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铸造铝合金的特点与成形方法的探讨

日期:2018-09-10 09:50

  摘要:铝的密度小,比强度高,可以在表面能够形成致密的氧化膜具有较好的抗腐蚀性,易于回收并且铝资源丰富,储量仅次于铁。铝合金发展迅速,在越来越多的领域代替传统的钢铁材料。铸造铝合金在汽车、机车、航天航空领域有着广泛的应用,具有无比广阔的前景。基于此,本文对铸造铝合金的特点与成形方法进行一番探讨。

  Al-Si 系铸造合金的 Si 含量一般为 5%—13%,属于亚共晶和共晶型合金。也有Si 含量超过 15%的过共晶铝合金。Al-Si 系具有良好的铸造性能,气密性好,流动性好,热裂倾向小。在 Al-Si 系合金中主要的强化相有 Al2Cu、Mg2Si 和 Al2CuMg,经过变质处理和热处理后,合金的力学性能会显著提高,加上较好的铸造性能,Al-Si系合金是铸造铝合金中品种最多,应用最广的。ZL102 合金为共晶型合金,具有好的铸造性能,流动性好,没有热裂倾向,气密性好。但由于生成的共晶硅为粗大的针状和片状,割裂了铝基体组织,力学性能和切削加工性能差,所以合金需要变质处理,改变硅的形态,使共晶硅变细。ZL114A 具有较好的铸造性能,具有较高的强度且具有较好的塑性,可焊性较好,在航天航空和军工领域有广泛的应用。

  Al-Cu 系铸造合金中 Cu 含量在 4.5%—11%范围内,Al2Cu 是最主要的强化相,在室温和高温下有较好的强度和热稳定性而且具有较好的切削加工性能。但是铸造性能比 Al-Si 系铸造合金差、气密性低、耐蚀性差,特别是热裂倾向较大,给铸件的生产带来较大的工艺难度。特别是当含量处于 4%—5%时热裂倾向最大,超过这个含量是的热裂倾向降低。通过添加中间合金细化晶粒,可以降低合金的热裂倾向。通过利用原位反应合成技术制备 Al-Ti-B 中间合金晶粒细化剂细化 ZL201 合金的铸造组织,可以基本消除晶界三元共晶组织,改善杂质分布,大大减少铸造缺陷,大幅度提高材料性能。通过控制合金的凝固条件,当平均凝固速度提高时,二次枝晶间距和枝晶大小都降低,也可以降低热裂倾向。ZL201 合金为固溶性合金,凝固温度区间较宽,热裂倾向较大,铸造性能较差。ZL201 合金的机械性能较高,热处理后强度可以达到 300~400MPa。可用作承受大的动载荷和静载荷的零件,也可用于 300℃以下温度工作的零件,用途很广。

  在铝合金铸件的生产过程中,表面和尺寸精度要求不是很高或者批量很小的零件多采用砂型铸造,尤其是一些外形复杂,内部有弯曲管道的复杂异形铸件。铝合金砂型铸造多采用粘土砂型和有机粘结剂型砂,下面重点介绍这两种造型和造芯方法。

  粘土砂型根据合箱和浇注时的状态不同分为湿型、干型、表面烘干型三种。湿型是造好的砂型不经过烘干,直接浇入高温金属液;干砂型是在合箱和浇注前将整个砂型烘干;表面烘干型只在浇注前对型腔表面层采用适当的方法烘干一定深度(一般 5—10mm,大件 20mm 以上)。铝合金与镁合金铸件、小型铸铁件的生产常使用湿型。湿型生产周期缩短,生产率高,并节省投资和能耗,特别适合于机械化和自动化生产。干型由于烘干能够显著的降低发气量,大大减少了气孔、砂眼、夹砂等缺陷。但是生产周期长,需要烘干设备,增加燃料消耗,恶化劳动条件,难于实现机械化和自动化。干型主要用于质量要求高、结构复杂的中大型铸件的单间小批量生产。表面烘干型介于湿型和干型之间,常用于生产中大型铝合金铸件。

