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铝合金超低速压铸工艺参数对铸件性能的影响


Oct. 2007 Vol.56 No.10



造 ?1057?

FOUNDRY

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压 铸

铝合金超低速压铸工艺参数对铸件性能的影响
纪莲清1, 2, 熊守美1, 村上正幸3, 松本悦豪3, 池田伸吾3
( 1. 清华大学机械工程系, 北京 100084 ; 2. 郑州轻工业学院机电工程学院, 河南郑州 450002 ;

摘要: 应用具有不同浇道尺寸的简单圆形拉伸试样研究压铸工艺参数对 ADC12铝合金超低速压铸件性能的影响, 以优
化超低速压铸工艺及其参数。试验结果表明, 各种超低速压铸工艺条件下铸件的密度都比普通压铸高, 影响铸件性能的 主要因素不再是气孔, 而是合金的凝固组织及飞溅凝固片和氧化夹杂等缺陷。在超低速实验条件下, 浇道截面尺寸越大, 对 铸 件 性 能 影 响 越 大 , 不 同 浇 道 尺 寸 对 应 有 最 佳 浇 道 速 度 , 在 试 验 的 三 种 浇 道 条 件 下 , 最 佳 浇 道 速 度 均 低 于 0.6 m/s ; 模具预热温度、浇注温度、铸造压力都有最佳值; 在无增压条件下, 仅采用较大的压射压力也可使铸件获得较好 的 力 学性能。

关键词: 铝合金; 超低速; 压铸; 工艺参数; 力学性能 中图分类号: TG 文献标识码: A 文章编号: 1001- 4977 ( 2007 10- 1057- 05 )

Effe cts of the S upe r S low S pe e d Die Ca s ting P roce s s P a ra me te rs on P rope rtie s of ADC12 Aluminum Alloy
J I Lia n-Qing 1, 2, XIONG S hou-Me i1, Ma s a yuki Mura ka mi3, Yos hihide Ma ts umoto 3, S hingo Ike da 3 ( 1. De pa rtme nt of me cha nica l Engine e ring, Ts inghua Unive rs ity, Be ijing 100084, China ; 2. Colle ge of Me cha nica l a nd Ele ctrica l Engine e ring, Zhe ngzhou Unive rs ity of Light Indus try, Zhe ngzhou 450002, He 'na n, China ; 3. TOYO Ma chine ry & Me ta l Co. Ltd., J a pa n) Abs tra ct: In orde r to optimize the S upe r-S low S pe e d ( S S S) die ca s ting proce s s , e ffe cts of S S S die ca s ting proce s s pa ra me te rs on prope rtie s of ADC12 a luminum a lloy we re inve s tiga te d by a s ta nda rd te ns ile te s t s pe cime n with diffe re nt ga te configura tions . Re s ults s how tha t for S S S die ca s ting proce s s , the de ns ity of die ca s tings a re highe r tha n tha t of conve ntiona l die ca s tings , a nd the domina ting fa ctor tha t influe nce s the die ca s ting prope rtie s is not poros ity in the ca s ting but the ca s t s tructure a nd pos s ible de fe cts of pre -s olidifie d s pots a nd oxide s in the ca s tings . Unde r S S S condition, the e ffe cts of a la rge r ga te on prope rtie s of die ca s tings a re more dis tinct. The re e xis ts a n optimum ga te s pe e d unde r a s pe cific ga te configura tion a nd s ize a nd the optimum ga te ve locitie s unde r thre e kinds of ga te configura tions a re le s s tha n 0.6 m/s . Be s ide s , the proce s s pa ra me te rs like the die te mpe ra ture , the inje ction te mpe ra ture a nd the ca s ting pre s s ure ha ve the ir own optima l va lue s . Be tte r prope rtie s ca n a ls o be obta ine d unde r a high inje ction pre s s ure without pre s s ure inte ns ifica tion. Ke y words : a luminum a lloy; s upe r s low s pe e d; die ca s ting; proce s s pa ra me te rs ; me cha nica l prope rtie s
孔洞类缺陷是压铸中 公认的最主要缺 陷 之 一, 铝 合金中金属液 流动过程的卷气和凝 固过程的收缩是产 生孔洞类型缺陷的主 要原因, 不仅使铸件 力学性 能 下 降, 不宜进 行热处理, 而且降低了 压铸件的耐压 性 和 气密性, 限制了压铸件 的使用。因此, 研究 超 低 速 压 铸工艺以减少 压室及型腔中气体 含量, 从而减少 压 铸 时的卷气十分必要。 压铸时理想流态应是 慢压射冲头慢速 前 进 , 排 出 压室中的气体 , 直至合金液充满压室, 再选择 合 适 的 快压 射速度, 在合金液不凝 固的情况下充满型 腔, 然
收稿日期: 2007- 04- 23 收到初稿, 2007- 06- 04 收到修订稿。 作者简介: 纪莲清 ( 1966-) , 女, 河南淇县人, 硕士, 教授, 主要从事机械设计、材料成形等方面的研究。 E-mail : Jilq@zzuli.edu.cn

