铝合金的挤压铸造.doc

武 汉 纺 织 大 学

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完成日期： 2014年5月7日

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材料成型论文
挤压铸造铝合金
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（武汉纺织大学机械工程及其自动化学院，湖北省武汉市洪山区鲁巷纺织路1号，430200）
摘要 随着汽车、摩托车等现代化交通工具的高速发展，铝合金铸造产品存在着很大的空间。因此, 这几十年来，铸造铝合金材料紧紧围绕汽车、摩托车等现代交通运输工业发展的要求，研制开发具有高强、高韧、高耐磨、低涨缩、可焊接、可表面处理、抗腐蚀、抗疲劳、流动性好的铸造和压铸用铝合金，以满足汽车发动机、活塞、汽缸和轮毅及其他用途的需求。
关键词 挤压铸造；铝合金；工艺特点；缺陷预防和控制；发展应用

挤压铸造在国内外都已经有很长的发展和应用历史。挤压铸造的理想状态是能够利用外部施加的压力 ,使铸件在整个凝固过程中保持型腔内的流体部分能够有效流动，充分补充金属液冷却和凝固所带来的内部收缩，使铸件整体获得比高压铸造、重力铸造、低压铸造等铸造方法更加致密和均匀的组织，达到更优的综合性能 。
目前，挤压铸造从装备能力、工艺控制、生产效率、产品性能和应用领域等方面都达到了较高的水平。先进的挤压铸造系统不仅能够生产性能等同于甚至优于重力铸造或低压铸造的产品，而且具备了跟普通压铸相媲美的规模生产效率和工艺控制能力。
1 铸造铝合金
按GB/T1173-1995标准，铸造铝合金代号由字母Z”、“L”(它们分别是铸”、“铝的汉语拼音第一个字母)及其后的三个阿拉伯数字组成ZL后面第一个数字表示合金系列，其1234分别表示Al-Si, Al-Cu ,Al-Mg ,Al-Zn系列合金，ZL后面第二三两个数字表示顺序号优质合金在数字后面附加字母A”。[1]合金铸造方法变质处理代号为:S:砂型铸造；J:金属型铸造；R:熔模铸造；K:壳型铸造；B:变质处理。合金状态代号为F:铸态；T1:人工时效；T2:退火；T4:固溶处理加自然时效；T5:固溶处理加不完全人工时效；T6:固溶处理加完全人工时效；T7:固溶处理加稳定化处理；T8:固溶处理加软化处理
2 挤压铸造的工艺特点
作为一种追求具有致密组织和高性能的产品的特殊铸造工艺 ,挤压铸造特别注重以下几个方面 : ①金属液在浇注前必须得到有效净化；②采用厚大浇口和低速充填 ,避免金属液在进入型腔时发生剧烈喷溅 、强烈紊流 、对型腔壁或芯子形成直接冲击；③阻止充型过程中气体和夹杂的卷入； ④采用大流量排气保证型腔内气体的有效排出 ,在必要时配备抽真空系统；⑤在模具设计和模温控制上尽量保证凝固的顺序进行和有效补缩 。
3 挤压铸造铝合金件金属型铸造的优势
铝合金件金属型铸造与其他一些铸造方法（压铸低压铸造和砂型铸造等）相比主要具有如下几方面的优势：①几何尺寸和金相组织等综合质量好；②较低压及高压铸造工艺灵活，可生产较复杂铸件；③更有利于大批量生产，实现高度自动化和简化维修；④在同等生产规模下，与高低压铸造相比，铸造设备和金属型等工装的一次性投资更低。[5]
4 挤压铸造工艺和模具的控制
