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压铸生产的过程管理和质量提升
发布日期:2015-02-12  来源:四川绵阳长城实业有限公司  作者:高映法 冯文 王想义  浏览次数:681
核心提示:铸生产具有周期较长,过程不易受控;可变因素多,质量稳定性差等特点。过程管理直接影响着产品的质量。笔者在多年的工作中,探讨了炉料及熔炼过程、压铸工艺及压铸模具对产品质量的影响。
随着制造技术的进步;汽车、摩托车的日益轻量化,环保节能的逐步提高;电器仪表、通讯器材、建筑五金等行业的迅猛发展,带动了我国压铸业以前所未有的速度向前发展。我国压铸机的设计与制造、压铸件的工业化生产始于20世纪的50年代,压铸件的年增长速度为11%~13%,2002年为62.4万t,2003年为69.8万t,2004年约为80万t|。

压铸生产效率高,能压铸形状复杂、尺寸精确、轮廓清晰、表面质量较好、强度、硬度都较高的压铸件。但普通压铸件的含气量大致为金属型铸件的10一20倍,砂型铸件的5倍。因此,压铸件一般无法用热处理来提高其力学性能bj。由此可见,在压铸生产的过程管理中,从炉料及熔炼过程、压铸工艺及压铸模具等方面来稳定和提升产品质量显得尤为重要。

1 炉料及熔炼过程的管理

1.1炉料的质量控制

炉料包括合金锭、中间合金和回炉料,回炉料由未重熔的回炉料和重熔的回炉料组成。合金锭和中间合金的化学成分、表面状态和其他质量指标必须符合规定的材料牌号及其技术标准的要求。其化学成分必须符合国际或国家标准的要求;其表面应整洁、光滑、无粗糙感,不得有油污、霉斑和氧化皮,若表面氧化严重,应喷丸去除氧化皮;其断口组织应致密,不得有严重偏析、缩孔、熔渣及夹杂物。

回炉料包括废压铸件、料饼、浇道、飞边毛刺、切削后的渣料及坩埚底部100 mm以下的余料(即坩埚底料)等,应严格分类和管理,不能混杂。回炉料应清洁,不得带有油污、锈蚀、泥沙、水分、过滤网及镶嵌件等。回炉料中的飞边毛刺、切削后的渣料及坩埚底料,必须重熔、除渣、除气、制锭、分析成分合格后再作炉料使用。因为Al、Mg、zn等是极易氧化的金属,飞边毛刺、切削后的渣料中、MgO、zn0含量较多,合金液被污染也更为严重。特别是潮湿的碎屑回炉料,比表面积越大,所含的水分就更多,致使炉气中水蒸气的分压升高,产生氢的化学反应更为迅速,合金液中氢含量就显著增加。再加上碎屑回炉料本身氧化严重、夹杂物含量偏高,因此不宜直接用作炉料。炉料被油污、泥土污染也影响到合金液中氢和夹杂物的含量,因为炉料表面油污和泥土中的水分使炉气中水蒸气分压升高,加速合金液的吸氢和氧化,而且泥土本身就是非金属氧化物,混入合金液中自然增加夹杂物含量。因此被油污、泥土污染严重的回炉料同飞边毛刺、切削后的渣料及坩埚底料一样,必须重熔、除渣、除气、制锭、分析成分合格后再作炉料使用。

合金锭、中间合金、回炉料等炉料应保存在干燥、通风、无爆晒的库房内并尽量缩短存放时间,以免炉料受潮及氧化。炉料在熔炼前要进行烘烤以除去水分和防止铝液溅射,烘烤温度300~350℃,时间不少于2 h。铝合金的组织具有遗传性,炉料质量的好坏直接影响到压铸件质量的优劣。因此,控制好炉料的质量是生产高质量压铸件的必要条件。

