壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中的管理和質(zhì)量控制
隨著制造技術(shù)的進(jìn)步;汽車、摩托車的日益輕量化,環(huán)保節(jié)能的逐步提高;電器儀表、通訊器材、建筑五金等行業(yè)的迅猛發(fā)展,帶動(dòng)了我國(guó)壓鑄業(yè)以前所未有的速度向前發(fā)展。我國(guó)壓鑄機(jī)的設(shè)計(jì)與制造、壓鑄件的工業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)的50年代,壓鑄件的年增長(zhǎng)速度為11%~13%,2002年為62.4萬(wàn)t,2003年為69.8萬(wàn)t,2004年約為80萬(wàn)t|。
壓鑄生產(chǎn)效率高,能壓鑄形狀復(fù)雜、尺寸精確、輪廓清晰、表面質(zhì)量較好、強(qiáng)度、硬度都較高的壓鑄件。但普通壓鑄件的含氣量大致為金屬型鑄件的10一20倍,砂型鑄件的5倍。因此,壓鑄件一般無(wú)法用熱處理來(lái)提高其力學(xué)性能bj。由此可見,在壓鑄生產(chǎn)的過(guò)程管理中,從爐料及熔煉過(guò)程、壓鑄工藝及壓鑄模具等方面來(lái)穩(wěn)定和提升產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要。
1 爐料及熔煉過(guò)程的管理
1.1爐料的質(zhì)量控制
爐料包括合金錠、中間合金和回爐料,回爐料由未重熔的回爐料和重熔的回爐料組成。合金錠和中間合金的化學(xué)成分、表面狀態(tài)和其他質(zhì)量指標(biāo)必須符合規(guī)定的材料牌號(hào)及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。其化學(xué)成分必須符合國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求;其表面應(yīng)整潔、光滑、無(wú)粗糙感,不得有油污、霉斑和氧化皮,若表面氧化嚴(yán)重,應(yīng)噴丸去除氧化皮;其斷口組織應(yīng)致密,不得有嚴(yán)重偏析、縮孔、熔渣及夾雜物。
回爐料包括廢壓鑄件、料餅、澆道、飛邊毛刺、切削后的渣料及坩堝底部100 mm以下的余料(即坩堝底料)等,應(yīng)嚴(yán)格分類和管理,不能混雜?;貭t料應(yīng)清潔,不得帶有油污、銹蝕、泥沙、水分、過(guò)濾網(wǎng)及鑲嵌件等?;貭t料中的飛邊毛刺、切削后的渣料及坩堝底料,必須重熔、除渣、除氣、制錠、分析成分合格后再作爐料使用。因?yàn)锳l、Mg、zn等是極易氧化的金屬,飛邊毛刺、切削后的渣料中、MgO、zn0含量較多,合金液被污染也更為嚴(yán)重。特別是潮濕的碎屑回爐料,比表面積越大,所含的水分就更多,致使?fàn)t氣中水蒸氣的分壓升高,產(chǎn)生氫的化學(xué)反應(yīng)更為迅速,合金液中氫含量就顯著增加。再加上碎屑回爐料本身氧化嚴(yán)重、夾雜物含量偏高,因此不宜直接用作爐料。爐料被油污、泥土污染也影響到合金液中氫和夾雜物的含量,因?yàn)闋t料表面油污和泥土中的水分使?fàn)t氣中水蒸氣分壓升高,加速合金液的吸氫和氧化,而且泥土本身就是非金屬氧化物,混入合金液中自然增加夾雜物含量。因此被油污、泥土污染嚴(yán)重的回爐料同飛邊毛刺、切削后的渣料及坩堝底料一樣,必須重熔、除渣、除氣、制錠、分析成分合格后再作爐料使用。
合金錠、中間合金、回爐料等爐料應(yīng)保存在干燥、通風(fēng)、無(wú)爆曬的庫(kù)房?jī)?nèi)并盡量縮短存放時(shí)間,以免爐料受潮及氧化。爐料在熔煉前要進(jìn)行烘烤以除去水分和防止鋁液濺射,烘烤溫度300~350℃,時(shí)間不少于2 h。鋁合金的組織具有遺傳性,爐料質(zhì)量的好壞直接影響到壓鑄件質(zhì)量的優(yōu)劣。因此,控制好爐料的質(zhì)量是生產(chǎn)高質(zhì)量壓鑄件的必要條件。
1.2熔煉過(guò)程的質(zhì)量管理
