铝合金高真空压铸技术的开发及应用

铝合金高真空压铸技术的开发及应用

万　里1　赵芸芸2　潘　欢1　吴树森1

(1.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室;2.武汉工程大学机电学院)

摘　要　高真空压铸是近年来工业化国家以实现产品(如轿车)轻量化和绿色制造为目标而竞相研发的一种新技术。以

MFT (Minimum Filling Time )法自主开发了涉及高真空压铸的相关关键技术,包括真空截止阀、真空系统、模具的密封结

构、涂料、浇注系统等。并以Z L101合金为对象,实验研究了高真空压铸下试样的力学性能和组织。结果表明:开发的高真空压铸技术满足高真空压铸生产的需要,压铸得到的压铸试样组织致密,T6热处理后表面无起泡。ZL101高真空压铸试样的力学性能比普通压铸有较大的提升,尤其是韧性有显著地增长。其中抗拉强度、伸长率分别比普通压铸提高约

17116%、71198%;但T6热处理后,抗拉强度比铸态下提高了7168%,伸长率却下降了6178%。

关键词　高真空压铸;压铸铝合金;强度;韧性;组织

中图分类号　T G 14612+1;T G24912 文献标志码　A 文章编号　2008(s )-0447-04

Application and Development of High V acuum Die C asting

Process for Aluminum Alloys

Wa n Li 1,Zhao Y unyun 2,Pa n Hua n 1,Wu Shusen 1

(1.State Key Laboratory of Materials Processing and Die &Mold Technology ,

Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China.

2.College of Mechanical Engineering ,Wuhan Instit ute of Technology ,Wuhan ,430074)

Abstract :High vacuum die casting p rocess is a novel technology ,which are mainly used to make auto 2mobiles part s due to lightweight t rends.Key technologies including shut 2off valve ,vacuum system ,sealing st ruct ure of die ,release agent and gating system are investigated based on t he M F T process (Minimum Filling Time )in t he paper.Micro st ruct ure and properties of ZL101were analyzed in t he high vacuum die casting process.The result s demonst rated t hat t he developed high vacuum die casting process can meet t he needs of t he p roduct s.There are no bubbles occurred on t he surface of specimen af 2ter being T6heat 2t https://www.wendangku.net/doc/d26967277.html,pared to general die castings ,tensile st rengt h of ZL101alloy castings is up to t 204.55M Pa and t heir elongation to 8.41%,and are increased by 17.16%and by 71.98%.How 2ever tensile st rengt h was enhanced by 7.68%while t heir elongation was weakened by 6.78%after heat t reat ment.

K ey w ords :high vacuum die casting ,Al 2Si 2Mg alloys ,st rengt h ,ductility ,microstruct ure

收稿日期:2008203220

基金项目:清华大学先进成形制造重点实验室开放基金资助项目(2006002)

第一作者简介:万里,男,1970年出生,副教授,华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉(430074),电话:027-********,E -mail :

genki2001@https://www.wendangku.net/doc/d26967277.html,

真空压铸法是将型腔中的气体抽出,金属液在真空状态下充填型腔,因而卷入的气体少,铸件的力学性能高,且真空压铸继承和保持了普通压铸法的优点。高真空压铸法则是近年来在普通真空压铸基础上发展起来的新成形技术,其特点是模具型腔中的真空度达91KPa 以上,生产的铸件可焊可热处理[1]。因此开发高真空压铸技术,充分发挥压铸的技术及成本优势,生产高强度、高韧性的铝压铸件来取代轿车的一些保安件(如轿车底盘的悬挂系统零件)是德、美、日等国竞相研

发和推广应用的技术之一[2～5]

。

因此,结合国内实际情况,以M F T (Minimum Fill 2ing Time )法为基础,在普通压铸机上进行了高真空压

铸技术的研发,以促进高真空压铸技术在我国压铸工业中的应用。

1　高真空压铸方法及其工作原理

高真空压铸技术主要有两种方法:一是由德国Muller 2Weingarten 公司和Vaw 公司联合研发的Va 2cural 法,二是德国Alcan 2BDW 公司推出的M F T 法。

图1是Vacural 法的工作原理[1]。它是将熔化炉通过升液管和压射室直接相连,抽真空时先将金属铝液吸入到压射室内,接着继续抽真空至预定真空度后再压射成形。Vacural 法需要专用压铸机,且技术受专利保护,

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44压力铸造特种铸造及有色合金2008年年会专刊

所以压铸机价格昂贵,成本很高。M F T (Minimum

Fill

Time )法则使用普通压铸机,其工艺特点是在将型腔中的气体抽出达到高真空度(气压10KPa 以下)后,采用多浇道和大面积内浇口以保证金属铝液在极短时间内充填型腔,图2是其工作原理[1]。由于M F T 法由于使用的是普通压铸机,设备门槛低,因而普及率较高,应用前景好