1.2熔炼过程的质量管理

坩埚、锭模、钟罩、撇渣勺、舀料勺等熔炼工具使用前必须除尽残余金属、熔渣、氧化皮等污物以保证压铸件化学成分合格。在有色金属熔炼领域,主要使用石墨坩埚和铸铁坩埚,坩埚炉的金属烧损率为1%一2%,无坩埚可达5%~25%。熔炼Al、cu、zn合金均可采用石墨坩埚以防止合金液中Fe含量超标;熔炼Mg合金不能使用石墨坩埚,因为所有的Mg合金中si含量都较低。石墨坩埚使用前可借助超声波探伤检查,不得有裂纹、穿孔和明显的变形等,第一次使用前应按要求进行焙烧以去除水分并防止爆裂。锭模、钟罩、撇渣勺、舀料勺等熔炼工具使用前应预热并涂上防护涂料,再经200—300℃预热不少于1 h以防合金液飞溅和Fe含量超标。涂有防护涂料的熔炼工具使用时间以涂料不脱落为原则,一般不超过48h。

熔化时加料原则是难熔的先加,易熔的后加;不易氧化的先加,易氧化的后加;不易挥发的先加,易挥发的后加;量大的先加,量小的后加。但在实际中通常先加易熔的,过热后加入难熔的,靠扩散、稀释、溶解作用熔化难熔成分。加料顺序一般为:先加回炉料,再加中间合金,最后加合金锭。压铸件料饼及浇道作为二级回炉料,加入量应小于40%。自配合金液应考虑合金元素的烧损,铝合金液中元素的烧损(质量分数)一般为:Al为1.5%,Si为2%,Cu为l%,Mg为20%,Mn为2.5%。

合金液中夹杂物主要有氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等。铝合金液中常见夹杂物有等,其中含量最高,达合金液质量的0.00%~0.020%。在合金液中分为3类:①分布不均匀的大杂块,尺寸≥20nm;②分布均匀的采用精炼处理可以除去的细片状杂,尺寸10—20nm;③分布均匀的采用精炼处理难以除净的,弥散于合金液中的微片状杂,尺寸<10nm,这类夹杂物不仅是恶化合金液的主角,也是遗传的主体,直接影响压铸件的质量。弥散于合金液的和Al结成一体,其界面成为吸附氢的活动中心,不断富集氢达到一定尺寸自发形核成气泡。

大气中氢的分压极低,约,比铝合金液中氢的分压低得多。可见铝合金液中氢并非来源于大气中的氢,而是来自铝合金液和大气中水蒸汽的反应:,这就是要求炉料及熔炼工具必须干燥和预热的唯一原因。铝合金液中氢含量(体积分数)占所有气体的60%以上,最高可达90%,分为大量溶解于其中的原子态氢[H]、存在于及其他夹杂物缝隙中的分子态氢H2、形成氢化物产生氢脆的化合态氢。合金液中氢含量受温度、保温时间等因素的影响,在铝液中氢含量与温度之间基本成直线关系;保温时间延长,氢含量增加。因此在熔炼时应尽量缩短时间,特别是从精炼后到压铸完毕的时间不宜超过4 h,并严格控制温度。

铝液中气寄生于杂,杂吸附着气,杂多则气多,杂少则气少,杂的存在是气难以除净的关键因素,除气必除杂,除杂是除气的基础。精炼的目的就是除去铝液中的气体和杂质。铝液的精炼可分为吸附精炼和非吸附精炼,吸附精炼过程中铝液跟吸附剂相接触,通过物理、化学或机械作用达到除杂、除气的目的,如吹气法、过滤法、熔剂法;非吸附精炼则不加入吸附剂,而通过物理作用(如真空、超声波、密度差),改变铝液.气体系统或铝液一夹杂物系统的平衡状态,从而使气体和夹杂物从铝液中分离出来,如静置、真空处理、超声波处理。最常用的熔剂法可使100 g铝液含氢量(700℃)<0.10 ml,达到针孔度一级的要求;较先进的喷射熔剂法(即FI法)和旋转叶轮法(即FID法)可使100 g铝液含氢量(700℃)<0.06ml,完全达到高质量铝合金的要求。铝液质量的现场检验多采用测氢仪(如SQH一1、ALUSPEED)和直读光谱仪。

2 压铸工艺的优化和模具的正确使用

2.1压铸工艺的优化

压铸工艺的受控和优化是压铸生产的重要环节,直接影响到压铸件的内在和外在质量。压铸工艺的参数主要有压力、速度、温度和时间。

2.1.1压力

压力是获得轮廓清晰、组织致密的压铸件的主要因素。在压铸生产中经常使用的压力是压射比压,即压室内金属液单位面积上所受的压力,可通过压力表读数进行监控。压射比压对金属液填充型腔的能力,压铸件的强度、致密性均有很大影响。增大压射比压可提高压铸件强度和致密性;但压射比压过高,会降低压铸模的使用寿命,增加粘模倾向,并使压铸件的伸长率显著下降。在保证压铸件成形和使用要求的前提下,应选用较低的压射比压。铝合金常用比压为30~60 MPa,锌合金为20~30 MPa。