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3. 日本东洋机械金属株式会社)

后压射冲头以高速、高 压施加于合金液上, 使 压 铸 件 在静压力作用下凝固, 以获得表面光洁、轮廓清晰、 内部组织致密的压铸件。超 低速 ( Supper Slow Speed, 以下简称 SSS 压铸正是利用极低的压射速度, 使金属 ) 液以极低 的 速 度 ( <0.15 m/s ) 顺序充填型腔, 从而降 低铸件气体 含量, 提高铸件质量 的一种压铸工 艺 。国 内外不少学者对一般压铸时加压开始时间、加压压力、 速 度 等 对 铸 件 密 度 变 化 的 影 响 进 行 了 大 量 的 研 究 [1- 4], 但 对超低速压铸工艺 的研究还未见报道。本 研究以 工 业用压铸 铝合金 ADC12 为研究对象, 设 计了标准拉伸

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试棒金属模具并进行超低速压铸试验, 从铸件密度、 力学性能、组 织等方面, 考察不同超 低速压铸 工 艺 参 数对铸件力学性能的影响。


2.1

试验结果及讨论
模具预热温度对超低速压铸件的性能影响
模具预热温度分别采用 100 ℃ 、 150 ℃ 及 200 ℃ 三


1.1

试验过程
试验材料
试验所选材料为商业用压铸铝合金JIS ( 日本工业标

种, 其它压铸成形参数固定, 性能测试结果列于表 1。 从表 1 可以看出, 在模具预热温度为 150 ℃ 时, 超 低 速压铸成形件的密 度最高, 抗拉强度、屈服 强 度 及 伸长率也都最高, 这是因为 SSS 压铸时压射速度 很低, 合金液在压室 及型腔中温度有较大 降低, 熔液流 动 性 不好, 当模具预热温度 过低时, 坯料在充型时 冷 却 速 度过快, 坯料 还没来得及填充整个 铸件浇道就已经 凝 固了, 冲头压力施加时 间不够或施加不上, 所 以 密 度 和力学性能较差。事实上SSS的充型性能差, 只能压铸 壁厚较大的耐压制件[5]。当模具预热温度较高时, 即当 模具预热温度能 满足坯料在一定压 铸条件下可以完 全 充 型时, 如果再提高模具 的预热温度, 压铸时 在 型 腔 表面的冷却层 极薄, 组织粗大, 力学 性能下 降 , 生 产 效率也 较低, 且有可能产生 飞边, 增加合模难 度 。可 见, 在超低速成形时, 模 具预热温度应控制 在 一 个 合 适的范围, 根 据试验结果, 特别是 本试验采用 的 模 具 形 状 比 较 简 单 , 选 择 150 ℃ 作 为 模 具 预 热 温 度 , 这 样 既可兼顾充型能力 和合模难度, 同时又 可保证铸 件 良 好的力学性能和一定的生产效率。
表1 模具预热温度对超低速压铸件的性能影响

准 ADC12, 用 ICP ( 等离子体发射光谱仪 Vista-MPX ) ) 测 得 其 化 学 成 分 ( 质 量 分 数 , % , 下 同) 为 Al。 为 11.25 Si、

