鋁合金消失模鑄造常見(jiàn)缺陷分析

鋁合金消失模鑄造常見(jiàn)缺陷分析

消失模制造技術(shù)是一種精確的鑄造新技術(shù)。1958年,H.F.Shroyer發(fā)明了用可發(fā)性泡沫塑料模樣制造金屬鑄件的技術(shù)并取得了專利。最初所用的模樣是采用聚苯乙烯(EPS)板材加工制成的。1980年,該專利期滿后,美國(guó)通用汽車(chē)公司率先將消失模鑄造技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體缸蓋制造,獲得巨大成功[1~3]。消失模鑄造是采用無(wú)粘結(jié)劑干砂抽真空技術(shù),可適用于大批量生產(chǎn)鋁合金氣缸體、氣缸蓋鑄件。2009年,筆者有幸參與了惠能機(jī)電(福建)有限公司消失模鑄造工藝試驗(yàn)鋁合金鑄件的全部過(guò)程,并詳細(xì)記錄了試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣渣孔、針孔砂眼(渣眼)、縮松、冷隔、重皮、粘砂等鑄造缺陷?，F(xiàn)就試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和遇到的問(wèn)題以及解決方法作簡(jiǎn)要介紹。1金液鑄造缺陷的防治方法鋁合金消失模鑄造采用干砂造型,泡沫模樣涂敷保溫涂料,由于氣化需要吸收大量熱量,所以其出爐溫度和澆注溫度比砂型鑄造、壓力鑄造以及金屬型重力鑄造的溫度高,又因?yàn)殇X合金熔液易氧化吸氣,鋁合金液在熔煉和澆注時(shí)與空氣中的水反應(yīng)溶解氫氣和氧化。鋁合金液在冷卻過(guò)程中容易析出氫氣形成分散性針孔和渣孔。另一方面主要原輔材料和熔煉設(shè)備及工具在生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有充分嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行操作和技術(shù)控制,如熔煉設(shè)備和原輔材料以及熔煉工具在生產(chǎn)前沒(méi)有充分預(yù)熱;在選料熔化﹑精練﹑變質(zhì)﹑出爐過(guò)程沒(méi)有嚴(yán)格控制鋁合金液吸氣和氧化以及在澆注過(guò)程中操作不當(dāng)使空氣進(jìn)入鑄型內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的鑄造缺陷;所以在整個(gè)的生產(chǎn)過(guò)程中任何一個(gè)小環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏忽都會(huì)造成不良后果。常見(jiàn)的表面針孔﹑氣渣孔﹑針渣孔﹑渣孔﹑渣眼見(jiàn)圖1。這些缺陷產(chǎn)生的原因主要是在生產(chǎn)工藝制定上不科學(xué)和不合理;其防止辦法主要有以下幾點(diǎn):(1)改變澆注系統(tǒng);提高澆注速度;控制澆注時(shí)不能產(chǎn)生紊流。(2)提高涂料層和型砂的透氣性。(3)控制泡沫模樣的密度、水分、發(fā)泡劑含量。(4)模樣和涂層應(yīng)烘干徹底。(5)控制泡沫模樣粘結(jié)劑用量。2發(fā)氣以及鋁合金液引起氣孔在消失模鑄造中是指鑄件表面光滑的孔洞,主要是泡沫模樣發(fā)氣以及鋁合金液在凝固過(guò)程中氣體來(lái)不及排出而造成。其主要原因是:泡沫模樣密度過(guò)大強(qiáng)度不均勻﹑涂料透氣性差﹑涂層沒(méi)有干透﹑出爐和澆注溫度偏低﹑澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,見(jiàn)圖2。