真空压铸法是将型腔中的气体抽出 ,金属液在真空 状态下充填型腔 ,因而卷入的气体少, 铸件的力学性能 高,且真空压铸继承和保持了普通压铸法的优点。高真 空压铸法则是近年来在普通真空压铸基础上发展起来 的新成形技术, 其特点是模具型腔中的真空度达 91 kPa 以上 ,生产的铸件可焊、可热处理 。开发高真空 压铸技术 ,充分发挥压铸的技术及成本优势, 生产高强 度、高韧性的铝压铸件来取代轿车的一些保安件(如轿 车底盘的悬挂系统零件)是德、美、日等国竞相研发和推 广应用的技术之一。
有鉴于此, 结合国内实际情况 ,以 M FT (Minimum Filling Time)法为基础,在普通压铸机上进行了高真空 压铸技术的研发 ,以促进高真空压铸技术在我国压铸工 业中的应用。
1 高真空压铸方法及其工作原理
高真空压铸技术主要有两种方法:一是由德国
Muller-Weingarten 公司和 Vaw 公司联合研发的 Va-cural 法 ,二是德国 Alcan-BDW 公司推出的 M FT 法 。 图 1 是 Vacural 法的工作原理 。它是将熔化炉通过 升液管和压射室直接相连 ,抽真空时先将金属铝液吸入 到压射室内,接着继续抽真空至预定真空度后再压射成 形。V acural 法需要专用压铸机 , 且技术受专利保护 ,
所以压铸机价格昂贵 ,成本很高。MF T(M inim um Fill Time)法则使用普通压铸机 ,其工艺特点是在将型腔中 的气体抽出达到高真空度(气压 10 kPa 以下)后 , 采用 多浇道和大面积内浇口以保证金属铝液在极短时间内 充填型腔 ,图 2 是其工作原理。由于 M FT 法使用的 是普通压铸机, 设备门槛低,因而普及率较高 ,应用前景 较好。
事实上,高真空压铸技术并不仅涉及模具密封及真 空系统技术,它还涉及金属熔液处理、模具结构设计、浇 注工艺及脱模剂等各个方面的技术问题,围绕高真空压 铸技术应做的研究与开发工作见图 3。
2 高真空压铸技术的开发
2.1 高真空压铸用的真空截止阀
笔者设计的高真空压铸用截止阀利用金属液体的 惯性冲击力来关闭排气通道 , 采用一主动一从动两活 塞, 通过杠杆方式连接起来的驱动结构 , 见图 4 。真
空截止阀的动作原理如下 :①压铸过程开始时 , 压铸模 具闭合,随着动模一起运动的真空阀的动型 1 推动复位 导杆 4 , 复位导杆 4 则压缩弹簧 8 , 此时杠杆 12 处于活 动状态,即真空截止阀处在解除锁定状态下 ;②液态金 属进入压铸模具型腔后, 通过进料口 16 进入导流通道 , 此时它会首先接触并由冲击力推动主动活塞 13 ;③主 动活塞 13 受到液态金属的压力向右运动, 推动杠杆 12 ;杠杆 12 从而带动从动活塞 7 向右运动, 从动活塞 7 左侧的锥阀关闭 ,真空截止阀截止 ,这一过程应在液态 金属到达从动活塞 7 的锥阀之前完成;④当压铸过程完 成后 ,压铸模具打开, 被压缩的弹簧 8 推动复位导杆 4 和复位挡板 9 ,通过杠杆 7 带动主动活塞 13 和从动活 塞 7 向左运动, 使真空截止阀打开并复位锁定。
由图 4 可知, 真空截止阀因主动活塞与从动活塞 之间采用简单的杠杆传动 ,使从动活塞可获得较大的位 移,保证了阀关闭的灵敏度及可靠性。
2 .2 高真空压铸用真空系统
高真空压铸工艺要求在压铸时模具型腔中的真空 度达到 91 kPa 以上 ,这迫使真空系统必须确保具有很 大的抽气速度, 以便在极短的时间内将型腔中的气体抽出, 见图5
2 .3 高真空压铸用粉体涂料
粉状脱模剂是一种以空气为载体进行分散并涂装 的脱模剂品种 ,有极高的生产效率、优异的涂膜性能、良 好的生态环保性和突出的经济性。粉状脱模剂的作用
原理系以原料蜡为基础 ,在压室及型腔温度的作用下熔 化而附着在型壁表面上起到对流体的润滑作用。因粉 状脱模剂成本较高 ,国外主要将其应用于真空压铸 , 特 别是 2000 年以来, 高真空压铸技术的飞速发展和应用 , 使粉状脱模剂的开发与研究取得了长足进步。研制的 铝合金压铸用粉体脱模剂选择锆英石、云母、滑石粉和 石墨等作为主要成分, 另加入了氮化硼、微晶蜡及其他 成分来增强其脱模性能。研究表明,当其主要成分中 (质量分数)滑石粉为 50 %、石墨为 25 %、氮化硼为 15 %、微晶蜡及其他成分为 10 %时 ,脱模剂的喷涂性能 及脱模性较好 ;较合适的喷涂工艺参数是, 模具预热温 度 270 ℃左右 ,静置固化时间 10 s 左右 。
