鋁合金鑄造工藝簡(jiǎn)介

1、鋁合金鑄造工藝簡(jiǎn)介一、鑄造概論 在鑄造合金中，鑄造鋁合金的應(yīng)用最為廣泛，是其他合金所無法比擬的，鋁合金鑄造的種類如下： 由于鋁合金各組元不同，從而表現(xiàn)出合金的物理、化學(xué)性能均有所不同，結(jié)晶過程也不盡相同。故必須針對(duì)鋁合金特性，合理選擇鑄造方法，才能防止或在許可范圍內(nèi)減少鑄造缺陷的產(chǎn)生，從而優(yōu)化鑄件。 1、鋁合金鑄造工藝性能 鋁合金鑄造工藝性能，通常理解為在充滿鑄型、結(jié)晶和冷卻過程中表現(xiàn)最為突出的那些性能的綜合。流動(dòng)性、收縮性、氣密性、鑄造應(yīng)力、吸氣性。鋁合金這些特性取決于合金的成分，但也與鑄造因素、合金加熱溫度、鑄型的復(fù)雜程度、澆冒口系統(tǒng)、澆口形狀等有關(guān)。 (1) 流動(dòng)性 流動(dòng)性是指合金液體充

2、填鑄型的能力。流動(dòng)性的大小決定合金能否鑄造復(fù)雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動(dòng)性最好。 影響流動(dòng)性的因素很多，主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、金屬化合物及其他污染物的固相顆粒，但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力（俗稱澆注壓頭）的高低。 實(shí)際生產(chǎn)中，在合金已確定的情況下，除了強(qiáng)化熔煉工藝（精煉與除渣）外，還必須改善鑄型工藝性（砂模透氣性、金屬型模具排氣及溫度），并在不影響鑄件質(zhì)量的前提下提高澆注溫度，保證合金的流動(dòng)性。 (2) 收縮性 收縮性是鑄造鋁合金的主要特征之一。一般講，合金從液體澆注到凝固，直至冷到室溫，共分為三個(gè)階段，分別為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。合金的收縮性對(duì)鑄

3、件質(zhì)量有決定性的影響，它影響著鑄件的縮孔大小、應(yīng)力的產(chǎn)生、裂紋的形成及尺寸的變化。通常鑄件收縮又分為體收縮和線收縮，在實(shí)際生產(chǎn)中一般應(yīng)用線收縮來衡量合金的收縮性。 鋁合金收縮大小，通常以百分?jǐn)?shù)來表示，稱為收縮率。 體收縮 體收縮包括液體收縮與凝固收縮。 鑄造合金液從澆注到凝固，在最后凝固的地方會(huì)出現(xiàn)宏觀或顯微收縮，這種因收縮引起的宏觀縮孔肉眼可見，并分為集中縮孔和分散性縮孔。集中縮孔的孔徑大而集中，并分布在鑄件頂部或截面厚大的熱節(jié)處。分散性縮孔形貌分散而細(xì)小，大部分分布在鑄件軸心和熱節(jié)部位。顯微縮孔肉眼難以看到，顯微縮孔大部分分布在晶界下或樹枝晶的枝晶間。 縮孔和疏松是鑄件的主要缺陷之一，產(chǎn)生

4、的原因是液態(tài)收縮大于固態(tài)收縮。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鑄造鋁合金凝固范圍越小，越易形成集中縮孔，凝固范圍越寬，越易形成分散性縮孔，因此，在設(shè)計(jì)中必須使鑄造鋁合金符合順序凝固原則，即鑄件在液態(tài)到凝固期間的體收縮應(yīng)得到合金液的補(bǔ)充，是縮孔和疏松集中在鑄件外部冒口中。對(duì)易產(chǎn)生分散疏松的鋁合金鑄件，冒口設(shè)置數(shù)量比集中縮孔要多，并在易產(chǎn)生疏松處設(shè)置冷鐵，加大局部冷卻速度，使其同時(shí)或快速凝固。 線收縮 線收縮大小將直接影響鑄件的質(zhì)量。線收縮越大，鋁鑄件產(chǎn)生裂紋與應(yīng)力的趨向也越大；冷卻后鑄件尺寸及形狀變化也越大。 對(duì)于不同的鑄造鋁合金有不同的鑄造收縮率，即使同一合金，鑄件不同，收縮率也不同，在同一鑄件上，其長(zhǎng)、寬、高的