3降低粘砂質(zhì)量粘砂是金屬液滲入型砂中,形成金屬液與型砂的機(jī)械混和物,粘砂有兩種情況:一是金屬液通過(guò)涂料層開(kāi)裂處滲入型砂內(nèi),形成金屬液包住型砂;二是金屬液透過(guò)涂料層滲入型砂內(nèi),形成粘砂。鋁合金鑄件的粘砂一般都是砂填充不緊、沒(méi)有振實(shí)以及真空度過(guò)高所導(dǎo)致。鑄件粘砂情況見(jiàn)圖3。生產(chǎn)過(guò)程中控制表面粘砂的措施主要是控制好涂料的制備質(zhì)量和涂敷質(zhì)量;要求涂料涂層均勻﹑涂敷完整;特別是形狀復(fù)雜鑄件的內(nèi)腔及拐角處的涂敷質(zhì)量以及型砂粒度和造型時(shí)的緊實(shí)度。其次在操作過(guò)程中要有合理的澆注溫度﹑澆注速度以及負(fù)壓度。4冒口的補(bǔ)縮能力鋁合金消失模鑄造的澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)是相當(dāng)關(guān)鍵的。其澆冒口開(kāi)設(shè)與砂型鑄造不同,冒口的補(bǔ)縮能力沒(méi)有砂型鑄造好,原因是消失模鑄造的冒口鋁合金液溫度偏低,且冒口內(nèi)壓力低,容易產(chǎn)生縮孔和縮松,見(jiàn)圖4。產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷時(shí)要認(rèn)真查找原因和產(chǎn)生的機(jī)理,一般采用改變澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計(jì),使系統(tǒng)合理科學(xué)以及提高補(bǔ)縮能力的方法來(lái)防止缺陷發(fā)生。5置換泡沫改變消失模鑄造中型砂的移動(dòng)﹑鑄型的破壞造成鋁合金液不能完全置換泡沫模樣,使鑄件不能成形,或鋁合金液充型速度過(guò)慢、澆注溫度過(guò)低導(dǎo)致,見(jiàn)圖5。潰型(塌砂)缺陷防止辦法一般采用提高鑄型強(qiáng)度﹑合理的造型裝箱工藝﹑正確的澆注操作來(lái)保證。6重皮缺陷的形成原理及解決方法在消失模鑄造生產(chǎn)過(guò)程中鑄件表面產(chǎn)生冷隔的原因是鋁合金液澆注溫度偏低、澆注速度慢、澆注壓頭小、澆注系統(tǒng)開(kāi)設(shè)不合理造成,特別是鋁合金復(fù)雜薄壁件更容易產(chǎn)生冷隔。另外,如果充型過(guò)程中負(fù)壓過(guò)大,鋁合金液沿型壁過(guò)快上升超過(guò)內(nèi)部鋁合金液的上升速度,在鑄型表面形成一層殼,而后又被后面上升慢的鋁合金液填充,如果先凝固的殼沒(méi)有被后面的鋁合金液熔化就形成重皮缺陷,見(jiàn)圖6。解決這類缺陷的辦法是:(1)選擇符合鑄件結(jié)構(gòu)和工藝要求的專用砂箱以及造型時(shí)泡沫模樣在專用砂箱中合理的擺放位置。(2)改進(jìn)澆注系統(tǒng),提高澆注溫度和澆注速度。(3)適當(dāng)調(diào)整負(fù)壓,控制好氣化速度。7鋁合金液流動(dòng)速度差在泡沫模樣的薄壁處或遠(yuǎn)離澆口的位置,由于鋁合金液與模樣置換過(guò)程中,鋁合金液前沿阻力大、流動(dòng)距離遠(yuǎn),熱損耗大、降溫速度快,造成鋁合金液流動(dòng)速度差,產(chǎn)生澆不足,見(jiàn)圖7。澆不足一般采用以下措施防止:(1)降低泡沫模樣的密度,改變?cè)贾榱７N類,減少模樣的發(fā)氣量;(2)提高鋁合金液的澆注溫度和澆注速度;(3)提高涂料和型砂的透氣性。8其他缺陷方面的研究消失模鑄造在工藝操作不當(dāng)和控制不嚴(yán)格的情況下,容易產(chǎn)生表面孔洞與凹坑的鑄件缺陷,這些表面缺陷產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜,如渣孔﹑砂孔﹑縮孔等表面缺陷。