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鋁型材低壓鑄造工藝技術

作者: 時間:2019-05-2189 次浏覽

低壓鑄造法的雛形可以追溯到本世紀初。鋁托盤鋁材應用于裝飾或某些特定的場合時,需要對其表面進行陽極氧化,塗裝等加工,以獲得相應的顔色和表面組織,這時其裝飾性應該重點考慮的,一般而言,耐蝕性較好的材料,其陽極處理性能,表面處理性能,塗裝性能都非常出色。适用于鋁型材是1917年在法國,1924年在德國提出的申請,但并沒有形成大規模的工業生産。為商業的目的而開始生産是在二戰以後的1945年,由英國的路易斯先生創立了阿魯馬斯庫公司,開始生産雨水管道、啤酒容器等。在那以後的五十年代裡,奧地利和德國開始生産氣缸頭。

1958年美國的澤讷拉路默它斯在小型汽車的發動機零件上(氣缸頭、箱體、齒輪箱)大量運用了鋁型材鑄件,并采用了低壓鑄造法。這件事對至今仍廣泛(extensive)采用的低壓鑄造法而言是不可或缺的推動,特别是在全世界的汽車工業界引起了極大的反響。低壓鑄造法被介紹進我國是1957年左右,但真正引起業界的注意(attention),開始進行各種研究、引進設備(shèbèi)是從1960年左右開始的。但是這種打破了以往常識的劃時代的工藝方法,幾乎沒有冒口,與已經作為一種 ;技術 ;确立起來的重力金型鑄造的技術相比具有完全不同的難度,因此業界的反應比較冷淡。
在這種狀況下,1961年的輕型汽車用空冷氣缸頭的生産成為低壓鑄造法在我國實用化的開端。以後的發展非常迅速,在克服了多個技術難題後,利用低壓鑄造法所具有的材料(Material)利用率高、容易實現注湯自動化等優點,以汽車部件為中心,逐步(step by step)确立了輕合金鑄件的主要鑄造法的牢固地位。目前在鋁型材鑄件的生産量中,低壓鑄造品已占了大約50%,并以其巨大的生産量和優良的品質(Character)而著稱于世。産品擴大到汽車相關(related)部件,如氣缸頭、氣缸體、刹車鼓、離合器(Clutch)罩、輪毂、進氣岐管等。特别是1970年以後大量應用在輪毂上,并且随着近年來的汽車輕量化和提高性能等要求,在以往從未有過的複雜内部品質和機械性質的嚴格要求下,氣缸頭、氣缸體上的使用也逐漸增加。
1 概述  
 低壓鑄造是便液體金屬在壓力作用下充填型腔(mold cavity),以形成鑄件的一種方法。由于所用的壓力較低,所以叫做低壓鑄造。其工藝過程(見圖1)是:在密封的坩埚(或密封罐)中,通入幹燥的壓縮空氣,金屬液2在氣體壓力的作用下,沿升液管4上升,通過澆口5平穩地進入型腔8,并保持坩埚内液面上的氣體壓力,一直到鑄件完全凝固(solidification)為止。然後解除液面上的氣體壓力,使開液管中未凝固的金屬液流坩埚,再由氣缸12開型并推出鑄件。 圖1 低壓鑄造的工藝示意圖
1一保溫爐2一液體金屬3一坩埚4一升液管5一澆口6一密封蓋7一下型8一型腔9一上型
10一頂杆11一項杆闆12一氣缸13一石棉密封墊 
  低壓鑄造獨特的優點表現在以下幾個方面:
  
  1.液體金屬充型比較平穩;
  
  2.鑄件成形性好,有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件,對于大型薄壁鑄件的成形更為有利;
   
3.鑄件組織緻密,機械性能高;
   
4.提高了金屬液的工藝收得率,一般情況下不需要冒口,使金屬液的收得率大大提高,收得率一般可達90%。
    
此外,勞動條件好;設備簡單,易實現機械化和自動化,也是低壓鑄造的突出優點。
2 低壓鑄造工藝設計 
  低壓鑄造所用的鑄型,有金屬型和非金屬型兩類。金屬型多用于大批、大量生産(Produce)的有色金屬鑄件,非金屬鑄型多用于單件小批量生産,如砂型,石墨(化學式C )型,陶瓷(原料:非金屬礦物)型和熔模型殼等都可用于低壓鑄造,而生産中采用較多的還是砂型。但低壓鑄造用砂型的造型材料的透氣性和強度應比重力澆注時高,型腔中的氣體,全靠排氣道和砂粒孔隙排出。
  
  為充分利用低壓鑄造時液體金屬在壓力作用下自下而上地補縮鑄件,在進行工藝設計時,應考慮(consider)使
  
  鑄件遠離澆口的部位先凝固(solidification),讓澆口最後凝固,使鑄件在凝固過程中通過(tōng guò)澆口得到補縮,實現順序凝固。常采用下述措施:
   
1.澆口設在鑄件的厚壁部位,而使薄壁部位遠離澆口;
   
2.用加工裕量調整鑄件壁厚,以調節鑄件的方向性凝固;
   
3.改變鑄件的冷卻(cooling)條件。
    對于壁厚差大的鑄件,用上述一般措施又難于得到顧序凝固的條件時,可采用一些特殊的辦法,如在鑄件厚壁處進行局部冷卻,以實現順序凝固。
3 低壓鑄造工藝
    低壓鑄造的工藝規範包括充型、增壓、鑄型預熱溫度、澆注溫度,以及鑄型的塗料等。
  
