汽车用铝合金进气管的消失模铸造工艺.pdf

中国铸造装备与技术6/ 2 0 0 7C F M T进气管是汽车发动机的重要零部件之一 若进气管内壁光滑, 可减少气体的流动阻力, 提高发动机功率用砂型铸造方法生产的进气管不仅管道内壁粗糙, 而且容易出现偏芯现象, 使管道壁厚不均匀, 因此, 国外早就应用E P C - V工艺生产进气管我国一汽是最早应用消失模生产进气管的工厂用E P C - V法生产铝合金进气管存在一些技术难题, 它们包括:(1) 铝合金在熔炼过程中及其在液态状态下, 容易吸收气体, 尤其是氢气; 而在固态时, 几乎不溶解气体含有气体的铝液在凝固过程中因溶解度下降而析出, 如不能排出熔体, 铸件将产生气孔或针孔2)E P C - V工艺引起的缺陷表现在:■消失模气化时需吸收大量的热量,导致铝液降温快, 流动性下降, 为此需提高浇注温度和熔炼温度铝液温度的增加使吸气量进一步增多, 加重了产生针孔的倾向■模样在不同温度下所产生的液化物数量不等, 大于7 0 0 ℃时模样液化物比1 4 0 0 ℃时的多, 这些液化物被铝液卷入后, 若不能浮出铸件表面, 仍会形成气孔或夹渣缺陷■由于干砂的冷却速度较慢,铸件仍出现晶粒粗大和收缩缺陷。

■铸件表面珠粒印痕明显, 外观不漂亮但是, 以上技术问题是可以设法解决的我们从工艺着手, 注重每个操作细节, 并采取切实有效的措施, 获得了内在质量好、 外观漂亮的产品该进气管如图1所示, 材质为Z L 1 0 4, 重量4 . 8 k g, 外形尺寸9 0 m m × 2 0 0 m m × 4 3 0 m m, 壁厚4 ～ 1 4 m m1模样模 样 的 材 质选 用 了S T M M A,密 度 为0 . 0 1 6 9 g /c m3,单个模样重量为3 0 gS T M M A是E P S与E P M M A的共聚物之所以选用它作为模样材料,是因为在Z L 1 0 4的浇注温度范围内, 模样解聚时产生的液化物比E P S的少, 而产生的气化物又比E P M M A的少由于铝的浇注温度比黑色金属的低,且铝液前沿的模样加热不充分, 气化时的解聚、 裂解等过程几乎同时进行, 解聚及裂解时液态、 气态产物也同时存在但不同材质的解聚、 裂解产物明显不同, 见表1表中 “ 小分子气体” 指常温下呈气态的物质, 包括H2、C O、C O2等由表可知, 若选用E P S作模样材 料, 浇注后, 液态聚乙烯很易被铝液卷入, 铸件中容易出现夹渣等缺陷; 选用E P M M A, 由于裂解产物中小分子气体含量高, 其中, 富含易被铝液吸收的H2,而H2正是铝液铸件针孔缺陷的根源。

S T M M A在铝解聚产物裂解产物E P S3 9 6 ～ 5 7 6 ℃时 解聚, 产物是以聚乙烯为主的液化物5 7 6 ～ 7 0 0 ℃时发生的裂解产物是以苯乙烯为主的气化物及 少 量 小 分 子 气 体 ,7 0 0 ℃以上开始发生完全裂解, 产物中小分子气体增加E P M M A以M M A为 主 的气化物气体7 0 0 ℃以后小分子气体量明显增加,8 0 0 ℃时可达9 0 %以上S T M M A有部分液 化 物 ,但比E P S的少, 也有气化物裂解介于E P S和E P M M A之间,6 0 0 ～6 5 0 ℃时液化物占5 . 3 7 %～ 1 . 7 6 %,> 7 0 0 ℃时, 液化物微量, h横-1 2h内h3=K22H H - K12+ K22= 2 2 . 8 c m上式中,h3为内浇注道压头 (c m) ;h横为横浇道 高度 (c m) ;h内为内浇道高度 (1 . 8 c m) 2 2 . 8 >(6 -1 . 8 2) , 故横浇道能充满, 且充满有余4 . 2在浇注系统中设挡渣装置铝液中的熔渣(A l2O3) 是铸件产生针孔的重要因 素, 所以除熔炼时强化除渣操作外, 也要利用浇注系统的挡渣作用。