3.09 Fe 、 2.51 Cu、 0.21 Mn、 0.096 Mg、 1.74 Zn, 其 余

1.2

超低速压铸工艺参数
根据 GB/T13822— 1992 《 铸造有色合金试样》 A 型

的规定, 设计并制作了 如图 1 所示超低速试验 的模具, 有 Φ24 mm 、 Φ mm 半 圆 、 24 mm× mm 三 种 浇 道 尺 24 6 寸, 并应用该模 具对各影响因素进 行较详细与系 统 的 ) 研究。试样在 650 t 冷室压铸 机 ( TOYO BD-650-V4-N 上 进 行 压 铸 , 基 准 条 件 为 : 浇 道 尺 寸 Φ mm× mm 、 24 2 溢 流 槽 尺 寸 20 mm× mm 、 高 速 速 度 0.09 m/s ( 浇 道 3.0 ) 速 度 0.39 m/s 、 低 速 速 度 0.1 m/s、 铸 造 压 力 100 MPa 、 熔液温度700 ℃、模具预热温度 150 ℃ 、持压时间 10 s、 除气时间 20 min、料柄厚度 40 mm , 采用超低速专用低 速离型剂 ( 与水的比例为 1∶) , 冲头用低速润滑剂润 30 滑。 将试样从浇道处取下, 测量不同试验 条 件 下 试 样 ( 图 1 的密度 ( JT5003 型电子天平, 精度 ± ) ) 0.001 g 压铸件上截取并制备金相试样, 及 其力学性能 ( CSS-2220B 电子万能试验机) , 并在所得 在金相显微镜 ( DMM-400C光学显微镜 及扫描电镜 ( LEO-1530热场 ) 发射扫描电镜 上观察微观组织及断口。在万能材料试 ) 验机上进行拉伸实验时应 变速率基本控制在 1 mm/min 左右, 同一工艺条件下 试样测量 3 ̄5 个, 并取平均 值 , 然后作为最终测量结果。

Table 1 Effect of die temper atur e on pr oper ties of SSS die castings
模具预热温度 /℃ 密度( g cm ) / ?
-3

200 2.760 237.04 138.19 1.36

150 2.764 255.08 146.09 1.92

100 2.760 216.09 143.53 1.43

σ/MPa b σ /MPa 0.2
伸长率 ( % )

2.2

浇道速度对超低速压铸件的性能影响
浇道速度对铸件性能 的影响见表 2, 从 表 2 可 以 看

出, 同一种浇道时浇道速度对铸件密度的影响较小; 随着浇道速度的增大, 铸件抗拉强度呈现先 增大 后 减 小的趋势, 当浇道 速 度 为 1.2 m/s 时 达 到 最 小 值 ; 屈 服 强度随浇道速度的变 化影响较小; 浇道速度 对伸 长 率 的影响规 律与抗拉强度相同。不 同浇道时, 浇道 截 面 积越大获得的铸件密 度越大, 铸件的抗拉强 度 、伸 长 率越高, 对屈 服强度的影响不明显 。浇道速度 增 大 或 恒定对铸件的密度影响较小, 但加速时力学性能较高。 超低速压铸时, 由于冲 头慢压射速 度 很 低 , 慢 速 运动时将金属熔 体堆积在冲头前端不 产生跳跃波, 熔 体液面随冲头前进逐 渐升高达到压室顶部, 使压 室 的 气体可以及时排逸[6]; 且冲头快压射速度更低, 使金属
图1 超低速压铸件试样及尺寸

液以极低的速度顺序 充填型腔, 减少了合 金液流 动 时 的卷气, 故超低速压铸件气体含量很低, 密度较高。

Fig. 1 SSS die cast test specimen and dimension

铸造

纪莲清等: 铝合金超低速压铸工艺参数对铸件性能的影响

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但由于SSS压铸时合金液在压室中停留时间长, 温度下 降较大, 高速速度又太 低, 熔体达到型腔后快 速 冷 却 凝固, 会降低熔体的流 动性和充型能力, 故采 用 截 面 较大的浇道或增加浇道速度可提高合金液的充型能力, 从而提 高铸件的性能。但过大 的浇道速度会产生 较 多 的飞溅凝固片和 氧化物夹杂, 这些凝 固片或氧化 物 夹 杂作为拉伸时的裂纹源直接导致铸件的力学性能下降,
表2
浇道尺寸 高速速度( m s- 1 / ? )

这就是随高速速度提 高力学性能提高, 而高 速速 度 继 续提高后 力学性能反而降低的 原因, 其拉伸断口形 貌 见图 2。铸件的拉伸断 口为静拉应力造成 的混合 断 口, 有典型的 辐射状棱线形貌, 可以 很容易据此找到裂 纹 源 ( 图 2a 。扫描断口由多个解理平台组成, 很少有韧 ) 窝, 且断口上有 较多的二次裂纹, 呈 典型的脆 断 特 征 ( 2b 。 )

浇道速度对超低速压铸件的性能影响
密度( g cm- 3 / ? ) 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 伸长率 ( % )

Table 2 Effect of gate speed on pr oper ties of SSS die castings
浇道速度( m s- 1 / ? )