。

图1　Vacural 高真空压铸法的工作原理

图2　MF T 高真空压铸法的工作原理

事实上,高真空压铸技术并不仅涉及模具密封及真

空系统技术,它还涉及金属熔液处理、模具结构设计、浇注工艺及脱模剂等各个方面的技术问题,围绕高真空压铸技术应做的研究与开发工作见图3[1]

。

图3　高真空压铸技术开发的相关内容

2　高真空压铸技术的开发

2.1　高真空压铸用的真空截止阀

本文设计的高真空压铸用截止阀利用金属液体的惯性冲击力来关闭排气通道,采用一主动一从动两活

塞,通过杠杆方式连接起来的驱动结构[6],见图4,真空截止阀的动作原理为:①压铸过程开始时,压铸模具闭合,随着动模一起运动的真空阀的动型1推动复位导杆4,4则压缩弹簧8,此时杠杆12处于活动状态,即真空截止阀处在解除锁定状态下;②液态金属进入压铸模具型腔后,通过进料口16进入导流通道,此时它会首先接触并由冲击力推动主动活塞13;③主动活塞13受到液态金属的压力向右运动,推动杠杆12;杠杆12从而带动从动活塞7向右运动,从动活塞7左侧的锥阀关闭,真空截止阀截止,这一过程应在液态金属到达从动活塞7的锥阀之前完成;④当压铸过程完成后,压铸模具打

开,被压缩的弹簧8推动复位导杆4和挡板9,通过杠杆7带动主动活塞13和从动活塞7向左运动,使真空截止阀打开并复位锁定。

由图4可知,真空截止阀因主动活塞与从动活塞之间采用简单的杠杆传动,使从动活塞可获得较大的位移,保证了阀关闭的灵敏度及可靠性

。

图4　真空截止阀的结构原理示意图

1.动型

2.定型

3.排气口

4.复位导杆

5.定型压板

6.从动

活塞套　7.从动活塞　8.弹簧　9.复位挡板　10.容置槽　11.限位板　12.杠杆　13.主动活塞　14.主动活塞套　15.导流通路

16.进料口

2.2　高真空压铸用真空系统

高真空压铸工艺要求在压铸时模具型腔中的真空度达到91KPa 以上,这迫使真空系统必须确保具有很大的抽气速度,以便在极短的时间内将型腔中的气体抽出。本设计采用体积比较大的缓冲罐,处于高真空状态下的缓冲罐可以快速将模具型腔中的气体抽至所需的真空度。缓冲罐中的气体则由真空泵不间断的抽出,见图5[7]。

2.3　高真空压铸用粉体涂料

粉状脱模剂是一种以空气为载体进行分散并涂装

的脱模剂品种,有极高的生产效率、优异的涂膜性能、良好的生态环保性和突出的经济性。粉状脱模剂的作用原理系以原料蜡为基础,在压室及型腔温度的作用下熔

化而附着在型壁表面上起到对流体的润滑作用。因粉末脱模剂成本较高,国外主要将其应用于真空压铸,特

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图5　高真空压铸工艺用真空系统的原理

别是2000年以来,高真空压铸技术的飞速发展和应用,使粉状脱模剂的开发与研究取得了长足进步。研制的铝合金压铸用粉体脱模剂选择锆英石、云母、滑石粉和石墨等作为主要成分,另加入了氮化硼、微晶蜡及其他成分[7]来增强其脱模性能。研究表明,当其主要成分中(质量分数)滑石粉为50%,石墨为25%,氮化硼为15%,微晶蜡及其他成分10%时的脱模剂的喷涂性能及脱模性较好;较合适的喷涂工艺参数为:模具预热温度270℃左右,静置固化时间10s左右[8]。

2.4　高真空压铸用模具的密封方法

抽气效果是影响型腔中真空度的重要因素,而决定高真空压铸工艺抽气效果的因素,除了缓冲罐内的真空度和抽气时间———也就是系统在高真空压铸过程中的总抽气量,还有就是系统在高真空压铸过程中的总进气量,而决定进气量的关键因素是压铸模具的密封。本文对压铸模具采取了见图6所示的密封方案[9]:①在压铸模动模垫板后面增设了一块可固定在动模垫板上的顶板密封板,并在密封板上开设了密封槽及缓冲气槽;②分别在压射室与定模底板、冲头与压射室内壁之间开设密封槽,并在密封槽内加装耐热密封圈;③分别在动模垫板与动模套板、定模垫板与定模套板、动模套板与定模套板之间(即分型面)上密封槽的内侧开设缓冲气槽;

