液態(tài)擠壓鑄造工藝的選擇

液態(tài)擠壓鑄造工藝的選擇

受汽車工業(yè)的快速發(fā)展影響，壓裂是汽車零部件的主要生產手段。絕大多數壓鑄件由于內澆道比較薄(1.0~1.5mm),內澆道處液流速度高達20~60m/s,合金液填充鑄型成渦流狀態(tài),鑄型型腔內氣體不能有效排除,造成金屬液與空氣高密度混合,在極高壓力下氣泡被壓縮到1~100μm級尺寸,而且比較集中在局部熱節(jié)處,小氣孔常與疏松共生在一起,因此壓鑄件一般不能深度加工,也不能進行固溶熱處理,對于生產高力學性能、高致密度的耐壓零件,壓鑄顯然不能勝任。近10年內由于擠壓設備和理論研究高速發(fā)展,許多原來用壓鑄方法生產的零件改用擠壓鑄造法生產獲得良好效果。然而并不是所有零件一經擠壓鑄造成型都能獲得滿意的產品質量,有時由于零件結構、擠壓工藝和擠壓設備的限制,擠壓鑄造的產品甚至比壓鑄產品、金屬型重力鑄造的產品質量還要差,缺陷更多,生產率和成品率更低。本文對幾年來所經歷擠壓鑄造失敗的教訓、產品缺陷以及成功經驗作了簡單分析和討論,并對我國今后擠壓鑄造業(yè)發(fā)展提出一些建議。1擠壓鑄造的特點(1)擠壓鑄造設備必須具備低流速(0.05~1.50m/s)大流量填充鑄型的能力,以便使金屬液體較平穩(wěn)地填充鑄型和將鑄型內氣體趕出鑄型,而且要求在鑄型被充滿后擠壓活塞能夠急速增壓(50~150ms內),使充滿鑄型的金屬液在較高壓力(>50MPa)下結晶。(2)擠壓鑄造的內澆道一般開在鑄件最厚部位,而且尺寸比較大,其目的是讓擠壓活塞所提供的壓力有效傳遞到鑄型各部位,造成在高壓下結晶,也因此擠壓鑄件內澆道一般用機械加工方法去除,不能像壓鑄件那樣輕易敲斷去除。(3)擠壓鑄造與壓鑄相比,它可以通過擠壓活塞對鑄件肥厚部分進行補縮,而壓鑄一般不能補縮。因此擠壓鑄造可以生產10~50mm的壁厚不均的鑄件,而壓鑄件一般僅限于生產壁厚小于5mm的壁厚均勻的鑄件。(4)擠壓鑄造與壓鑄一樣只用脫模劑,而不像金屬型重力鑄造和低壓鑄造采用絕熱或保溫涂料再加上壓力下結晶,所以擠壓鑄造冷卻速度與壓鑄一樣可以達到金屬型重力鑄造冷卻速度的3~5倍(300~400℃/s)。因此擠壓鑄件的力學性能,特別是伸長率高于其他鑄造方法1~2倍。(5)擠壓鑄造由于只用脫模劑,不用保溫涂料,鑄件冷卻速度快,且在高比壓下結晶,液態(tài)金屬緊貼鑄型,故鑄件尺寸精度(CT3~4級)、表面粗糙度(<Ra3.2)等級都非常高,對于150mm以下尺寸的擠壓鑄件,在鑄型上幾乎可以不考慮收縮。(6)擠壓鑄造鑄件可以與金屬型重力鑄造鑄件一樣,進行固溶及時效熱處理,以大幅度提高鋁合金的力學性能。2機作乳液鑄造機中國目前絕大多數工廠所用擠壓設備是采用油壓機改裝而成,常采用YA-200,YA-315和YA-500等機型。其下頂缸擠壓力分別為400kN,630kN,1000kN。主缸鎖模力分別為2000kN,3150kN,5000kN。用油壓機作液態(tài)擠壓鑄造機,主要存在3個問題。(1)在間接擠壓時經常用下面頂出缸作擠壓缸用,此時必須在合型前將液體金屬澆入料缸內,然后合模,而且要在鎖模力達到預定最大鎖模力后,下面的擠壓缸才能開始動作,這一段時間最少也要5s。此刻液體金屬在料缸內已有部分開始凝固,金屬流動性大大下降,影響金屬液平穩(wěn)填充整個鑄型,而且由此液體金屬也需要一定過熱度。