0.047 0.09 Φ mm× 24 2 0.14 0.279 0.09 ̄0.15 ( 渐变) 0.09 ̄0.15 ( 突变) 0.034 0.046 Φ mm 半圆 × 24 2 0.071 0.14 0.046 ̄0.15 0.037 24 mm× mm× 6 2 0.045 0.09 0.037 ̄0.15

0.2 0.39 0.6 1.2 0.39 ̄0.65 ( 渐变) 0.39 ̄0.65 ( 突变) 0.28 0.39 0.6 1.2 0.39 ̄1.28 0.49 0.6 1.2 0.49 ̄2

2.763 2.764 2.764 2.763 2.765 2.764 2.753 2.757 2.755 2.757 2.758 2.752 2.754 2.755 2.755

225.37 255.08 248.34 193.01 250.67 236.65 212.57 216.51 233.82 212.89 236.40 224.80 206.37 195.95 245.36

139.15 146.09 135.26 135.84 138.40 136.20 139.45 136.55 136.87 136.51 137.02 135.00 137.39 134.42 145.36

1.41 1.92 1.70 0.91 1.74 1.56
线上断

1.56 1.78 1.44 1.79 1.79 1.43 1.30 1.57

2.3

铸造压力对超低速压铸件的性能影响
比较表 3中结果可得, 随着铸造压力的下降, 超低

速压铸件的密度略有 下降; 其力学性能随铸 造压 力 增 大呈现先 增后减的趋势, 三种浇 道都是在铸造压力 为

100 MPa 时 性 能 较 好 , 铸 造 压 力 在 80.7 MPa 时 性 能 较
差。三种浇道相比, 截面积较大的浇道 Φ24 mm 的铸件
( a ) 图2 ( b ) 超低速下铸件的断口形貌

性能明显优于另两种截面积小的浇道的铸件性能,

Φ mm 半圆与 24 mm× mm 两种截面积较小的浇道的 24 6
铸件性能相近。增大压射压力, 即使增压压力为零,
铸造压力对超低速压铸件的性能影响

Fig. 2 Fracture morphology of SSS die castings

表3
增压 /MPa 高速 ACC 增压 ACC

Table 3 Effect of casting pr essur e on pr oper ties of SSS die castings
浇道尺寸 铸造压力 密度 ( g cm ) / ?
-3

抗拉强度

屈服强度

伸长率 ( % )

/MPa 120.5 100 80.7 50 120.5 100 80.7 50 120.5 100 80.7 50

/MPa 221.95 255.08 194.61 216.00 191.86 216.51 204.86 221.59 193.31 224.80 199.12 215.37

/MPa 136.09 146.09 135.29 140.70 134.48 136.55 135.19 137.21 135.92 135.00 134.82 138.16

11 Φ mm× 24 2 11 11 12.5 11 Φ mm 半圆 × 24 2 11 11 12.5 11 6 2 24 mm× mm× 11 11 12.5

12.6 10.2 8.3 0 12.6 10.2 8.3 0 12.6 10.2 8.3 0

2.762 2.764 2.760 2.758 2.758 2.757 2.755 2.753 2.753 2.752 2.751 2.748

1.34 1.92 0.83 1.16 1.65 1.56 1.56 1.32 1.41 1.79 1.06 1.42

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三种浇道也都获得了 较好的铸件性能, 但此 时三 种 浇 道铸件性能相近, 浇道截面积中等的铸件性能稍优。 铸造压力是获得组织 致密、轮廓清晰 压 铸 件 的 重 要因素, 铸造压力越大 铸件越致密, 故铸造压 力 降 低 会引起铸件密度的降 低。由于超低速压铸时 浇道 速 度 较低, 合金 液充型时流动性不好 , 在浇道处出现 较 多 的金属堆积, 在压铸温 度相同的情况下, 采用 较 大 的 铸造压力或较大的浇道尺寸可保证合金液的流动性, 有利于减少缩孔和缩 松, 提高铸件性能。在 其 他 条 件 不变的情况下, 铸造压力越大, 铸件的组织应该越细小 致密, 性能应该越好。而三种浇道铸造压力为 120 MPa 时铸件的性能比铸造压力为 100 MPa 时还差, 可能与充 型速度慢, 温度较低的 合金液在温度更低的 模具 型 腔 中快速凝 固, 封堵浇道, 增压后浇 道侧的铸件已 经 大
表4
相关因素 浇注温度 /℃