④将所有缓冲气槽与抽气系统相连,当有少量气体由密封圈泄漏进入密封槽内侧时,可通过缓冲气槽抽走,而不至于进入模具型腔。

本密封方法的特点在于在密封圈的内侧开设了缓冲气槽。由流体力学可知:体通过缝隙的流量计算公式

为:Q=δA2×p

ρ,式中,Q为通过缝隙渗透到型腔中

的空气流量;δ为流量系数;A为缝隙截面积;ρ为空气密度;Δp缝隙两端的压强差。因此泄漏进入型腔中的气体量主要取决于内外压力差Δp,开设缓冲气槽后,Δp是型腔中气压与缓冲气槽中气压之间的压强差。显然,开设缓冲气槽后,由于缓冲气槽中的空气被抽气系统及时抽走,缓冲槽与型腔之间的Δp很小,

由此泄漏流入型腔中的空气流量Q非常少,所以型腔中的高真

图6　模具的密封方法

1.动模底板

2.顶杆压板

3.顶杆板

4.垫块

5.抽气道

6.动模

垫板　7.动模套板　8.定模套板　9.抽气道　10.定模底板　11.缓

冲气槽　12.型腔　13.定模镶块　14.动模镶块　15.连接通道　16.浇口套　17.浇口　18.压射冲头　19.密封槽　20.压射室　21.

密封槽　22.密封槽　23.缓冲气槽　24.缓冲气槽　25.缓冲气槽　26.密封槽　27.缓冲气槽　28.密封板　29.螺栓　30.耐热密封圈31.顶杆

空度得到了保证。

3　高真空压铸试验

3.1　试验装备及方法

试验材料采用ZL101合金,模具为铝合金标准试样的压铸模具。根据M F T法的工艺原理,对模具的浇口进行了修正。压铸机为合模力为2800kN的卧式冷室压铸机。

将一定量的ZL101熔化至720℃左右,吹氩气精炼15min;然后加入适量的变质剂Al210Sr和细化剂Al25Ti2B;静止10min后控温待浇。模具采用电加热棒加热,预热温度在150℃以上。压铸后的试样一部分经T6热处理,然后分别测试其力学性能,

观察其组织。压铸试样见图7。

图7　高真空压铸的Z L101铝合金标准试样

3.2　试验结果及分析

3.2.1　试样的外观质量

图8为ZL101合金高真空压铸的试样(上)和ZL101合金普通压铸的试样(下)在T6热处理后的外观。由图可以发现,高真空压铸的试棒热处理后外观上无明显的鼓泡现象;相比之下普通压铸的试样热处理后外观上出现一些明显的米粒大的鼓泡。因此表明了开

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铝合金高真空压铸技术的开发及应用　万　里等

发的高真空压铸技术能压铸可热处理的铸件

。

图8　高真空压铸(上)和普通压铸(下)的试样热处理后的外观

3.2.2　试样的力学性能

图9是在铝液浇注温度700℃,油缸压射压力14

M Pa ,油缸增压压力9M Pa ,冲头速度115m/s 条件下的力学性能,作为对比也同步列出了金属型铸造ZL101的性能。高真空压铸的ZL101试样比普通压铸的两项力学性能指标无论是铸态,还是T6热处理后均有较大地提高。铸态时抗拉强度提高约17116%、伸长率提高约71198%,其中韧性的提高更为显著。另外压铸时的伸长率也超过金属型的最低要求。T6热处理后高真空压铸件的抗拉强度有进一步的提高,约增长了7168%,达到了220M Pa ,但比金属型铸造T6热处理后的增加幅度低,有一定的差距,有关这一点需在以后加以研究。尽管高真空压铸试样热处理后的伸长率比铸态时有所下降,大约降低了6178%,但仍然超过了金属型铸造的最低要求

。

(a )

强度

(b )伸长率

图9　高真空压铸与普通压铸ZL101试样的力学性能对比

3.2.3　试样的组织

图10所示为上述实验不同状态下的金相组织,图10a 铸态的高真空压铸件卷气现象少,组织相对致密;而图10c 中铸态的普通压铸件明显有较多气孔存在,组织也较为疏松。图10b 中热处理后的高真空压铸件组织中共晶硅细化,没有气孔;图10d 中热处理后的普通压铸件组织中共晶硅也得到了细化,但气孔因体积膨胀而明显增大

。

(a )高真空压铸,铸态(b )高真空压铸,T6热处理(c )普通压铸,铸态(d )普通压铸,T6热处理

图10　高真空压铸Z L101的显微组织

4　结论

(1)开发了结构结构简单、灵敏可靠的高真空压铸

用真空截止阀及真空系统、涂料及模具的密封结构,试验证明了自主开发的高真空压铸技术能应用于高真空压铸的生产。

(2)高真空压铸的ZL101合金试样,其抗拉强度、伸长率分别比普通压铸提高约17.16%、71.98%;T6热处理后,高真空压铸试样表面无鼓泡,抗拉强度比铸态提高了7.68%,但伸长率则下降了6.78%。

参　考　文　献

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(编辑:袁振国)

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