni-Mg(M142)合金,拥有良好的 拉伸性能、抗蠕变性 和铸造性 能,重力铸造 下的M142合金在350 ℃抗拉强度达100 MPa[22],已在汽车发动机活塞上得到广泛应用。但在发动机高温环境和热-机械载荷耦合作用下,铸造铝合金材料的组织不稳定和随着服役时间的延长强度显著降低是该材料面临的瓶颈问题。国内李建平等[23]对M142合金的高温持久强度及组织稳定性进行了研究,得到热暴露前后合金力学性能的变化曲线(如图2所示),结果表明,在高温环境和热-机械载荷耦合作用下,随着服役 时间的延 长,α-Al晶粒逐渐 长大,强化相 θ 相 (Al2Cu)、M相(Mg2Si)、γ相(Al7Cu4Ni)等高温强化相逐渐溶解或粗大化,以及高温下Al3(CuNi)2聚集产生偏聚形成了更大的空位浓度,导致材料的高温性能显著降低。加拿大Wojciech Kasprzak等[24]在Al-Si-Cu-Mg系合金中得到的结论与之相似,其认为添加具有较小高温扩散系数的元素以及时效析出纳米共格相(如Al3(Zr,V,Ti)等),可以减缓合金高温强度随热暴露时间的延长而降低的趋势。
目前在铸造耐热Al-Si系合金的研究中,国内外的学者均倾向于 在合金中 添加微量 的稀土元 素 (如Ce、Gd、Er等)[25,26,27]和过渡族金属元素(如Ag、Co、Cr、Y等)[28,29,30,31],希望降低合金体系的层错能和形成高温稳定的纳米共格析出相以提高合金的耐热性,但进展不大。缺乏高强耐热的高性能铸造铝合金已经成为制约世界发动机工业技术进步的主要问题之一。
2 Al-Cu系合金
Al-Cu系铸造铝合金是应用最早的一种铸造合金,有高的热处理效果和热稳定性,适合铸造高温下使用的零件,但其铸造性能较差,耐蚀性也不太好,线膨胀系数也较大[32]。 因此,对于发动机中一些体积较小、形状简单的耐热铸件可采用Al-Cu系合金,该系列合 金的耐热 温度为300~350 ℃[33]。ZL205A、ZL207、ZL208(中国)以及国外合金RR350 (英国)、AдP1(俄罗斯)、A201.0、206(美国)等牌号合金均已用于发动机部件的制造,如气缸、气缸头、活塞和缸盖等。
目前,国内外学者[34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48]在Al-Cu系合金高温性能的研究方面开展了大量的相关工作。由于Al-Cu系合金在高温下亚稳相θ′的粗化,导致合金的高温力学性能以及蠕变抗性下降[34],因此一般在Al-Cu合金中加入Sc、Zr、RE(如Er、La等)等元素增加θ′析出相的数目并降低其尺寸以及产生共格析出相以提高合金的耐热性。Sc作为微量添加元素,在Al基合金中析出共格的Al3Sc相能强烈地钉扎位错和晶界,稳定合金的亚结构,显著细化晶粒以及提高合金强度[35,36]。但由于Sc的价格过高,限制了含Sc的Al-Cu合金的应用范围。 近几年,研究人员发现在Al-Cu合金中添加微量的Er,可形成与基体共格和半共格的Al3Er相,该相与热稳定的L12型Al3Sc相类似,可以细化合金的铸态组织,提高合金的热稳定性及其硬度和强度[37,38,39]。Dongming Yao等[40,41]在铸造AlCu中添加La以期获得具 有良好蠕 变性能的 合金,结果表明,La可明显增加θ′析出相的数目并降低其尺寸,提高时效强化效果,在Al-6%(质量分数)Cu合金中添加1%(质量分数)La后,析出的Al11La3相能有效地抑制晶界滑动和限制位错运动,使蠕变性能比不添加时提高3~5倍,添加La元素前后合金的蠕变均为位错攀移控制蠕变。有实验[42,43]研究了在铸造Al-Cu合金中添加Pr及其氧化物后合金的蠕变性能,结果表明,Pr及其纳米氧化物颗粒能降低θ′相的尺寸, 提高θ′相的数量,并且在晶界和枝晶边缘处析出具有优异热稳定性的Al11Pr3相,抑制蠕变过程中晶界的迁移和位错的运动,在同样的蠕变条件下,不添加Pr元素的合金稳态蠕变速率是添加Pr合金的4倍,其时间-应变蠕变曲线如图3所示,在合金中加入纳米级的PrxOy颗粒,可以获得相同的效果。
211Z.X耐热高强韧铝合金[44,45]是在Al-Cu系合金中加入了Ti、Zr、RE等元素,Ti与B同时加入形成TiB2是最重要的铝合金铸造细化剂,Zr可与Al形成细小弥散的金属间化合物质点Al3Zr,有效阻碍再结晶和晶粒长大。适量的RE加入到铝合金中可起到变质、精炼、净化以及微合金化作用。 加入这些元素以后,该合金的室温抗拉强度约为500 MPa, 伸长率可达10%,硬度可达165HBW,350 ℃时强度不小于130MPa。
