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    铸造技术镁合金摩托车轮毂铸件常见缺陷与对策


    镁合金是常见工程材料中most轻的金属,其密度约为铝合金的2/3,钢的1/5.目前国内汽摩车辆配置多为铝合金轮毂或者钢轮毂,它们在减重、减震、节能、降噪和车辆动力学特性等指标上均大大低于镁合金,镁合金铸件减震效果是铝合金的30倍,作为运动部件,用镁合金替代铝合金,单位体积价格则更便宜,经济效益可观,是较理想的新材料替换方式。然而,由于镁合金生产工艺还不太成熟,造成轮毂铸件缺陷较多,大大降低铸件的使用性能,致使轮毂铸件大量报废。引起镁合金轮毂铸件缺陷的原因很多,主要有金属合金成分、铸件结构、生产加工工艺参数、模具结构等因素。本文重点研究了这些影响因素,分析了缺陷产生的机理,并提出了相应的解决措施。

      1铸件材料选择及工艺分析1.1铸件材料选择实验用轮毂铸件是某公司开发的新产品,多用于装配摩托车或电动自行车。原铸造材料采用铸造铝合金,铸造方式为低压重力铸造。由于铝合金价格不断上涨且镁合金价格低于铝合金,单位体积的成本更低,欲用目前商用化比较好的AM60B镁合设计与制造。,金替换铝合金,在保证轮毂的使用性能指标的前提下,降低生产成本,从而提高市场竞争力和经济效益。AM60B是一种Mg-Al-Mn系列铸造镁合金,其化学成分w(%)为:5.56.5Al、砭0.20Zn、0.25Mn,杂质:砭0.10Si、砭0.005Fe、砭0.010Cu、砭0.002Ni,其他杂质ミ0.02°%,Mg余量。该合金Al和Zn含量较低,Mn允许高于0.5°%,对杂质含量要求较高,尤其对铁和镍杂质的限制,这对于提高合金的力学性能和抗蚀性能非常有利,但对合金熔炼工艺要求较为复杂。该合金密度为1.8g/cm3,收缩率为0.6%,综合性能较好,冲击韧度、力学强度较高,尺寸稳定,易于成形和机械加工,适于摩托车轮毂等运动部件' 1.2铸件工艺分析试制用轮毂铸件外观轮廓见。轮廓most大尺寸为准460mmx89mm,铸件质量1.5kg,most大⒅柿坎。4kg,most薄处为5mm,较厚处为轮福部位厚10mm,most厚处为轮毂中心的部位为22mm.从铸件结构工艺分析看,轮毂各部位截面厚度不均,成型难度较高,易形成铸件缺陷。

      2反挤压铸造设备选型根据压铸模具设计手册计算得知,该铸件的表面积为0.479m2,most大投影面积为0.165m2,most大锁模力要求most低350t,most大⒅亓坎。4kg,可以选用铸造设备为2000kN四柱式万能液压机。该设备上横梁移动距离可达850mm,下缸的顶出压力most大为600kN,most大合模速度100mm/s,most大挤压速度65mm/s,顶出活塞速度为80mm/s,溶杯内径直径3反挤压铸造工艺参数对铸件质量的影响AM60B合金熔液本身冷却速度较快,粘度较大,合金液流动性较差,造成铸造工艺性较差,如果仍采用成型铝合金轮毂的方法,即普通的低压重力铸造方式,很难获得高质量的镁合金轮毂铸件,试制采用反挤压铸造工艺,浇注系统采用中心浇注,让合金液在高速高压下反重力充型,并严格控制其铸造工艺,从试制情况看,试件质量较高,能满足使用要求。试制过程中发现,浇注温度、模具温度、充型速度和保压时间4种工艺参数对铸件质量影响most大。其中most活跃的参数是浇注温度,它直接影响轮毂铸件的质量及产品收得率。其次是模温影响,为了获得理想的模具温度,本课题采用德制油介质的模温机进行加热和冷却,该设备既能保证模温在所需的范围内,又防止水介质泄露引起镁合金爆炸。再次是保压时间和充型速度的影响,充型速度过小,易产生充型不良、流痕等缺陷;保压时间过短,铸件还没有完全冷却,开模取出铸件是容易变形;保压时间过长,铸件变形抗力增大,不易脱模。除上述影响外,合金本身的特性,合金液的浇注重量及洁净度,铸造模具结构以及所用涂料,均对镁合金轮毂铸件的质量有较为重要的影响。