(2)用油壓機作液態(tài)擠壓鑄造機,其下面的頂出缸上升速度較慢,而且不可調節(jié)。因此在間接擠壓中對不同零件不可能擁有最佳擠壓速度和不同速度組合。(3)油壓機沒有壓鑄機和擠壓鑄造機所擁有的N2氣貯能器。因此它不可能有在鑄型充滿后瞬時升壓的特點,也不配備局部加壓裝置。目前國內用油壓機進行擠壓鑄造還有一部分是沖頭式直接擠壓鑄造,也可以稱為液態(tài)模鍛。這種沖頭式直接擠壓鑄造只限于鑄造形狀簡單、壁厚比較均勻的小尺寸零件。3用壓機壓制鑄造常見缺陷(1)壓壓機上下孔口壓縮擠壓鑄造中在鑄型被充滿后,冷卻極快,鑄件最外層立即凝固成一層金屬,鑄件中心未凝固,需要的補縮不可能通過冒口得到補縮。唯一可能得到補縮的通道就是連通料缸的內澆道。如果內澆道不是足夠大,再加上油壓機不能瞬時增壓,鑄件中最后凝固的地方必定留下縮孔,其中縮松是普遍存在的。所以有時候用這種方法擠壓的鑄件其致密度甚至還比不上金屬型重力鑄造鑄件,因為后者可以有冒口補縮,而擠壓鑄件除內澆道補縮外,不可能再有冒口補縮。國內普遍用油壓機進行沖頭式直接擠壓鑄造,鑄件壁厚不可能完全相同,這種沖頭式直接擠壓時,由于鑄件壁薄的地方比較早的凝固,沖頭向下的作用力絕大部分消耗在較早凝固的薄壁部分,薄壁部分成為沖頭向下的“支撐點”,阻礙沖頭對厚大的尚未凝固的熱節(jié)部分的進一步擠壓,使最后凝固的厚壁部分常出現(xiàn)縮孔、縮松。(2)小氣孔的壓縮用油壓機擠壓,一般鑄造節(jié)拍比較慢。如果鑄型設計不盡合理,鑄型表面溫度比較低(200℃),在料缸尺寸比較大、內澆道尺寸較小、金屬流動距離比較長的條件下(例如摩托車輪),金屬流動速度必定比較大。這種擠壓狀況就比較接近于壓鑄,金屬在內澆道附近流速常常達10m/s以上,一定會將鑄型內氣體卷入金屬液,在壓力下被壓縮成1~100μm的小氣孔。這種小氣孔在隨后的固溶熱處理中受熱膨脹,造成鑄件表面起泡,將泡挑開,就呈現(xiàn)一個孔洞。此外,模具溫度低,每模必噴的脫模劑水分未干,也是造成鑄件熱處理后表面起泡的原因之一。(3)壓壓機間接擠壓油壓機的下頂出缸速度較慢,再加上澆入金屬后合模、鎖模時間的耽誤,被擠壓的金屬液在較小的壓力下填充鑄型,凝固時也不可能瞬時接受高壓壓力,所以用油壓機間接擠壓鑄件時,經常出現(xiàn)冷隔和裂紋缺陷,即使是用流動性極好的ADC12合金,也常會出現(xiàn)這種缺陷。4加強資源整合和壓壓過程的研究,提高模具設計的精度和質量(1)目前我國大多數廠家的擠壓鑄造仍應用油壓機,其產品尺寸和質量比較小,形狀比較簡單,產品質量欠穩(wěn)定。對于一些高強度、高氣密性、結構比較復雜的大型零件,顯然不能勝任,所以國內鑄造設備研究單位和工廠應加速發(fā)展符合擠壓鑄造工藝要求的半熱室或熱室液態(tài)擠壓機,特別是采用計算機和傳感技術對模溫、擠壓速度、擠壓比壓進行嚴格監(jiān)控,采用先進的電磁泵輸送技術和恒定液面保溫爐,以保證我國擠壓鑄造水平與世界先進國家同步。(2)加強液態(tài)金屬擠壓填充過程理論的研究,尤其是對寬結晶區(qū)間流動性欠佳,具有糊狀凝固特點的非鑄造合金充型過程的研究,以便正確設計擠壓筒形狀和尺寸、內澆道位置及尺寸、排氣通道、排氣塊和集渣包位置和尺寸,從而保證液態(tài)金屬平穩(wěn)填充鑄件,防止活塞潤滑劑、夾渣及已凝固金屬擠入