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薄壁铝合金铸件的真空差压铸造研究

2019-06-01周发杰

智富时代 2019年4期
关键词:铝合金

周发杰

【摘 要】介绍了用于薄壁铝合金铸件的真空差压铸造工艺,具有装置简单,充型能力好的特点,对工艺进行了深入研究,工艺压力时间曲线具有优良的线性关系,具有优异的充型性功能。适用于薄壁铝合金铸件的生产。

【关键词】铝合金;薄壁铸件;真空差压铸造

高性能,复杂薄壁有色合金铸件是铸造业复杂的趋势,在航空航天等基础产业具有重要地位,现有的精密成型工艺不能满足复杂薄壁有色合金铸件的生产要求,本文研究在真空条件下低压充型的新型高差压铸造精密成型工艺,探讨了真空差压铸造工艺,解决国防与民用工业中小批量的复杂薄壁铝合金铸件精密成型问题。

一、复杂薄壁铝合金铸件成型技术研究

1.复杂薄壁铝合金铸件的基本概念

铸件的薄壁化是现代铸造技术的发展方向,复杂薄壁铸件壁薄小于4mm,难以加工成型,轮廓结构复杂,用气体铸造加工方法难以完成。铸件允许最小壁厚与合金种类密切相关,轻合金铸件壁厚为2-4mm时,可称为薄壁铸件,铝合金铸件壁厚小于2mm,可称为超薄壁铸件【1】。

复杂薄壁铸件在铸件浇筑中,拉普拉斯力对充型的流动状态有很大的影响。薄壁铸件传热学因素在充型中起重要作用。复杂薄壁类铸件成型特点是充型面积大,冷却速度快,金属液流动通道弯曲,采用重力浇筑难以满足要求。复杂薄壁铸件成型工艺应满足充型速度快,增强补缩能力,选择合适的铸型材料等要求。

2.压力铸造

压力铸造是在压铸机压室内,在高压作用下快速充填型腔,采用压铸工艺生产的铸件组织精密,铸件表面光洁,一般压铸件可不经加工即可使用,可压铸形状复杂的薄壁铸件。目前几乎所有的轿车变速器壳,化油气壳等都采用铝压铸件。

压力铸件是得到高精度铝合金铸件的常用工艺,薄壁铝合金铸件压铸成型工艺是压铸工艺的关键技术。采用较高的内浇口充填速度,严格其他压铸工艺,薄壁铝铸件压铸成品率也只能达到80%,主要因为压铸工艺压铸模结构复杂,周期长,成本高,传统压铸工艺生产压铸缺点是气孔,降低了压铸件的机械性能,金属液在高速充填中型腔内气体阻力增大,充填速度损耗增加,薄壁件充填成型凝固时间短。

真空压铸法将铸型型腔内的空气在金属液充填钱用真空泵抽出,目前生产的真空压铸件经T6处理,充氧压铸法是使压室内的空间充氧置换,液体金属充填时,喷散铝液与末排除的氧气反应,用充氧压铸法生产铸件含气量为普通压铸法的1/10,目前广泛应用于铝车轮毂的生产,具有较高的机械性能,用于紧急救援车十分理想。

3.挤压铸造

挤压铸造工艺在80年代开始在欧洲进行商业化生产,工艺将一定的量的金属液体浇入金属型内使之成型与结晶凝固,金属直接在压力下结晶凝固,铸件不会产生气孔等铸造缺陷,晶粒细化,得到的挤压铸件可进行热处理。

挤压铸造的缺陷是铸造形状复杂件有一定限制,与压铸相比铸型寿命短,铸件有时出现反偏析【2】。

二、真空差压充型原理

反重力铸造法是50年代初发展的铸造新方法,使坩埚内金属液在气体压力作用下,充填铸型获得铸件,反重力铸造工艺得到了广泛的应用,能铸造复杂薄壁铸件,相继出现了多种反重力铸造方法,差压铸造反重力精密成型技术具有较大的优势,但在一些方面仍存在一定的局限性。对在较高温度下工作的零件尺寸稳定性有不良影响,铝液表面形成氧化膜带入铸型中,影响对铸件薄壁部位的充填。

在真空条件下低压充型的真空差压铸造工艺,充型与结晶可在不同压力下进行,解决了一般反重力铸造工艺存在的气体反压力等问题。

高温金属液的充型是在外力作用下的复杂流动过程,要求金属液的充型速度等于常数,

h为金属型充型时上升高度m,P为坩埚中金属液面与升液管中金属液面间所受的压力差pa,f为充型阻力系数,与铸件的壁厚,形状等有关。T为金属液的充型时间s,γ为金属液的重力密度,N/mm3.