2 .4 高真空压铸用模具的密封方法
抽气效果是影响型腔中真空度的重要因素, 而决定 高真空压铸工艺抽气效果的因素 ,除了缓冲罐内的真空 度和抽气时间 ———也就是系统在高真空压铸过程中的 总抽气量 ,还有就是系统在高真空压铸过程中的总进气 量, 而决定进气量的关键因素是压铸模具的密封。本设 计对压铸模具采取了图 6 所示的密封方案 :①在压铸 模动模垫板后面增设了一块可固定在动模垫板上的顶 板密封板 ,并在密封板上开设了密封槽及缓冲气槽 ;② 分别在压射室与定模底板、冲头与压射室内壁之间开设 密封槽, 并在密封槽内加装耐热密封圈;③分别在动模 垫板与动模套板、定模垫板与定模套板、动模套板与定 模套板之间(即分型面)上密封槽的内侧开设缓冲气槽 ; ④将所有缓冲气槽与抽气系统相连,当有少量气体由密 封圈泄漏进入密封槽内侧时 ,可通过缓冲气槽抽走 , 而
不至于进入模具型腔。 本密封方法的特点在于在密封圈的内侧开设了缓
冲气槽。由流体力学可知 ,气体通过缝隙的流量计算公 式为 :
式中 ,Q 为通过缝隙渗透到型腔中的空气流量;δ为流 量系数;A 为缝隙截面积;ρ为空气密度 ;Δp 为缝隙两 端的压强差。因此泄漏进入型腔中的气体量主要取决 于内外压力差 p ,开设缓冲气槽后, p 是型腔中气压 与缓冲气槽中气压之间的压强差。显然 ,开设缓冲气槽 后,由于缓冲气槽中的空气被抽气系统及时抽走 , 缓冲 槽与型腔之间的 p 很小 ,由此泄漏流入型腔中的空气 流量 Q 非常少 ,由此型腔中的高真空度得到了保证。
高真空压铸试验
3.1 试验装备及方法
试验材料采用 ZL101 合金 , 模具为铝合金标准试 样的压铸模具。根据 MFT 法的工艺原理 ,对模具的浇 口进行了修正。图 7 为安装在压铸机上的真空阀及试 样模具。压铸机采用合模力为 2 800 kN 的卧式冷室压 铸机。
将一定量的 ZL101 熔化至 720 ℃左右, 吹氩气精 炼 15 min ;然后加入适量的变质剂 A l-10Sr 和细化剂 Al-5Ti-B ;静止 10 min 后保温待浇。模具采用电加热 棒加热,预热温度在 150 ℃以上。压铸后的试样一部分 经 T6 热处理 ,然后分别测试其力学性能 ,观察其组织 , 压铸试样实例见图 8 。
3 .2 试验结果及分析
3 .2.1 试样的外观质量
图 9 为 ZL101 合金高真空压铸的试样(上)和 ZL101 合金普通压铸的试样(下)在 T6 热处理后的外 观。由图可以发现 ,高真空压铸的试棒热处理后外观上 无明显的鼓泡现象 ;相比之下, 普通压铸的试样热处理 后外观上出现一些明显的米粒大的鼓泡。因此证明了 开发的高真空压铸技术能压铸可热处理的铸件。
3 .2.2 试样的力学性能 图 10 是铝液浇注温度为 700 ℃,油缸压射压力为14 MPa, 油缸增压压力为 9 MPa ,冲头速度为 1. 5 m/s条件下,压铸试样的力学性能 , 作为对比也同步列出了金属型铸造ZL101 的性能。高真空压铸的 ZL101 试样与普通压铸比较的两项力学性能指标无论是铸态 ,还是T6 热处理后均有较大地提高。铸态时抗拉强度提高约17. 16%、伸长率提高约 71. 98%,其中韧度的提高更为显著 。另外压铸时的伸长率也超过金属型的最低要求 。T6 热处理后高真空压铸件的抗拉强度有进一步的提高,约增长了 7. 68%, 达到了 220 MPa , 但比金属型铸造 T6 热处理后的增加幅度低 , 有一定的差距 ,有关这一点需在以后加以研究。尽管高真空压铸试样热处理后的伸长率比铸态时有所下降, 大约降低了 6 . 78 %, 但仍然超过了金属型铸造的最低要求。
3. 2 . 3 试样的组织
图 11 为上述试验不同状态下的金相组织, 铸态的高真空压铸件卷气现象少, 组织相对致密, 见图 11a ; 而图 11c中铸态的普通压铸件明显有较多气孔存在 ,组织也较为疏松; 图 11b 中热处理后的高真空压铸件组织中共晶硅细化,没有气孔; 图 11d 中热处理后的普通压铸件组织中共晶硅也得到了细化,但气孔因体积膨胀而明显增大
高真空压铸的 ZL101 合金试样 ,其抗拉强度、伸长率分别比普通压铸提高约 17. 16 %、71. 98%; T6 热处理后 ,高真空压铸试样表面无鼓泡 ,抗拉强度比铸态提高了 7. 68%,但伸长率则下降了 6 . 78% |
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