为此, 我们在横浇 道 的 前 段 设立 了 专 门 的 挡渣装置( 图2) 图2中,陶瓷过滤片粘合在集渣包的塑料模样上浇注后, 横浇道和集渣包的摸样气化, 陶瓷过滤片将起过滤作用,混合铝液中的熔渣将聚集在集渣包的上部4 . 3直浇道用空腔的耐火材料管道取代塑料模用塑料模样制作的直浇道, 在浇注后, 由于铝液在重力作用下流速很快,部分塑料往往在液化后即被液流卷走,卷入的液化物在高温作用下将继续气化,气化产物将增加铝液的气体含量和非金属夹杂物, 所以用耐火材料制成的空腔成型管作直浇道5熔炼工艺(1) 精炼除气由于熔炼过程中吸收气体是铝铸件产生气孔( 针孔) 的重要原因之一, 按照“ 渣尽、 气除” 的思路和除气除渣“ 以防为主” 的原则, 严格对待熔炼中的每个操作步骤首先, 把好炉料关, 防止带有油污、 水分及杂物的炉料进入炉内; 第二要勤扒渣, 扒清渣; 第三是加入六氯乙烷进行净化处理2) 变质处理Z L 1 0 4为共晶或近晶铝硅合金,当铝液冷却进入共晶温度时, 将析出粗大的针片状共晶硅; 若不作变质处理, 合金的韧性会大幅度下降为此, 我们在除气后加入氟化钠、氯化钠及冰晶石粉组成的三元变质剂对铝液进行变质处理。

三元变质剂加入铝液前, 经三个多小时烘干, 以防止水分进入熔炉6浇注工艺(1) 浇注温度砂型铸造时铝液的浇注温度在7 0 0 ～ 7 5 0 ℃之间,消失模铸造时要求浇注温度大于7 6 0 ℃,这是因为模样在气化时需吸取大量的热量,导致铝液在铸型内降温较快, 若浇注温度偏低, 铸件很易形成浇注不足、 冷隔等缺陷但浇注温度也不宜过高, 铝液温度愈高, 吸气愈严重我们将铝液出炉温度定在7 8 0 ℃,浇注温度7 6 0 ℃浇注时负压为0 . 2 9 M P a, 并保持1 0 m i n2) 浇注速度要保持一定的浇注速度, 使直浇道始终呈充满状态3) 及时捣破覆盖在干砂上的塑料薄膜为加快干砂的冷却速度, 减小铸件形成粗晶的程度, 待铸件凝固后, 就捣破塑料薄膜, 由于真空泵的作用, 大量冷空气进入干砂层, 使铸件冷却速度加快, 可避免粗晶的发生7结束语在生产铝合金排气管的过程中, 我们体会到, 只要采取合适的措施, 是可以获得优质铸件的1) 为保证铸件表面质量, 宜在消失模模样上刷涂一层表面光泽涂料2) 避免铝铸件产生针孔、 夹渣缺陷, 可采取一下措施:①对入炉炉料进行预处理, 不让水分、 杂质、油污入炉;②强化除渣操作, 扒尽铝液表面溶渣;③( 下转第6 7页)讲座S E MI N A R本栏目主持: 叶升平, 吴志超图2横浇道设挡渣装置横浇道集渣包陶瓷滤片7 0中国铸造装备与技术6/ 2 0 0 7C F M T散与温度有关。

3) 当温度比较高时, 碳原子的扩散能力和速度较高, 碳原子从α - F e向其相邻的γ - F e扩散,α - F e片与片之间的碳浓度不断增高,最终脱溶析出碳化物, 形态为羽毛状, 这种由碳化物和α - F e共同组成的组织称之为上贝氏体4) 当等温温度较低时, 碳原子扩散的能力和速度下降,碳原子经α - F e向γ - F e扩散变得困难, 只能在α - F e片内扩散, 当α - F e片内某一区域碳的浓度达到很高值时脱溶析出很细的颗粒状碳化物分布在α - F e片内,这时共同组成的组织称这为下贝氏体沉淀出的极细的颗粒状碳化物, 造成α - F e的沉淀强化, 显著地提高了下贝氏体的强度综上所述, 上、 下贝氏体形成的机理基本上是一样的, 都是共格切变长大, 只是碳化物析出的方式不同, 形态和分布不同由于碳化物的形态不同造成上、下贝氏体钢的性能有很大的差异 在上贝氏体中分布在α - F e片与片之间的碳化物容易成为裂纹发展的通路,以致上贝氏体钢的抗拉强度很低, 冲击性能很差, 因此钢在等温淬火一般都忌讳出现上贝氏体,而下贝氏体除了被位错强化和固溶强化以外还被碳化物沉淀强化, 因此具有很良好的综合性能, 从冲击值看来, 下贝氏体钢比同等强度的马氏体钢要优越。