在工艺和模具的设计阶段乃至铸造过程中,需要根据产品的形状、尺寸、组织、性能和热处理等方面的要求 ,对各种因素进行综合平衡、合理控制 。
4.1合金液控制
对同一合金，挤压铸造的浇注温度一般高于普通压铸，浇注温度的设定还需要综合考虑铸件的形状和复杂程度、给料方式和给料循环时间、料筒和模具的温度控制等因素。在生产实践中 ,一定不能使用保温时间超过精炼时效的合金液。[3]
4.2 充型与排气排渣
相对于普通压铸而言 ,挤压铸造的内浇口截面通常都比较厚大,流道的长度尽量缩短。一般情况下 ,在金属液开始通过内浇口进入型腔并充填至整个型腔（包括集渣包和排气槽) 80 %～100 %（该比例的确定与对象产品有关）的阶段，可以采用相同的内浇口速度,最后阶段可以适当加快冲头速度 。[4]
4.3 组织均一性控制
由于挤压铸件的壁厚一般远大于普通压铸件 ,为防止铸件内部关键部位出现收缩性缺陷、氧化皮或先期凝固金属皮膜等割裂性缺陷、铸件表层与内部的组织不均一等缺陷 ,在工艺方面需要给予特别关注 。[3]
5 挤压铸造铝合金典型缺陷
我国在挤压铸件应用普及方面存在着很多制约因素 ,严重制约着行业的发展。该内容结合生产实际，就铝合金挤压铸造中典型的缺陷特征和成因进行分析。
5.1孔洞类和组织不致密性缺陷
5.1.1缩孔、缩松
与压铸件相比 ,挤压铸件一般具有更大的壁厚 ( 数十毫米以上) ,因此更容易发生缩孔和缩松,特别是在型腔与内浇口相连处等厚大部位或最后凝固的部位 。
5.1.2 氧化央渣与气孔
因操作不当,铝液进人型腔时产生喷溅,形成气泡被包裹在铸件内部,使金属发生氧化,形成氧化夹渣当铝液中有大量体积小的氢气时,则会形成不规则小孔洞,多见于厚大砂型铸件,急剧 降低铝合金铸件的物理、化学性能,导致产品组织性能不合格。[10]
5.1.3组织不致密性缺陷
由于挤压铸件组织致密度不够的缺陷可能引起挤压铸件的力学性能下降 15 %左右。在实际生产中，一般无法观察到这种缺陷。
5.2组织割裂性缺陷
挤压铸造中由于内浇口厚大 ,料筒内壁上先期凝固的皮膜和金属液表面的氧化皮非常容易被卷入型腔 ,形成的典型组织割裂缺陷。
5.3 表观缺陷
5.3.1冷隔
由于挤压铸造的金属液流动速度很慢 ,而充型前金属液充填浇道系统的速度更慢 ,因此当冲头速度切换成高速充填型腔之前 ,如果有少量金属液进入型腔 ,则会立即凝固 ,并与后续金属液凝固后形成严重冷隔。
5.3.2重皮
重皮实际上是冷隔的一种 ,重皮是“ 平铺” 在铸件局部的表面 ,与内部组织间没有熔合成一体 ,厚度一般为15～210mm。
5.3.3粘模
壁厚非常厚大的挤压铸件往往使型腔表面受高温作用时间长 ,因而比一般压铸更容易发生粘模问题 。解决粘模问题的典型对策包括使用隔离作用更强的脱模剂、提高脱模剂浓度、强化脱模剂喷涂、强化模具冷却、使用更低的浇注温度等。[2]
6 挤压铸造铝合金材料的开发应用
我国的挤压铸造铸件产量自 2000年超过美国后,成为世界第一铸件生产大国。中国的铸件产量连续以10%以上速度增长,现占世界铸件总产量的 25%左右。以铸件的材质分类,灰铸铁占了一半,其次是球铁铝镁锌等有色合金占17%以上。近年来由于国民经济的快速发展,对有色铸造业起了促进作用。[6]
目前，世界上大约有10%的原铝和85% 左右的再生铝用于生产铝合金铸件。2010年世界的铝及铝合金铸造产品已达220万吨，其中压铸件占60% 以上,低压铸件和砂型铸件各占20%左右, 年增长率为10%左右，我国的铝合金铸造产品产量已达280万吨。