  有机粘结剂型(芯)砂种类很多,现在通常使用的是合成树脂粘结砂。按粘结剂的硬化工艺和硬化温度分为模具内冷硬和模具内热硬,模具内冷硬包括吹气冷芯盒法和自硬冷芯盒,模具内热硬包括热芯盒法和热壳法。热壳法采用覆膜砂,覆膜砂具有良好的流动性和存放性,制作的砂芯强度高、尺寸精度高,能够获得较好的铸件表面质量。其不仅用于造型,更主要的是用于造芯。壳法工艺特别适合制造出大的中空壳芯。砂芯的存放性好,透气性好。但必须采用金属型,耗能较高,生产环境较差。热芯盒法和温芯盒法制芯,是用液态热固性树脂粘结剂和催化剂配制成的芯砂,填入加热到一定温度的芯盒内,其粘结剂在很短时间即可缩聚而硬化。热芯盒法硬化温度在 200-250℃之间,温芯盒法是指芯盒温度低于 175℃的造芯方法。温芯盒法,芯盒温度低,砂芯表面不会过烧,可使砂芯表面光洁和具有最高强度,防止热芯盒法常出现的局部过烧和硬化不足的现象,并且会降低能耗改善环境。自硬冷芯盒法是将砂子、液态催化剂混合均匀后,填充到芯盒或砂箱中,稍加紧实,在室温下硬化成型。自硬冷芯盒法提高了铸件的尺寸精度,便于实现自动化,模具可以采用多种材料,旧砂可以再生。但砂芯的强度低容易吸潮,砂芯浇注时膨胀量大。自硬法不仅仅用于造芯,也可以造型,适用于单件和小批量生产。气硬冷芯盒法是将树脂砂填入芯盒,而后吹气硬化制成砂芯。气硬冷芯盒法造芯(型)的脱模时间较自硬冷芯盒法短,利于高效大批量造芯。

  金属型的热容量、传热系数比砂型大得多,而且寿命长,会加快合金液的凝固速度,从而减少气孔和缩孔、疏松等缺陷,铸件表面能得到细晶组织,显著地提高铸件的力学性能和表面质量,而且铝合金的金属型铸造生产效率高,劳动环境和劳动条件好。但金属型几乎没有退让性,排气性差,所以应尽早开模,防止形成冷裂纹,设置排气塞排气槽,增强排气,防止憋气形成气孔或者未浇足。铝合金的金属型铸造通常采用底注式和顶注式浇注。底注式浇注充型平稳,不会产生激溅,有较好的挡渣作用,但容易在铸件侧壁上形成氧化夹渣。更重要的是底注式浇注合金液的凝固通常为同时凝固,难以实现顺序凝固,易产生缩松缺陷。顶注式浇注的优势就是能够实现顺序凝固,能铸件减少缩松、以及薄壁件的冷隔、浇不足等缺陷的产生。但顶注式合金液容易产生激溅、氧化、夹渣等缺陷,通过采用过滤装置、降低铝液充型压头、控制流速等手段避免。

  除了最常用的砂型铸造和金属型铸造外,铝合金还有很多铸造方法。比如压力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、调压铸造、石膏型精密铸造、消失模铸造和英国赛车发动机 Cosworth 公司发明的 CP 法等。调压铸造由西北工业大学发明,是对差压铸造改进。与其他反重力铸造技术相比具有真空除气、调压充型、正压凝固的特点,使其相比差压铸造和真空吸铸具有更好的充型能力,针孔控制能力。CP 法有英国赛车发动机 Cosworth 公司发明,其主要特点是:该工艺采用低压铸造的原理,通过电磁泵控制液流充型,采用呋喃树脂气硬冷芯盒法造型制芯,原砂采用锆英砂。具有充型平稳、精度高、铸型冷却速度快等优点,适用于制造薄壁、高致密度、复杂的铝合金铸件,最早应用于制造 F1 赛车的发动机。

  对铸造铝合金的研究包括很多方面,比如合金元素在合金中的作用、合金成分的优化和新的合金的研究、合金的熔炼、合金液的精炼处理、合金的晶粒细化、铝硅合金的变质处理、传统铸造方法的优化和开发新的铸造方法以满足铝合金铸件的大型化、薄壁化、复杂化要求。总之进一步提高合金的性能,确保生产出合格的铸件。

  [1] 王文清,李魁盛. 铸造工艺学.北京:机械工业出版社,2009.63-66

  [2] 夏巨谌,张启勋. 材料成型工艺.北京:机械工业出版社,2010.41

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