5、收縮率也不同。應(yīng)根據(jù)具體情況而定。 (3) 熱裂性 鋁鑄件熱裂紋的產(chǎn)生，主要是由于鑄件收縮應(yīng)力超過了金屬晶粒間的結(jié)合力，大多沿晶界產(chǎn)生從裂紋斷口觀察可見裂紋處金屬往往被氧化，失去金屬光澤。裂紋沿晶界延伸，形狀呈鋸齒形，表面較寬，內(nèi)部較窄，有的則穿透整個(gè)鑄件的端面。 不同鋁合金鑄件產(chǎn)生裂紋的傾向也不同，這是因?yàn)殍T鋁合金凝固過程中開始形成完整的結(jié)晶框架的溫度與凝固溫度之差越大，合金收縮率就越大，產(chǎn)生熱裂紋傾向也越大，即使同一種合金也因鑄型的阻力、鑄件的結(jié)構(gòu)、澆注工藝等因素產(chǎn)生熱裂紋傾向也不同。生產(chǎn)中常采用退讓性鑄型，或改進(jìn)鑄鋁合金的澆注系統(tǒng)等措施，使鋁鑄件避免產(chǎn)生裂紋。通常采用熱裂環(huán)法檢測(cè)鋁鑄件熱

6、裂紋。 (4) 氣密性 鑄鋁合金氣密性是指腔體型鋁鑄件在高壓氣體或液體的作用下不滲漏程度，氣密性實(shí)際上表征了鑄件內(nèi)部組織致密與純凈的程度。 鑄鋁合金的氣密性與合金的性質(zhì)有關(guān)，合金凝固范圍越小，產(chǎn)生疏松傾向也越小，同時(shí)產(chǎn)生析出性氣孔越小，則合金的氣密性就越高。同一種鑄鋁合金的氣密性好壞，還與鑄造工藝有關(guān)，如降低鑄鋁合金澆注溫度、放置冷鐵以加快冷卻速度以及在壓力下凝固結(jié)晶等，均可使鋁鑄件的氣密性提高。也可用浸滲法堵塞泄露空隙來提高鑄件的氣密性。 (5) 鑄造應(yīng)力 鑄造應(yīng)力包括熱應(yīng)力、相變應(yīng)力及收縮應(yīng)力三種。各種應(yīng)力產(chǎn)生的原因不盡相同。 熱應(yīng)力 熱應(yīng)力是由于鑄件不同的幾何形狀相交處斷面厚薄不均，冷卻

7、不一致引起的。在薄壁處形成壓應(yīng)力，導(dǎo)致在鑄件中殘留應(yīng)力。 相變應(yīng)力 相變應(yīng)力是由于某些鑄鋁合金在凝固后冷卻過程中產(chǎn)生相變，隨之帶來體積尺寸變化。主要是鋁鑄件壁厚不均，不同部位在不同時(shí)間內(nèi)發(fā)生相變所致。 收縮應(yīng)力 鋁鑄件收縮時(shí)受到鑄型、型芯的阻礙而產(chǎn)生拉應(yīng)力所致。這種應(yīng)力是暫時(shí)的，鋁鑄件開箱是會(huì)自動(dòng)消失。但開箱時(shí)間不當(dāng)，則常常會(huì)造成熱裂紋，特別是金屬型澆注的鋁合金往往在這種應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生熱裂紋。 鑄鋁合金件中的殘留應(yīng)力降低了合金的力學(xué)性能，影響鑄件的加工精度。鋁鑄件中的殘留應(yīng)力可通過退火處理消除。合金因?qū)嵝院?，冷卻過程中無相變，只要鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，鋁鑄件的殘留應(yīng)力一般較小。 (6) 吸氣

