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鑄件常識

正德鑄造分享:為什么低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋?

來源:正德鑄造 時間:2016-07-19 15:54:59

低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋形成原因進行分析,就影響裂紋產生的各種因素,如鑄件結構、工藝參數、模具溫度等進行研究,通過合理控制和調整這些因素,消除裂紋對輪轂鑄件的影響,從而提高企業的經濟效益。 
  鋁合金輪轂具有許多鋼質輪轂無法比擬的特性,因此鋁合金輪轂在轎車、摩托車等車輛上已開始廣泛應用。到2002年,我國轎車鋁合金輪轂的裝車率已接近45%。由于汽車輪轂質量要求較高,本身結構又適合于低壓鑄造,且需求量大,因此,極大地推動了低壓鑄造技術的發展。目前,低壓鑄造已成為鋁合金輪轂生產的主要工藝方法,國內的鋁合金輪轂制造企業多數采用此工藝生產。
  低壓鑄造可實現高度機械化、自動化,既提高生產率(10~15型/h),又可減少眾多的不利于生產工藝的人為因素,提高成品率,且可大大減輕工人的勞動強度。然而低壓鑄造件的質量受到諸如工藝方案、工藝參數、模具結構及人工操作等因素,以及它們之間的相互影響,任何一個環節設計不合理或操作不當都有可能導致低壓鑄造件產生缺陷。其中,鋁合金輪轂裂紋的產生是影響企業生產成本、生產效率的重要因素,且輪轂裂紋是汽車安全性的重大隱患。因此,對低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋成因的探討就顯得尤為重要。
  一、低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋形成的原因
  低壓鑄造鋁合金輪轂裂紋主要產生在應力集中的部位,或輪轂頂出時因受力不均,或升液管處液體凝固造成的開裂。裂紋一般分為冷裂和熱裂兩種。
  冷裂紋是指合金在低于其固相線溫度時形成的裂紋。通俗地說,冷裂是鑄件冷卻到低溫時,作用在鑄件上的鑄造應力超過鑄件本身強度或塑性所允許的程度而產生的。冷裂多在鑄件表面上出現,裂口表面有輕微的氧化;而熱裂通常認為是在合金凝固過程中產生的,由于型壁的傳熱作用,鑄件總是從表面開始凝固的。當鑄件表面出現大量的枝品并搭接成完整的骨架時,鑄件就會出現固態收縮(常以線收縮表示)。但此時枝晶之間還存在一層尚未凝固的液體金屬薄膜(液膜),如果鑄件的收縮不受任何阻礙,那么枝晶層不受力的作用,可以自由收縮,也就不會出現應力。當枝晶層的收縮受到阻礙時,不能自由收縮或受到拉力的作用,就會出現拉應力,這時枝晶間的液膜將受到拉伸的作用而變形。當拉應力超過液膜的強度極限時,枝晶間就會被拉開。但是被拉裂部分的周圍還存在一些液體金屬,如果液膜被拉開的速度很慢,且周圍有足夠的液體并及時流人拉裂處,那么拉裂處將得到填補和“愈合”,鑄件不會出現熱裂紋。如果拉裂處不能重新“愈合”,鑄件就會出現熱裂紋。熱裂斷口處表面被強烈氧化,呈現無金屬光澤的暗色或黑色。
  二、影響裂紋產生的主要因素
  對于同一種合金,輪轂是否產生裂紋,往往取決于輪轂結構、工藝參數和模具溫度等因素。
  1.輪轂結構設計不當對輪轂裂紋的影響
  (1)內圓角大小不當,是輪轂產生熱裂紋最普遍的原因,因為輪轂在冷卻時尖角處會產生很大的應力。在內圓角小的部位,即使補縮良好不出現縮裂,也會產生熱裂。
  (2)輪轂截面驟然改變,會導致冷卻速度快慢不一,即使補縮良好也會產生較大應力,使輪轂凝固后出現裂口或裂紋。
  2.工藝參數不合理對輪轂裂紋的影響
  在低壓鑄造中,由于保壓時間過長,或升液管過長造成升液管內液體出現凝固,在輪轂鑄件頂出時承受一定的拉力,從而造成輪轂產生冷裂。因此設計合理的保壓時間和升液系統,對減少輪轂在頂出時造成的開裂有十分重要的意義。
  3.具溫度對輪轂裂紋的影響
  低壓鑄造的模具溫度決定合金液的凝固方式,并直接影響鑄件的內部和表面狀況,是鑄件產生尺寸偏差及變形等諸多缺陷的主要原因之一,同時對生產率也有很大的影響。模具溫度隨著鑄件重量、壓鑄周期、壓鑄溫度及模具冷卻方式等的變化而改變。
  從傳熱學角度來看,提高模具溫度可降低金屬與模具之間的換熱強度,延長了流動時間。也有研究表明,提高模具溫度還略能降低金屬液與鑄型之間的界面張力。隨著模具溫度的增加,充型時間略減少,即充填能力隨著模具溫度的升高而增加。因此模具溫度的適當升高有利于應力的減小,如果模具溫度過低,鑄件在金屬型中冷卻過快,鑄件各部分之間的凝固速度不同,會使鑄模內鑄件的冷卻不均勻,產生熱應力和變形,結果導致在鑄件成品上產生熱裂及較大的殘余應力和殘余變形,坦較高的摸具溫度不利于得到結晶細小的組織,液態金屬容易吸氣和收縮,使鑄件產生氣孔、縮松和縮孔等缺陷的機會增加。為將這一矛盾統一化,可在不出現鑄造缺陷的情況下,適當提高模具溫度。
  三、改進措施
  (1)合理設計升液系統由于保壓時間過長,或升液管過長造成升液管內液體出現凝固,使輪轂鑄件在頂出時承受一定的拉力,從而造成輪轂產生冷裂,因此設計合理的升液系統對減少裂紋傾向具有十分重要的意義。升液系統是指澆注時液態金屬由坩堝進入型腔的通道,包括升液管、保溫套和鑄件澆注系統。這幾部分的尺寸直接影響坩堝內液面到鑄件內澆口之間的距離。這段距離越長,則澆注時液態金屬通過這段距離時降溫越快,極易造成升液管通道早期凝同。因此應注意:①縮短坩堝內液面到鑄件內澆口之間的距離。這段距離涉及到設備、工藝、模具等幾個方面,所以要綜合考慮,應以減短這段距離為宜。②改進保溫套。適當加大保溫套商徑,以便擴大保溫層厚度;采用保溫性能好的材料作保溫套,如硅酸鋁纖維氈。③升液管直徑適當加大。為防止升液管早期凝固,應適當加大升液管的直徑。
  (2)設計合理的輪轂結構任進行輪轂結構設計時,應避免尖角結構和截面的驟然改變,宜采用圓角或厚度均勻的結構。
  (3)在不出現鑄造缺陷的情況下,適當提高模具溫度。
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