  (1)充型和增壓
    升液壓力是指當金屬液面上升到澆口,附所需要的壓力。鋁托盤鋁材應用于裝飾或某些特定的場合時,需要對其表面進行陽極氧化,塗裝等加工,以獲得相應的顔色和表面組織,這時其裝飾性應該重點考慮的,一般而言,耐蝕性較好的材料,其陽極處理性能,表面處理性能,塗裝性能都非常出色。金屬液在升液管内的上升速度應盡可能緩慢,以便有利于型腔内氣體的排出,同時也可使金屬液在進入澆口時不緻産生噴濺。
    
(2)充型壓力和充型速度
    充型壓力Pa是指使金屬液充型上升到鑄型頂部所需的壓力。在充型階段,金屬液面上的升壓速度就是充型速度。
    
(3)增壓和增壓速度
    金屬液充滿型腔後,再繼續增壓,使鑄件的結晶凝固在一定大小的壓力作用下進行,這時的壓力叫結晶壓力。結晶壓力越大,補縮效果越好,最後獲得的鑄件組織也愈緻密。但通過結晶增大壓力來提高鑄件質量,不是任何情況(Condition)下都能采用的。
    
(4)保壓時間
    型腔壓力增至結晶壓力後,并在結晶壓力下保持一段時間,直到鑄件完全凝固所需要的時間叫保壓時間。如果保壓時間不夠,鑄件未完全凝固就卸壓,型腔中的金屬液将會全部或部分流回批捐,造成鑄件 ;放空 ;報廢:如果保壓時間過久,則澆口殘留過長,這不僅降低工藝收得率,而且還會造成澆口 ;凍結 ;使鑄件出型困難(difficult),故生産中必須選擇一适宜的保壓時間。
    
(5)鑄型溫度及澆注溫度
    
低壓鑄造可采用各種鑄型,對非金屬型的工作溫度(temperature)一般都為室溫,先特殊要求,而對金屬型的工作溫度就有一定的要求。如低壓鑄造鋁(Al)型材時,金屬型的工作溫度一般控制(control)在200~2500C,澆注薄壁複雜件時,可高達300~3500C。
  
  關于合金的澆注溫度,實踐證明,在保證鑄件成型的前提下,應該是愈低愈好。工業鋁材是一種以鋁為主要成份的合金材料,鋁棒通過熱熔,擠壓從而得到不同截面形狀的鋁材料,但添加的合金的比例不同,生産出來的工業鋁型材的機械性能和應用領域也不同。執行标準按GB/T5237.1-2004。
    
(6)塗料
    如用金屬型低壓鑄造時,為了提高其壽命及鑄件質量,必須刷塗料;塗料應均勻(jūn yún),塗料厚度要根據鑄件表面光潔度及鑄件結構來決定。
4 低壓鑄造設備 
  低壓鑄造設備(shèbèi)一般由保溫爐及其附屬裝置,鑄型開合系統(system)和供氣系統三部分組成。按鑄型和保溫爐的連接方式,可分為頂鑄式低壓鑄造機和側鑄式低壓鑄造機兩種類型。
   
 (1)保溫爐及附屬裝置
    它由爐體、熔池、密封蓋和升液管等所組成,是低壓鑄造機的基本部分。保溫爐的爐型非常多,如焦炭爐,煤氣爐,電阻爐,感應爐等。但目前廣泛使用的是電阻加熱爐,其次是電熱反射爐。
    
(2)供氣系統
    
在低壓鑄造中,正确控制對鑄型的充型和增壓是獲得良好鑄件的關鍵(解釋:比喻事物的重要組成部分),這個控制完全由供氣系統來實現。根據不同鑄件,不同鑄件的要求,供氣系統應可以任意調節,工作要穩定可靠,結構要使維修方便。
5 特殊低壓鑄造工藝   
低壓鑄造對一些特殊結構或特殊性能要求的鑄件,難以滿足時,就在低壓鑄造的基礎上,發展出一些特殊低壓鑄造工藝。
    
(1)壓差法低壓鑄造
    有些鑄件的内部質量要求高,希望在較高的壓力下結晶,但一般低壓鑄造時的結晶壓力不能太大。因而發展出壓差法低壓鑄造。其工藝過程(guò chéng)是将電阻保溫爐和鑄型全部進行密封,在密封罩内通人壓力較大如500kPa的壓縮空氣,這時由于鑄型與增鍋内部的壓力相等,金屬液不會上升,然後金屬液向上補充50kPa壓力,金屬液就會上升充填型腔。同時鑄型内的金屬液也在高壓下結晶凝固。這種方法使鑄件得到較緻密的結晶組織,提高了鑄件的機械性能。據資料介紹這種工藝與一般鑄造方法相比,使鑄件強度提高約25%,延伸率提高約50%。但設備較龐大,操作麻煩,隻有特殊要求時才應用。
    
(2)真空低壓鑄造
    對薄壁或複雜的大型鑄件,采用前述的低壓鑄造工藝,也難以滿足時,采用真空低壓鑄造就容易解決。它的裝置與壓差法低壓鑄造基本相似。在澆注前先将型腔中的氣體抽出再進行澆注,這時澆注速度可以提高,不會産生氧化(oxidation)夾雜和氣孔等缺陷。