2.1.2速度

压射速度包括冲头速度(即压射缸内活塞的运动速度)和填充速度(即内浇道速度)。填充速度指熔融合金通过内浇道的线速度,是保证压铸件质量的重要参数。填充速度≤40 rn/s时,气体先于金属液从模具型腔中排出。

2.1.3温度

压铸时的温度包括浇注温度和压铸模型腔表面温度。浇注温度过高,合金液易氧化,形成氧化夹渣;晶粒粗大,恶化结晶组织;含气量增加,压铸件厚壁处易形成针孔、缩孔,表面形成气泡,降低力学性能;而且高温合金液会加快对模具型腔的腐蚀。浇注温度过低,合金液易产生成分偏析,压铸件则存在硬质点,造成加工困难;而且粘度增大,流动性降低,成形困难,容易形成冷隔、流纹、浇注不足等缺陷。为保证温度稳定,坩埚内合金液应不少于1/3,决不能使合金液在坩埚内冻结。在保证压铸件成形的条件下,应选用较低的填充速度和浇注温度以减少压铸件气孔及延长压铸模寿命。

压铸模型腔表面温度过高,压铸件易产生表面气泡、粘模等缺陷;该温度过低,压铸件易产生欠铸、破裂、流纹、冷隔等缺陷。冷模具压铸轻合金比200℃压铸应力增加35%。压铸模型腔表面温度一般要求在200~300℃之间,以压铸件容易取出时的温度为佳。

2.1.4 时间

压射时间由慢压射时间(<10 s)、快压射时间(0.01~0.2s)、增压时间(0.02~0.04 s)、持压时间(<10s)、留模时间(<30s)组成。在生产中通常把持压时间和留模时间合在一起进行控制和优化,简称持压、留模时间,足够的持压、留模时间是压铸件在开模和顶出时不产生变形或拉裂的必要条件。

2.2 模具的正确使用与维护

模具是保证压铸件尺寸符合图纸要求的关键因素,同时影响到压铸件的表面粗糙度和内在气密性。在压铸生产的过程中,应根据压铸件是否拉伤、裂纹及脱模效果,适当增大拔模斜度和铸造圆角;根据产品的压铸性能和加工面上气孔出现的多少,完善溢留槽、排气槽的分布和设计,优化浇注系统,尽量缩短合金液的流程,把气孔安排在无气密性要求的非加工部位。因为浇注系统决定合金液填充型腔的路径和状态,对于减少气孔和杂质,获得组织致密的压铸件有重要作用;及时更换变形、弯曲、断裂的型芯、复位杆、滑块等易损件以保证压铸件尺寸合格;压铸件上顶杆凹陷深度≤0.4mm,非加工面凸出≤0.2mm,待加工面凸出≤1.0mm,若不在此范围应及时调整顶杆长度以避免压铸件缺陷;模具分型面和滑块、抽芯等活动部位易形成飞边、毛刺,当无特殊要求时应尽量减少。

压铸模硬度选择原则:zn、Sn、Pb合金用模具钢硬度为HRC50~55;Al、Mg合金用模具钢硬度为HRC42~48,其中3Cr2w8V硬度宜用HRC42~46,H13硬度宜HRC44~48;cu合金用模具钢硬度为HRC38~42。当压铸模硬度下降至HRC30时,要设法修复,如渗氮、渗硼、渗铝、渗硫、碳氮共渗、碳氮硫共渗、软氮化,因为丧失表面硬度比残余应力更易导致热裂纹的出现。压铸模具首次5000模、以后每10000模后应进行去应力回火处理1次以延长其寿命。

3 结语

压铸生产是较为复杂的过程,涉及到压铸模设计与制造、压铸机参数的调整、压铸合金及熔炼、压铸工艺与模具使用、毛坯件去毛刺及其表面处理等,这些都与压铸件的质量密切相关。在压铸生产中,过程决定结果,良好的过程管理会导致稳定的产品质量,受控的批量生产将带来规模化的经济效益。









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