      4常见缺陷分析及解决措施在镁合金轮毂铸件的试制过程中,些铸造常见的缺陷如裂纹、充型不良、气孔、冷隔、流痕、夹渣等均出现。为了便于分析,把气孔缺陷和夹渣称为内部缺陷,而把裂纹,充型不良、冷隔、流痕称为表面缺陷,下面对这些缺陷形成的原因进行简单分析并提出相应的防范措施。

      4.1铸件内部缺陷4.1.1孔缺陷对试制轮毂铸件沿轴线进行剖分,有时会发现在轮毂铸件的剖面上有孔存在(见左图),在光学显微镜下有时也会看到基体上有孔存在(见右图)。可见孔缺陷在铸件内部很常见,且大小不,仔细观察还发现孔壁大多光滑,这类缺陷大多靠近内浇道周围,沿着内浇道轴线方向分布,远离内浇道处逐渐减少、变小甚至消失。分析发现,孔缺陷大多与合金液在充型过程中裹入气体有关,裹入气体的原因很多,①合金液充型速度过快,会形成紊流而卷入气体;②模具型腔结构不合理,合金液会高速冲击型芯,在充型过程中卷入气体;③模具内部的水蒸气:这些水分有模具润滑油燃烧产生的,也有模具脱模剂水分挥发产生;一旦这些气体因压射比压小,溢流排气道设计不合理,均会造成排气不良,从而形成气孔。另外,合金液冷却速度过快,合金液未能及时补缩时已冷却,也会形成孔缺陷,这类孔称为缩孔。

      避免措施如下:①适当降低合金液充型速度,生产实践表明,当充型速度低于0.27m/s,会避免裹入大量气体,从而大大减少气孔的产生;②合理设计浇注系统,适当加大内浇道与铸件之间的过渡圆角,避免合金液冲击模具型腔型芯;③适当增大内浇道和溢流槽的尺寸,增设型芯处排气槽,适当提高压射速度、压射比压、模具温度,尽量多的排出气体;④适当降低合金液浇注温度:般情况下,为了消除气孔、缩孔和疏松,在反挤压铸造时,常常把浇注温度控制在较低的温度,因为浇注温度较低时,气体易于从合金熔液内部逸出,极少留在金属中,易于消除气孔。

      夹渣也是镁合金轮毂铸件常见的内部缺陷,需要截取铸件内部截面,利用扫描电镜观察。是截取轮毂铸件截面利用扫描电镜观察到的夹渣缺陷,观察轮毂缺陷表面,发现有募性游铩<性堑致铸件容易脆断-性脆的根本原因,是造成轮毂铸件断裂的主要原因。夹渣产生的原因与合金液的洁净度有关系,特别是镁合金合金液,极易氧化,特别容易引起夹渣。夹渣一般是由于液态金属除渣不干净,或是被氧化生成氧化皮,冲头加压时,将氧化皮、涂料等挤入铸件中引起的。定时除渣,防止镁合金液氧化就能解决夹渣和性脆等问题。

      避免措施如下:①在镁合金液从熔炼到浇注全程通惰性气体保护,尽量保证合金液的洁净度,防止氧化;②定期清理冲头和模具型腔的氧化皮和涂料积累,尽量保持挤压铸造周边的卫生清洁。