此外如泡沫質(zhì)量不良的情況下,鑄件表面還會(huì)產(chǎn)生龜紋等缺陷,見(jiàn)圖8、圖9。這類缺陷的成因比較復(fù)雜,要仔細(xì)分析,并且根據(jù)生產(chǎn)的具體工藝操作過(guò)程和控制數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析;一般采取以下幾方面措施同時(shí)進(jìn)行:(1)嚴(yán)格控制組合模樣的工藝操作,提高澆冒口系統(tǒng)的擋渣能力和排渣能力;(2)提高鑄件的澆注溫度和澆冒口的補(bǔ)縮、擋渣和集渣能力以及澆冒口連接處的連接質(zhì)量;(3)控制泡沫模樣質(zhì)量和涂料的干燥質(zhì)量。9碳缺陷產(chǎn)生機(jī)理表面碳缺陷(皺皮)是鑄件澆注時(shí)由于聚苯乙烯的分解產(chǎn)物形成所致。聚苯乙烯在700℃以下溫度形成粘稠的瀝青狀液體。粘稠的瀝青狀液體一部分被涂料層吸附;一部分在鋁合金液與涂料層之間形成簿膜,在還原氣氛下形成結(jié)晶碳,它在鑄件表面形成碳缺陷,影響表面質(zhì)量,見(jiàn)圖10。碳缺陷的形成主要是泡模模樣的密度大或局部密度過(guò)大、涂料和型砂的透氣性以及澆冒口系統(tǒng)和澆注工藝控制不當(dāng)?shù)仍斐伞Ｒ獪p少其缺陷產(chǎn)生必須嚴(yán)格控制預(yù)發(fā)泡和成形工藝;涂料質(zhì)量的嚴(yán)格把關(guān);設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)和生產(chǎn)工藝;嚴(yán)格控制泡沫原材料的質(zhì)量;提高鋁合金液熔煉質(zhì)量以及澆注溫度和澆注速度。10影響外觀質(zhì)量的因素珠粒狀表面表現(xiàn)在鑄件表面呈泡沫珠粒狀,其根本原因是珠粒膨脹愈合不良,一方面會(huì)影響鑄件力學(xué)性能以及密封性,甚至因鑄件滲漏而導(dǎo)致報(bào)廢,另一方面影響鑄件的外觀質(zhì)量,見(jiàn)圖11。其原因是:(1)成型珠粒發(fā)泡劑含量不足;(2)成型時(shí)蒸氣壓力低,通蒸氣時(shí)間短;(3)成型模具質(zhì)量問(wèn)題。表面過(guò)燒同珠粒狀表面性質(zhì)基本相同,不同的是一個(gè)是不足,一個(gè)是過(guò)燒造成。表面過(guò)燒現(xiàn)象是成型時(shí)模具的局部位置蒸氣量過(guò)大和珠粒充型不實(shí)。總體說(shuō)主要是泡沫成型模具有問(wèn)題,需要對(duì)模具進(jìn)行必要的修理;才能解決此類缺陷。11模具檢驗(yàn)的重要性表面凹凸現(xiàn)象主要是因?yàn)榕菽尚湍＞呱厦娴呐艢馊纪购瓦M(jìn)料口料塞桿定位發(fā)生變化以及模具工作表面有破損或鑄造缺陷造成,見(jiàn)圖12。為防止這些小的缺陷產(chǎn)生,需要加強(qiáng)模具的定期檢查;成型操作工人要認(rèn)真檢查泡沫模樣的外觀,及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理。另外模具的制作要到專業(yè)的廠家去定作,才能保證模具質(zhì)量。12常見(jiàn)缺陷的防治對(duì)策(1)鋁合金吸氣、氧化是造成鑄件缺陷的最主要原因。必須嚴(yán)格控制工藝過(guò)程,從原輔材料的選擇、熔煉前的準(zhǔn)備、熔煉操作技術(shù)的監(jiān)督控制、除氣、精煉、變質(zhì)、靜置、質(zhì)檢、澆注等全部過(guò)程的綜合控制,才能有效防止。(3)氣孔、渣孔、針孔、