部分凝固, 使冲头压力 不能完全施加在铸件 上, 特 别 是施加在由 于最后凝固收缩而需 要施加压力的铸件 溢 流侧有关[7], 其具体原因还不十分清楚, 有待进一步分 析研究。 压射压力的作用和压 射比压的作用相 似, 且 压 射 压力可以持续到铸件 凝固, 采用较高的压射 压力 可 以 增进合金 液的充型能力, 特别是 浇道尺寸较小时对 铸 件性能的提高作用 更大, 故采用较大的 压射压力 也 可 使铸件获得较好的性能。

2.4

浇注温度对超低速压铸件的性能影响
浇注温度的选择与许 多因素有关, 除研究浇 注 温

度对铸件性能的影响外, 本文还选择了模具预热温度、 脱 模剂等与浇注温度相 关的因素进行了研 究。工艺 因 素对铸件性能的影响见表4。

浇注温度对超低速压铸件的性能影响
密度( g cm- 3 / ? ) 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 伸长率 ( % )

Table 4 Effect of melt temper atur e on pr oper ties of SSS die castings
200 ℃
模具预热温度

660 675 700 720 705 690 675 680 690 720

2.760 2.760 2.760 2.763 2.763 2.764 2.760 2.761 2.764 2.762

250.02 203.07 216.09 240.67 230.04 255.08 203.07 241.47 255.08 233.41

135.24 137.50 143.53 142.66 135.60 146.09 137.50 139.53 146.09 136.99

2.20 1.34 1.43 1.57 1.73 1.92 1.34 1.92 1.92 1.85

150 ℃ 100 ℃ 1∶ 90

脱模剂 1) ∶( 1) ( 水

1∶ 60 30 1∶

模具预热温度

150 ℃ 1∶ 30

( 水 脱模剂 1) ∶( 1)

浇注温度越高, 铸件的 密度和力学性能均呈 先 增 后 减 的 规 律, 在 浇 注 温 度 为 690 ℃ 时 达 到 最 大 值 。 这 是由于温 度越高, 坯料的流动性 和充型性等越好, 但 铝合金在熔化时易吸 入氢, 且氢的溶解度会 随温 度 升 高呈指数 倍增加, 故浇注温度越 高, 合金液中溶 解 的 氢越多, 压铸后铸件中气孔越多 [9], 且氧化物量也严重 增加, 故浇注温度过高铸件性能降低。浇注温度太低, 硅 将大量析出以游离状 态存在于压铸件内, 使性能 变 坏 。 压铸模的温度直接影响压铸件的质量和生产率, 在每一个生产 循环中, 金属液传递给 模具的热 量 、模 具自然散热及通过冷却系统传走的热量应保持平衡。 模具预热温度 较高时, 可选择较低的 浇注温度 , 这 样 有助 于铸件快速凝固, 获得 细小的凝固组织, 从 而 获 得较好的力学性 能。在压铸过程中, 模 具不断 地 被 高 温液态金属加热, 其温度不断上升。过高的模具温度, 将使压铸件产生一 些缺陷, 如粘模、鼓泡 、崩 裂 、热 裂等, 同时模具 长时间地工作在高 温环境中, 模 具 材 料强度下降, 造成模具表面裂纹, 致使模具寿命下降, 为缓解和解决以 上问题, 在压铸生产 中, 往往 采 用 喷 涂或涂 敷脱模剂和防粘蜡 的措施, 以减缓铸件 ( 压 铸
[10]

合金 与模具型腔表面的机械冲击和摩擦作用[11]。 )



结论
( 1 ) 超低速压铸铸件的密 度较高; 浇道 截 面 积 越

大越有利于合金液充型, 对铸件的性能影响也越显著。 ( 2 铸件的性能随浇道速度的增加先提高后降低, ) 不同截面的浇道其最 佳浇道速度不同, 最佳 浇道 速 度 均 低 于 0.6 m/s, 当 浇 道 速 度 为 1.2 m/s 时 力 学 性 能 都 较 差。 ( 3 压射压力和增压压力对铸件的性能都有影响, ) 超低速压铸时铸造压力为100 MPa 时性能最好; 在无增 压条件下, 仅 采用较大的压射压力 也可使铸件获得 较 好的力学性能。 ( 4 在超低速基准压铸条件下, 浇注温度 690 ℃ 、 ) 模具预热温度 150 ℃时铸件性能较好。
参考文献:
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铸造
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纪莲清等: 铝合金超低速压铸工艺参数对铸件性能的影响

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通信ある社, 平成 6 年 .

( 编辑: 张允华, zyh@foundryworld.com )


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压铸工艺参数的设定和调节
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压铸原理及工艺练习题及参考答案
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