8、性 鋁合金易吸收氣體，是鑄造鋁合金的主要特性。液態(tài)鋁及鋁合金的組分與爐料、有機(jī)物燃燒產(chǎn)物及鑄型等所含水分發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的氫氣被鋁液體吸收所致。 鋁合金熔液溫度越高，吸收的氫也越多；在700時(shí)，每100g鋁中氫的溶解度為0.50.9，溫度升高到850時(shí)，氫的溶解度增加23倍。當(dāng)含堿金屬雜質(zhì)時(shí)，氫在鋁液中的溶解度顯著增加。 鑄鋁合金除熔煉時(shí)吸氣外，在澆入鑄型時(shí)也會(huì)產(chǎn)生吸氣，進(jìn)入鑄型內(nèi)的液態(tài)金屬隨溫度下降，氣體的溶解度下降，析出多余的氣體，有一部分逸不出的氣體留在鑄件內(nèi)形成氣孔，這就是通常稱的“針孔”。氣體有時(shí)會(huì)與縮孔結(jié)合在一起，鋁液中析出的氣體留在縮孔內(nèi)。若氣泡受熱產(chǎn)生的壓力很大，則氣孔表面光滑，

9、孔的周圍有一圈光亮層；若氣泡產(chǎn)生的壓力小，則孔內(nèi)表面多皺紋，看上去如“蒼蠅腳”，仔細(xì)觀察又具有縮孔的特征。 鑄鋁合金液中含氫量越高，鑄件中產(chǎn)生的針孔也越多。鋁鑄件中針孔不僅降低了鑄件的氣密性、耐蝕性，還降低了合金的力學(xué)性能。要獲得無氣孔或少氣孔的鋁鑄件，關(guān)鍵在于熔煉條件。若熔煉時(shí)添加覆蓋劑保護(hù)，合金的吸氣量大為減少。對(duì)鋁熔液作精煉處理，可有效控制鋁液中的含氫量。 二、砂型鑄造 采用砂粒、粘土及其他輔助材料制成鑄型的鑄造方法稱為砂型鑄造。砂型的材料統(tǒng)稱為造型材料。有色金屬應(yīng)用的砂型由砂子、粘土或其他粘結(jié)劑和水配制而成。 鋁鑄件成型過程是金屬與鑄型相互作用的過程。鋁合金液注入鑄型后將熱量傳遞給鑄型

10、，砂模鑄型受到液體金屬的熱作用、機(jī)械作用、化學(xué)作用。因此要獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件除嚴(yán)格掌握熔煉工藝外，還必須正確設(shè)計(jì)型（芯）砂的配比、造型及澆注等工藝。 三、金屬型鑄造 1、簡(jiǎn)介及工藝流程 金屬型鑄造又稱硬模鑄造或永久型鑄造，是將熔煉好的鋁合金澆入金屬型中獲得鑄件的方法，鋁合金金屬型鑄造大多采用金屬型芯，也可采用砂芯或殼芯等方法，與壓力鑄造相比，鋁合金金屬型使用壽命長(zhǎng)。 2、鑄造優(yōu)點(diǎn) (1) 優(yōu)點(diǎn) 金屬型冷卻速度較快，鑄件組織較致密，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能比砂型鑄造高15%左右。 金屬型鑄造，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，表面粗糙度優(yōu)于砂型鑄造，廢品率低。 勞動(dòng)條件好，生產(chǎn)率高，工人易于掌握。 (2) 缺點(diǎn) 金屬

11、型導(dǎo)熱系數(shù)大，充型能力差。 金屬型本身無透氣性。必須采取相應(yīng)措施才能有效排氣。 金屬型無退讓性，易在凝固時(shí)產(chǎn)生裂紋和變形。 3、金屬型鑄件常見缺陷及預(yù)防 (1) 針孔 預(yù)防產(chǎn)生針孔的措施： 嚴(yán)禁使用被污染的鑄造鋁合金材料、沾有有機(jī)化合物及被嚴(yán)重氧化腐蝕的材料。 控制熔煉工藝，加強(qiáng)除氣精煉。 控制金屬型涂料厚度，過厚易產(chǎn)生針孔。 模具溫度不宜太高，對(duì)鑄件厚壁部位采用激冷措施，如鑲銅塊或澆水等。 采用砂型時(shí)嚴(yán)格控制水分，盡量用干芯。 (2) 氣孔 預(yù)防氣孔產(chǎn)生的措施： 修改不合理的澆冒口系統(tǒng)，使液流平穩(wěn)，避免氣體卷入。 模具與型芯應(yīng)預(yù)先預(yù)熱，后上涂料，結(jié)束后必須要烘透方可使用。 設(shè)計(jì)模具與型芯應(yīng)考

