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对低压铸造铝合金轮毂裂纹形成原因的分析及工艺改进

发表于: 2011-09-21作者:张立斌点击:5369

对低压铸造铝合金轮毂裂纹形成原因的分析及工艺改进(一)

 

对低压铸造铝合金轮毂裂纹形成原因进行分析,就影响裂纹产生的各种因素,如铸件结构、工艺参数、模具温度等进行研究,通过合理控制和调整这些因素,消除裂纹对轮毂铸件的影响,从而提高企业的经济效益。
 铝合金轮毂具有许多钢质轮毂无法比拟的特性,因此铝合金轮毂在轿车、摩托车等车辆上已开始广泛应用。到2002年,我国轿车铝合金轮毂的装车率已接近45%。由于汽车轮毂质量要求较高,本身结构又适合于低压铸造,且需求量大,因此,极大地推动了低压铸造技术的发展。目前,低压铸造已成为铝合金轮毂生产的主要工艺方法,国内的铝合金轮毂制造企业多数采用此工艺生产。

 

低压铸造可实现高度机械化、自动化,既提高生产率(10~15型/h),又可减少众多的不利于生产工艺的人为因素,提高成品率,且可大大减轻工人的劳动强度。然而低压铸造件的质量受到诸如工艺方案、工艺参数、模具结构及人工操作等因素,以及它们之间的相互影响,任何一个环节设计不合理或操作不当都有可能导致低压铸造件产生缺陷。其中,铝合金轮毂裂纹的产生是影响企业生产成本、生产效率的重要因素,且轮毂裂纹是汽车安全性的重大隐患。因此,对低压铸造铝合金轮毂裂纹成因的探讨就显得尤为重要。
一、低压铸造铝合金轮毂裂纹形成的原因
低压铸造铝合金轮毂裂纹主要产生在应力集中的部位,或轮毂顶出时因受力不均,或升液管处液体凝固造成的开裂。裂纹一般分为冷裂和热裂两种。
 

冷裂纹是指合金在低于其固相线温度时形成的裂纹。通俗地说,冷裂是铸件冷却到低温时,作用在铸件上的铸造应力超过铸件本身强度或塑性所允许的程度而产生的。冷裂多在铸件表面上出现,裂口表面有轻微的氧化;而热裂通常认为是在合金凝固过程中产生的,由于型壁的传热作用,铸件总是从表面开始凝固的。当铸件表面出现大量的枝品并搭接成完整的骨架时,铸件就会出现固态收缩(常以线收缩表示)。但此时枝晶之间还存在一层尚未凝固的液体金属薄膜(液膜),如果铸件的收缩不受任何阻碍,那么枝晶层不受力的作用,可以自由收缩,也就不会出现应力。当枝晶层的收缩受到阻碍时,不能自由收缩或受到拉力的作用,就会出现拉应力,这时枝晶间的液膜将受到拉伸的作用而变形。当拉应力超过液膜的强度极限时,枝晶间就会被拉开。但是被拉裂部分的周围还存在一些液体金属,如果液膜被拉开的速度很慢,且周围有足够的液体并及时流人拉裂处,那么拉裂处将得到填补和“愈合”,铸件不会出现热裂纹。如果拉裂处不能重新“愈合”,铸件就会出现热裂纹。热裂断口处表面被强烈氧化,呈现无金属光泽的暗色或黑色。
二、影响裂纹产生的主要因素
 对于同一种合金,轮毂是否产生裂纹,往往取决于轮毂结构、工艺参数和模具温度等因素。
1.轮毂结构设计不当对轮毂裂纹的影响
(1)内圆角大小不当,是轮毂产生热裂纹最普遍的原因,因为轮毂在冷却时尖角处会产生很大的应力。在内圆角小的部位,即使补缩良好不出现缩裂,也会产生热裂。
(2)轮毂截面骤然改变,会导致冷却速度快慢不一,即使补缩良好也会产生较大应力,使轮毂凝固后出现裂口或裂纹。
2.工艺参数不合理对轮毂裂纹的影响
在低压铸造中,由于保压时间过长,或升液管过长造成升液管内液体出现凝固,在轮毂铸件顶出时承受一定的拉力,从而造成轮毂产生冷裂。因此设计合理的保压时间和升液系统,对减少轮毂在顶出时造成的开裂有十分重要的意义。
3.具温度对轮毂裂纹的影响
低压铸造的模具温度决定合金液的凝固方式,并直接影响铸件的内部和表面状况,是铸件产生尺寸偏差及变形等诸多缺陷的主要原因之一,同时对生产率也有很大的影响。模具温度随着铸件重量、压铸周期、压铸温度及模具冷却方式等的变化而改变。
 

从传热学角度来看,提高模具温度可降低金属与模具之间的换热强度,延长了流动时间。也有研究表明,提高模具温度还略能降低金属液与铸型之间的界面张力。随着模具温度的增加,充型时间略减少,即充填能力随着模具温度的升高而增加。因此模具温度的适当升高有利于应力的减小,如果模具温度过低,铸件在金属型中冷却过快,铸件各部分之间的凝固速度不同,会使铸模内铸件的冷却不均匀,产生热应力和变形,结果导致在铸件成品上产生热裂及较大的残余应力和残余变形,但较高的摸具温度不利于得到结晶细小的组织,液态金属容易吸气和收缩,使铸件产生气孔、缩松和缩孔等缺陷的机会增加。为将这一矛盾统一化,可在不出现铸造缺陷的情况下,适当提高模具温度。

三、改进措施
(1)合理设计升液系统 

由于保压时间过长,或升液管过长造成升液管内液体出现凝固,使轮毂铸件在顶出时承受一定的拉力,从而造成轮毂产生冷裂,因此设计合理的升液系统对减少裂纹倾向具有十分重要的意义。升液系统是指浇注时液态金属由坩埚进入型腔的通道,包括升液管、保温套和铸件浇注系统。这几部分的尺寸直接影响坩埚内液面到铸件内浇口之间的距离。这段距离越长,则浇注时液态金属通过这段距离时降温越快,极易造成升液管通道早期凝同。因此应注意:①缩短坩埚内液面到铸件内浇口之间的距离。这段距离涉及到设备、工艺、模具等几个方面,所以要综合考虑,应以减短这段距离为宜。②改进保温套。适当加大保温套商径,以便扩大保温层厚度;采用保温性能好的材料作保温套,如硅酸铝纤维毡。③升液管直径适当加大。为防止升液管早期凝固,应适当加大升液管的直径。
(2)设计合理的轮毂结构 

任进行轮毂结构设计时,应避免尖角结构和截面的骤然改变,宜采用圆角或厚度均匀的结构。
(3)在不出现铸造缺陷的情况下,适当提高模具温度。
(4)浇口套的改进

铁浇口套                                陶瓷浇口套

降温快 不保温                             保温

粘铝                                      不粘铝

易出废品                                        成品率高

易被铝水侵蚀                                    不侵蚀

每个修模周期必须拆卸                            可使用多个修模周期

帽口大铝水用量大                                帽口小铝水用量小

帽口结晶粗超                                    帽口结晶细腻

整体结晶受影响                                  整体结晶好

易溶入铝液中含铁量大                            铝液洁净

机加成本大、落料多、电能消耗大               机加成本较小、落料少、电能消耗小

综合能耗大                                      综合能耗小

工人劳动强度大                                  工人劳动强度小

生产效率低                                      可提高生产效率(20-25%)

更换周期短                                      更换周期长

工艺落后                                       产品竞争力强

                                               新产品开发灵活

 

 

秦皇岛市伊菲环保产品开发有限公司   张立斌  18603356451


 

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