真空泵导管的流导很小时,抽气呈粘滞流状态,其时间与负压关系可表示为t=t为抽空时间s,p为负压Mpa,V为真空室容积L。A为与气体的温度,管径及长度等有关的常数。Dp/dt非常数,在真空吸铸情况下不能得到线性无扰动充型。

压力容器增压时,壓力与时间关系为p=p0(1-),p为充气时间压力pa,t为重启时间s,T=RC为充气时间常数,R为阀门气阻,C为压力腔气容。

在一定条件下,充气时间与压力关系可以是很好的线性关系,实现金属液的平稳充型。

三、真空差压铸造试验

图1为自制真空差压装置原理图,分为上下真空罐,电阻炉与坩埚放在真空罐中,用升液管与真空罐相连,D,F阀门关闭,从A口抽真空,充型时,关闭C,E阀门,以一定的流量向下真空罐通入氮气,使铝合金液充型,关闭D,A阀门。上下罐同时排压。

4.下真空罐 5.电阻炉

对图2试样进行充型试验,用截面积为20×16mm的横浇道与φ35mm的直浇道连接,高度为145mm,铝合金材质为ZL101[w(Si)=6.8%m,w(Mg)=0.45%,w(Fe)=0.21%]铝合金液达到合适的温度后,用五毒精炼剂除气。

四、结果讨论

用压力传感器对真空压装置真空罐压力-曲线进行测定,真空罐安装压力传感器,用多通道数据采集仪采集数据得到压力-时间曲线。上室处于抽真空状态,下室有不同的压力段。对上下罐同时抽真空,可使得铸型中气体排空,消除充型时背压,对坩埚抽真空可使高温铝合金液氢析出,使铝合金液处于负压保护下。

将充型阶段放在C段可得到线性度良好的压力时间关系。一般的铝合金件充型后需要压保过程,工艺具有快速加压的过程。

在薄壁铸件情况下,金属液凝固速度快,要使得薄壁铸件完全成型,必须使金属液凝固钱快速流动,压差的变化率是影响薄壁铸件充型的重要因素。

同一真空度下,φ16mm的圆柱试样在很低的加压速率情况下能快速充满,试片越薄,所需差压速率越大。反之充型高度越低。

真空差压铸造中,铸型与坩埚抽空是工艺的基础,真空度减小了铸型腔中的背压,真空度为充型压差建立了较低的压力起点,容易建立较大的充型差压。

将真空差压铸造与重力铸造等方法进行比较,验证真空差压铸造的充型能力的优越性。真空差压铸造在1mm厚的试样上体现了很好的充型能力,对1mm厚的试片,真空差压铸造充型你呢里比真空吸铸高,重力铸造充型能力最差。采用真空差压铸造是最佳的选择。差压铸造的铝合金铸件最小壁厚为2mm,真空差压铸造充型能力较一般差压铸造好。

五、结语

铸型真空状态,金属液充型中无卷气的危险,减少了气孔缺陷。坩埚内金属液体表面有氮气保护,能得到干净的铝合金液体。薄壁铸件真空差压铸造法充型能力较好,金属液靠上下真空罐线性度很好的压差升液,充型工艺参数容易控制。

【参考文献】

[1]袁文锋,李克.发动机整体薄壁铝合金精铸件真空差压铸造[J].航空制造技术,2017(19):96-100.

[2]潘飞. 超声施振温度对真空差压铸造铝合金微观组织和机械性能的影响[D].南昌航空大学,2016.

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