钢在等温淬火后的冲击值一般均较普通淬火+回火处理高1 . 5 ～ 2倍5) 贝氏体相变具有不完全性, 即不能进行到底, 因此总有少量的残余奥氏体根据以上所述, 贝氏体钢组织主要为下贝氏体,其组织特征为针状( 或片状) 的铁素体( 或称贝氏体型铁素体)+颗粒状沉淀碳化物4 . 2等温淬火球铁(A D I) 的组织特征与钢一样球铁等温淬火过程也是贝氏体相变的过程, 其相变的机理基本是相同的, 但由于化学成分和等温淬火工艺的不同球铁等温转变的过程及与组织具有自己的特点1) 球铁的含硅量很高, 由于硅的抑制碳化物析出的作用, 因而无论在α - F e片内, 或边界还是在γ -F e内都不析出碳化物,相变形成的铁素体属于一种无碳化物贝氏体,相变中也通过共格切变方式完成形成针状铁素体,其中存在很高密度的位错和过饱和的碳, 被位错和固溶强化2) 因硅抑制碳化物析出的作用, 碳原子又不断的经α - F e向γ - F e扩散, 造成奥氏体含全碳量不断增加,一般情况下为2 . 0 %左右,最高可达2 . 4 %～2 . 5 %, 成为一种高碳奥氏体, 高含碳量使其马氏体点M s在室温以下, 等温淬火结束后工件置于室温甚至水冷,该奥氏体也不会转变为马氏体,而被保留下来, 称之残余奥氏体, 在基体中所占的体积百分数为2 5 %～ 4 0 %,远高于贝氏体钢中的残余奥氏体含量。

A D I的组织组成为: 无碳化物针状铁素体( 或无碳化物贝氏体)+高碳奥氏体由于针状铁素体强度高而高碳奥氏体塑性好并具有加工硬化能力, 从而使A D I具有高强度、 高塑韧性和良好的耐磨性通过改变化学成分以及等温淬火工艺参数, 可以适当调整A D I组织状态与性能, 形成不同强度级别的A D I3) 由于A D I的含硅量很高,A D I属于F e - C - S i三元合金,这种体系合金的特点之一是共析相变点A c1不是一个温度,变成了一个共析相变温度范围, 即A c1上限—A c 1下限在此共析温度范围内γ + α + G三相共存这一特点对于获得低强度、 高塑性级别的A D I, 即牌号为7 5 0 - 5 0 0 - 1 1的A D I十分重要在等温淬火时当奥氏体化温度处在共析相变温度范围内依加热方式不同,将有先析铁素体或未转变铁素体出现,这一部分铁素体是在接近平衡状态下形成的, 其形状是破碎块状, 含碳量很低, 未被强化具有良好的塑性, 经等温转变后被保留基体中, 建议将这种铁素体称为平衡态铁素体或破碎状铁素体低强度高塑性级别的A D I故基体组成为: 针状铁素体+奥氏体+破碎状铁素体这种A D I的硬度低,适于等温淬火以后进行机械加工, 克服高强度级别的A D I加工性差的缺点。

根据以上叙述可见,球铁等温淬火的工艺范围要比贝氏体钢宽, 组织和性能变化的范围也较大, 应用更广技术问答|解决A D I的产业化问题( 上接第7 0页)进行除气净化处理;④在横浇道前段设置挡渣装置;⑤浇注系统截面比合理, 内浇道足够大, 保证铝液充型平稳3)Z L 1 0 4铸件晶粒细化的措施:①进行变质处理;②浇注后, 适时捣破塑料薄膜, 同时真空泵继续工作, 让冷空气进入干砂层, 冷却铸件参考文献1黄乃瑜, 等.消失模铸造原理及质量控制.武汉: 中华科技大学出版社,2 0 0 4 .2陈渭臣, 等.铝合金熔体处理的研究近况.铸造,2 0 0 3(6).3魏兵.铸件均衡凝固技术及其应用.北京: 机械工业出版社, 1 9 9 8 ,1 0 .4赵祖德, 等.镁合金消失模铸造模样热解产物及其阻燃性分析.铸造, 2 0 0 7(3).!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!本栏目主持: 曾艺成f o u n d r y @ 2 6 3 . n e t6 7。