铝合金铸件和压铸件主要用于汽车、摩托车等交通运输工具；其次是电子、电器、家电和小五金；近年来，铝合金由于密度低、比强度高、耐腐蚀好、易成形、成本低等优点 , 在航空、航天、兵器、船舶、电子等先进武器装备中广泛应用。[8]目前 ,世界汽车年产量7000万辆左右,汽车保有量为8亿辆，而我国2010年汽车产量已突破180万辆,汽车保有量已超过80亿万辆。每辆汽车平均用铝量工业发达国家为20千克,最高已达到380千克(轿车)，我国正在向150千克迈进。如果按铝合金铸件和压铸件占汽车用铝量的75%计算,那么汽车用铝合金铸造产品的数量是十分可观的，可以说汽车的发展是铝合金铸造产品的真正拉动力。
随着汽车、摩托车等现代化交通工具的高速发展，铝合金铸造产品存在着很大的空间。因此, 这几十年来，铸造铝合金材料紧紧围绕汽车、摩托车等现代交通运输工业发展的要求，研制开发具有高强、高韧、高耐磨、低涨缩、可焊接、可表面处理、抗腐蚀、抗疲劳、流动性好的铸造和压铸用铝合金，以满足汽车发动机、活塞、汽缸和轮毅及其他用途的需求。[7]
7 铸造铝合金技术的未来发展
铸造铝合金技术的发展过程中，有许多课题还尚待进一步的研究和试验。未来铸造铝合金技术在发展方面主要从以下几个方面展开：
⑴传感器和探测器的研究:在铸造铝合金工艺中，为了实现对各个环境要素的有效检测，必须加强对传感器和相应探测器的研究；
⑵加强对伺服控制技术的研究和应用:现代化的压铸机需要借助于精确的软件编程来实现对各组件的有效管理和控制，系统中的偏差总是难以避免的，通过进行实时的控制，才能确保压铸过程处于最佳的状态。
⑶加强对铸造模具的性能设计技术:无论采用哪种压铸方式，都需要建立在高可靠性的模具基础上，加强对压铸模具的性能提升，增强其使用寿命，设计出高性能的铸造模具。
总之，我国的铝合金铸造技术虽然已经取得了一定的成绩，但在自主创新的道路上还任重道远，只有不断坚持技术创新，深入研究，从国际先进技术出发，来加强生产实践，从而真正推动我国铝合金铸造技术的整体水平提升。[9]
参考文献
[1]李平,王祝堂.汽车压铸及铸造铝合金[B].轻合金加工技术. 2011(12):1-2.
[2]刘六法,张彩平,翟春泉.铝合金挤压铸件典型缺陷的预防和控制[J].特种制造及有色合金.2008(06):442-444.
[3]刘六法,翟春泉,王攀,张彩平.铝合金挤压铸造的工程实践[J].特种铸造及有色合金.2008(03):192-194.
[4]軽合金の生産技術教本編集部会.の生産技術[M].軽合金鋳物.2000.
[5]王长君.谈对铝合金件金属型铸造[R].科技创新与应用.2012.
[6]翟春泉,刘六法,蒋海燕,姚真裔.铝镁合金铸造生产过程中的劳动保护与灾害控制[M].特种铸造及有色合金. 2008(s):116-117.
[7]刘静安.铝加工技术发展与挑战[J]. 中国金属通报.2013(02):16-17.
[8]熊艳才.铝合金复合型精密铸造工艺研究与应用[M].特种铸造及有色合金. 2008(s):469-470.
[9]梁宏伟.铸造铝合金技术的现状及未来发展[R].企业技术开发.2012(32):143-144.
[10]王荣滨.铸造铝合金缺陷分析与热处理工艺研究[J].有色金属加工.2008(05):10-11.