12、慮足夠的排氣措施。 (3)氧化夾渣 預(yù)防氧化夾渣的措施： 嚴(yán)格控制熔煉工藝，快速熔煉，減少氧化，除渣徹底。AlMg合金必須在覆蓋劑下熔煉。 熔爐、工具要清潔，不得有氧化物，并應(yīng)預(yù)熱，涂料涂后應(yīng)烘干使用。 設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)必須有穩(wěn)流、緩沖、撇渣能力。 采用傾斜澆注系統(tǒng)，使液流穩(wěn)定，不產(chǎn)生二次氧化。 選用的涂料粘附力要強(qiáng)，澆注過程中不產(chǎn)生剝落而進(jìn)入鑄件中形成夾渣。 (4) 熱裂 預(yù)防產(chǎn)生熱裂的措施： 實(shí)際澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)避免局部過熱，減少內(nèi)應(yīng)力。 模具及型芯斜度必須保證在2°以上，澆冒口一經(jīng)凝固即可抽芯開模，必要時(shí)可用砂芯代替金屬型芯。 控制涂料厚度，使鑄件各部分冷卻速度一致。 根據(jù)鑄件厚薄情

13、況選擇適當(dāng)?shù)哪亍?細(xì)化合金組織，提高熱裂能力。 改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，消除尖角及壁厚突變，減少熱裂傾向。 (5) 疏松 預(yù)防產(chǎn)生疏松的措施： 合理冒口設(shè)置，保證其凝固，且有補(bǔ)縮能力。 適當(dāng)調(diào)低金屬型模具工作溫度。 控制涂層厚度，厚壁處減薄。 調(diào)整金屬型各部位冷卻速度，使鑄件厚壁處有較大的激冷能力。 適當(dāng)降低金屬澆注溫度。三、深孔的鏜鉸加工 深孔精密加工一直是孔加工中的難題。設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的刀具和工藝系統(tǒng)是改善深孔精密加工效果的有效方法。 針對(duì)材料為40Cr(調(diào)質(zhì))鋼、長(zhǎng)度為2800mm、孔徑為Ø65+0.08mm、表面粗糙度為Ra0.8µm、直線度為0.12mm的缸體內(nèi)孔精密加工，研

14、制了整套自導(dǎo)向鏜鉸刀及其工藝系統(tǒng)，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，加工效果較好。1、自導(dǎo)向鏜鉸刀 自導(dǎo)向鏜鉸刀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。所用刀片材料為YW1，用楔塊壓緊在刀體上；導(dǎo)向體材料為T15(經(jīng)淬硬處理)，其外圓比刀片部位略小0.040.06mm。刀片和導(dǎo)向套的外圓表面均需研磨，使其表面粗糙度比工件加工后的孔壁粗糙度要求至少高一級(jí)以上。導(dǎo)向體內(nèi)孔兩端有材料為ZQSn10-1的襯套，襯套內(nèi)孔與刀體為間隙配合。刀體、導(dǎo)向套、單向推力球軸承和鎖緊螺母組裝后，要求導(dǎo)向體及單向推力球軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無軸向竄動(dòng)；將鏜鉸刀頂裝在偏擺儀上，用百分表檢查，其刀片部位和徑向全跳動(dòng)應(yīng)不大于0.01mm，導(dǎo)向體繞刀體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的徑向全跳動(dòng)應(yīng)不大

15、于0.02mm。 圖1 自導(dǎo)向鏜鉸刀鏜鉸刀刀片的主要參數(shù)為：刃傾角=3°，前角=0°3°，后角=5°8°，切削刃棱寬f1=0.050.08mm，導(dǎo)向刃棱寬f2=0.20.25mm。 鏜鉸內(nèi)孔時(shí)，刀具的斷屑性能至關(guān)重要。如果切屑經(jīng)常纏繞在鏜桿或刀具上，就可能損壞刀片，損傷已加工表面，且易堵塞出油管。因此，進(jìn)行深孔鏜鉸加工時(shí)一定要保證斷屑穩(wěn)定可靠，即加工時(shí)切屑應(yīng)定向流出，先卷曲后折斷。為此需在刀片前角處磨出一月牙洼狀的斷屑槽，使切屑卷成小卷，并越卷越大，直至受刀具前面和切屑表面的擠推而彎曲折斷。月牙洼槽可在工具磨床上磨制，然后用20%白泥加80%碳