在Al-Cu系合金中添加微量的Ag,会在Al合金的主要滑移面{111}α上共格析出 Ω 相,能有效阻止位错滑动,大幅度提高材料 的力学性 能,同时该相 也具有较 高的热稳 定性[46]。但随着汽车工业的不断发展,Al-Cu-Mg-Ag合金已经越来越满足不了 发动机的 性能需求,因此在Al-Cu-Mg-Ag的基础上添加稀土元 素,成为Al-Cu系合金发 展的一个 趋势。肖代红等[47,48]研究了稀土元素Ce对Al-Cu-Mg-Ag合金组织和性能的影响,结果表明,与不含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金相比,含Ce的Al-Cu-Mg-Ag合金中 Ω 相的尺寸较小、 密度和体积分数较大,这表明Ce可以有效地提高 Ω 相的形核密度并抑制其生长速率,并且Ce可以显著降低Cu在Al基体中的扩散速率,从而抑制 Ω 相的粗化速率;另外,部分过饱和的Ce原子聚集在 Ω 相与基体的相界面处以降低自由能,提高 Ω 相的热稳定性。
目前在铸造耐热Al-Cu系合金的研究中,国内外的学者均倾向于在合金中添加可以形成纳米析出相或者降低 Ω 相和θ′相粗化速率的稀土元素或过渡族金属元素,希望该元素形成的纳米析出相能显著地钉扎位错和晶界并有效抑制主要热稳定相(如 Ω 相和θ′相等)的生长速率。根据此原理,针对变形耐热Al-Cu系合金的进展较大,成果相对显著,人们现在正在尝试将变形耐热Al-Cu系合金的耐热机理应用于铸造Al-Cu系合金中,以期获得类似的高温强化效果。
3 其他铸造耐热铝合金
Al-Mg系铸造铝合金又称耐蚀铸造铝合金,具有高的耐蚀性、强度、可切削加工性能和表面光洁等优点。Al-Mg系铸造铝合金的耐热性相对较差,一般在其中添加Sc元素以提高其高温性能,但目前Sc的成本很高,因此Al-Mg-Sc系合金只是在航天领域与火箭制造业等少数几个技术领域使用。有学者[49,50]研究了Al-Mg-Sc系合金的 组织及耐 热机理,他们认为,Sc的添加细化了合金的铸态组织,影响枝晶前沿液相端的溶质原子富集区,从而细化枝晶,Sc在Al-Mg系合金中形成的与基体组织共格的Al3Sc(如图4所示),该相能在高温下有效钉扎位错和晶界,并具有极高的热稳定性。 在Al-Mg-Sc合金中加入Zr或Er元素[51,52],由于Sc、Zr和Er高温下在Al基体的扩散速率不同,从而形成纳米核壳结构,一定程度上降低了合金的成本。
在传统的铸造耐热铝合金的成分优化和热处理工艺研究还没有大突破的情况下,科研工作者将注意力放在对传统铸造耐热铝合金的基体增强上,基体增强作用是通过加入元素形成增强相或直接加入高强度增强材料,形成复合材料。 例如国内的山 东滨州渤 海活塞股 份有限公 司[53]研发的Al2O3短纤维增强铝基复合材料活塞,能将载荷有效地从基体传递到增强纤维上,使材料350 ℃时的抗拉强度达到110 MPa左右,伸长率约为0.9%。杨忠等[54]用小漩涡液态搅拌法制备了SiCp增强铝基复合材料,SiC分布均匀,与基体界面的结合良好,当基体中含有15%(体积分数)的SiCp时,材料在350 ℃时的抗拉强度达到213 MPa。澳大利亚G.Requena等[55,56]研究了短纤维增强AlSi12CuMgNi合金的组织及300 ℃时的蠕变性能,结果表明,在蠕变过程中,扩散导致了共晶Si和金属间化合物的粗化,这种粗化增加了共晶Si相、金属间化合物和短纤维之间的接触面积,加强了载荷从Al基体向增强相传递的效果,从而降低了蠕变速率。
4 结束语
根据现有的研究成果可以看出,提高铸造耐热铝合金高温性能的方法主要有以下3种:(1)通过优化合金成分、热处理工艺和凝固条件等手段,调控合金基体组织的晶粒度以及形成纳米尺度热稳定的共格、半共格析出相并控制这些纳米析出相的分布、形态和体积分数等,借助析出强化、弥散强化等手段实现多尺度多因素复合强化。(2)通过外加纳米颗粒或者纤维到铝基体中,钉扎位错和晶界,阻碍材料在高温形变过程中位错的滑移、攀移和晶界移动,提高材料抗力。(3) 将稀土元素或过渡族金属元素作为主体元素加入到铸造铝合金中,通过增大初生Si和共晶Si相与金属间化合物之间的接触面积,增加高温下载荷由基体向增强相的传递能力, 提高材料的耐热性。