      铸件气孔缺陷4.2铸件表面缺陷4.2.1冷隔及充型不良缺陷这类缺陷是铸件most常见的表面缺陷见,大多因为合金液在充型过程中还未充满模具型腔,合金液就已经凝固了。这与镁合金合金液的浇注温度过低,合金液充型速度又较慢,而镁合金液本身的冷却速度又很快有关。用液压机反挤压铸造镁合金铸件,就经常会出现这类缺陷。因为,大多液压挤压铸造机在反挤压铸造时,需要压机柱塞从下缸顶出,靠压力促使合金液高速高压反重力充满整个模具型腔,但在实际铸造过程中,需要先浇入合金液,然后模具在液压机的动作下合模、锁模,这些过程都需要时间,再加上一般液压机的下缸顶出速度都较慢,合金液在温度较低时被以较小的压射速度进入模具型腔,而后进行加压和保压,most后填充型腔。结果,开始进入模具型腔的合金液由于模具型腔温度较低,凝固很快,后进入的合金液在压力作用下又进入型腔,凝固的合金液不可能接受瞬时压力融化,而是被后面的合金液带入模具型腔,就会经常出现冷隔缺陷。而如果加压和保压时间太短,则会出现充型不良缺陷。所以,对镁合金铸件来说,合金液浇注温度过低或模温过低,模具合模后开始加压时间又过长,充型不良及冷隔缺陷出现的几率就会大大增加。

      避免措施如下:适且的合金液浇注温度和模温会大大减少此类缺陷的产生,适当加大液压机的下缸顶出速度,延长加压和保压时间,效果会更好。实践表明,适宜的浇注温度为690720C,模温为200250C.浇注温度过低,其结晶潜热小,镁合金极易凝固,所需单位压力也较大;浇注温度过高,其结晶潜热大,则易产生缩孔。另外,合模后开始加压时间越快越好,这样也会大大避此类缺陷产生。

      裂纹缺陷(见)大多也是有热问题引起,又称热裂,其影响因素包括厚截面、浇注温度、循环时间、合金种类、模具温度、加压时间等,裂纹一般出现在型芯的过渡圆角处,有时铸件表面也有裂纹。产生裂纹的原因可能是以下几个方面综合形成的。①型芯处的过渡圆角太小,合金液凝固时产生过大的局部应力集中;②铸件出型过早,未凝固完毕就出型而造成热裂,或出型太迟,使铸件和型芯之间的应力过大;③模具温度,尤其是型芯温度过低,使附着在型腔内壁的合金液快速凝固成薄壳层,冷却凝固过程中产生的收缩应力全部由极薄的金属壳层承担,在应力超过金属壳层的极限强度后,金属壳层发生撕裂;④加压太迟,使铸件局部得不到补缩;⑤保压时间过长,铸件薄壁处冷却收缩受到限制而易被拉裂(冷裂);⑥在顶出铸件时,由于收缩应力会使铸件发生变形,扭曲和冷裂。

      根据以上分析,采取以下改进措施:①增大型芯处的过渡圆角;②模具温度设定为240280C.模具温度过高或过低都会给铸件的质量和模具寿命带铸件裂纹来不利影响,容易发生粘模,使脱模困难,同时也会延长保压时间,降低生产率。模具温度过低,则使铸件的质量得不到保证,如产生冷隔和表面裂纹等缺陷;③保压时间以1020s为宜。保压时间过短,则铸件内部容易产生缩孔,如果保压时间过长,则会延长生产周期,增加变形抗力,降低模具使用寿命。

      5镁合金轮毂铸件的试制经过对镁合金轮毂铸件的试制,对试制过程中出现的缺陷进行分析、总结,了解镁合金的特点,改变合金成份、铸型形状以及调整反挤压铸造工艺参数等,试制出了质量较高的镁合金轮毂铸件(见),经过各环节的测试,能够满足轮毂铸件的使用要求。

      6结论生产实践表明,明确铸件缺陷产生的机理,采取相关的防范措施,消除了铸件缺陷,可以得到外表光滑、内在质量优良的镁合金轮毂铸件,铸件成品率可保持在90%以上。当然,有些缺陷的影响因素非常复杂,应具体问题具体分析。但只要广大工程技术人员不断研究,发现问题并不断解决问题,镁合金零件在不久的将来会大量应用在我们的日常生活中。


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