16、化硅粉用水調(diào)成糊狀作為研磨劑，用圓弧半徑為11.5mm的鑄鐵研磨輪研磨1530秒鐘，即可達(dá)到要求。月牙洼槽的主要參數(shù)為：倒棱寬度f=0.550.85mm，槽寬B=1.31.5mm。 鏜鉸刀開始加工時(shí)，導(dǎo)向體對(duì)刀體可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因拉刀切削而產(chǎn)生的軸向力由單向推力球軸承承擔(dān)，導(dǎo)向體與被加工孔壁保持滾動(dòng)摩擦狀態(tài)。我們過去設(shè)計(jì)的鏜鉸刀沒有可轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向體，而是在刀體外圓表面上布置了三處導(dǎo)向塊，由于導(dǎo)向塊太短，切削時(shí)，與已加工孔壁處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致孔壁因不規(guī)則的周期性硬擠壓而出現(xiàn)黑色條紋，未被擠壓部位則呈現(xiàn)灰白色條紋。由此使加工后的孔壁全長(zhǎng)表面形成明暗相間、有一定寬度的環(huán)狀條紋。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用可轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)

17、向體后，加工后孔壁環(huán)狀條紋消失，呈現(xiàn)出均勻光滑的黑色表面。 采用該鏜鉸刀加工時(shí)，切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n=100120r/min，切深t=1.52.5mm(單邊)，走刀量S=0.30.5mm/min。 2 深孔鏜鉸工藝系統(tǒng) 深孔鏜鉸工藝系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)可安裝在加長(zhǎng)的普通車床或臥式鏜床上進(jìn)行加工。首先將工件上的孔粗鉆至Ø77mm；然后用兩個(gè)V形塊裝夾工件，兩端的固定圈用螺栓與工件外圓緊固，再將端蓋、O形密封圈用內(nèi)六角螺釘與固定圈緊固；最后從右端將鏜桿連同鏜鉸刀一起送進(jìn)，鏜桿穿過襯套后，鏜桿端頭插入萬向節(jié)套，用錐銷鎖定，再把定位套連導(dǎo)套一起套上鏜鉸刀，將定位套與右端固定圈連接緊固。安裝完

18、畢后，啟動(dòng)油泵電機(jī)，將冷卻油泵入工件內(nèi)孔，然后啟動(dòng)機(jī)床，鏜桿旋轉(zhuǎn)，開始進(jìn)行切削加工。油泵參數(shù)為：壓力8MPa，流量12l/min。冷卻液為硫化油(加入適量氯化石蠟)。冷卻油除起到冷卻刀具的作用外，還可在刀片、導(dǎo)向體與已加工孔壁之間起到潤(rùn)滑作用，可減小摩擦，并將切屑從左端出油管強(qiáng)行排出。 圖2 深孔鏜鉸工藝系統(tǒng) 該工藝系統(tǒng)的工件進(jìn)給方向?yàn)橄蛴乙苿?dòng)，屬拉力切削方式。與推力切削相比，其鏜桿、鏜鉸刀不承受軸向推力，故振動(dòng)明顯減小，刀片不易崩刃。刀具進(jìn)入被加工孔時(shí)，刀片的導(dǎo)向刃可起到導(dǎo)向作用，刀片導(dǎo)向刃和轉(zhuǎn)動(dòng)體始終支撐在被加工孔的孔壁上，可平衡切削產(chǎn)生的徑向切削分力，引導(dǎo)刀具順利入孔，并可增強(qiáng)鏜桿的動(dòng)態(tài)剛度，確保已加工孔的軸線不偏向，從而提高深孔的直線度。刀片導(dǎo)向刃的另一作用是對(duì)孔壁起到擠壓作用。在加工中，導(dǎo)向刃在切削力作用下，擠壓被加工孔的孔壁，使其產(chǎn)生劇烈的彈塑性變形，從而熨平因切削加工形成的表面刀紋，降低孔的表面粗糙度值。此外，在導(dǎo)向刃與孔壁的強(qiáng)擠壓接觸區(qū)，擠壓溫度很高，可使金屬發(fā)生相變。由于導(dǎo)向刃的作用，導(dǎo)致孔壁附近金屬層里的金相纖維拉長(zhǎng)，晶格畸變。在充分冷卻潤(rùn)滑條件下，表層金屬急驟冷卻形成冷