坩堝、錠模、鐘罩、撇渣勺、舀料勺等熔煉工具使用前必須除盡殘余金屬、熔渣、氧化皮等污物以保證壓鑄件化學(xué)成分合格。在有色金屬熔煉領(lǐng)域,主要使用石墨坩堝和鑄鐵坩堝,坩堝爐的金屬燒損率為1%一2%,無(wú)坩堝可達(dá)5%~25%。熔煉Al、cu、zn合金均可采用石墨坩堝以防止合金液中Fe含量超標(biāo);熔煉Mg合金不能使用石墨坩堝,因?yàn)樗械腗g合金中si含量都較低。石墨坩堝使用前可借助超聲波探傷檢查,不得有裂紋、穿孔和明顯的變形等,第一次使用前應(yīng)按要求進(jìn)行焙燒以去除水分并防止爆裂。錠模、鐘罩、撇渣勺、舀料勺等熔煉工具使用前應(yīng)預(yù)熱并涂上防護(hù)涂料,再經(jīng)200—300℃預(yù)熱不少于1 h以防合金液飛濺和Fe含量超標(biāo)。涂有防護(hù)涂料的熔煉工具使用時(shí)間以涂料不脫落為原則,一般不超過(guò)48h。
熔化時(shí)加料原則是難熔的先加,易熔的后加;不易氧化的先加,易氧化的后加;不易揮發(fā)的先加,易揮發(fā)的后加;量大的先加,量小的后加。但在實(shí)際中通常先加易熔的,過(guò)熱后加入難熔的,靠擴(kuò)散、稀釋、溶解作用熔化難熔成分。加料順序一般為:先加回爐料,再加中間合金,最后加合金錠。壓鑄件料餅及澆道作為二級(jí)回爐料,加入量應(yīng)小于40%。自配合金液應(yīng)考慮合金元素的燒損,鋁合金液中元素的燒損(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般為:Al為1.5%,Si為2%,Cu為l%,Mg為20%,Mn為2.5%。
合金液中夾雜物主要有氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等。鋁合金液中常見夾雜物有、、等,其中含量最高,達(dá)合金液質(zhì)量的0.00%~0.020%。在合金液中分為3類:①分布不均勻的大雜塊,尺寸≥20nm;②分布均勻的采用精煉處理可以除去的細(xì)片狀雜,尺寸10—20nm;③分布均勻的采用精煉處理難以除凈的,彌散于合金液中的微片狀雜,尺寸<10nm,這類夾雜物不僅是惡化合金液的主角,也是遺傳的主體,直接影響壓鑄件的質(zhì)量。彌散于合金液的和Al結(jié)成一體,其界面成為吸附氫的活動(dòng)中心,不斷富集氫達(dá)到一定尺寸自發(fā)形核成氣泡。
大氣中氫的分壓極低,約,比鋁合金液中氫的分壓低得多??梢婁X合金液中氫并非來(lái)源于大氣中的氫,而是來(lái)自鋁合金液和大氣中水蒸汽的反應(yīng):,這就是要求爐料及熔煉工具必須干燥和預(yù)熱的唯一原因。鋁合金液中氫含量(體積分?jǐn)?shù))占所有氣體的60%以上,最高可達(dá)90%,分為大量溶解于其中的原子態(tài)氫[H]、存在于及其他夾雜物縫隙中的分子態(tài)氫H2、形成氫化物產(chǎn)生氫脆的化合態(tài)氫。合金液中氫含量受溫度、保溫時(shí)間等因素的影響,在鋁液中氫含量與溫度之間基本成直線關(guān)系;保溫時(shí)間延長(zhǎng),氫含量增加。因此在熔煉時(shí)應(yīng)盡量縮短時(shí)間,特別是從精煉后到壓鑄完畢的時(shí)間不宜超過(guò)4 h,并嚴(yán)格控制溫度。
鋁液中氣寄生于雜,雜吸附著氣,雜多則氣多,雜少則氣少,雜的存在是氣難以除凈的關(guān)鍵因素,除氣必除雜,除雜是除氣的基礎(chǔ)。精煉的目的就是除去鋁液中的氣體和雜質(zhì)。鋁液的精煉可分為吸附精煉和非吸附精煉,吸附精煉過(guò)程中鋁液跟吸附劑相接觸,通過(guò)物理、化學(xué)或機(jī)械作用達(dá)到除雜、除氣的目的,如吹氣法、過(guò)濾法、熔劑法;非吸附精煉則不加入吸附劑,而通過(guò)物理作用(如真空、超聲波、密度差),改變鋁液.氣體系統(tǒng)或鋁液一夾雜物系統(tǒng)的平衡狀態(tài),從而使氣體和夾雜物從鋁液中分離出來(lái),如靜置、真空處理、超聲波處理。最常用的熔劑法可使100 g鋁液含氫量(700℃)<0.10 ml,達(dá)到針孔度一級(jí)的要求;較先進(jìn)的噴射熔劑法(即FI法)和旋轉(zhuǎn)葉輪法(即FID法)可使100 g鋁液含氫量(700℃)<0.06ml,完全達(dá)到高質(zhì)量鋁合金的要求。鋁液質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)多采用測(cè)氫儀(如SQH一1、ALUSPEED)和直讀光譜儀。
2 壓鑄工藝的優(yōu)化和模具的正確使用
2.1壓鑄工藝的優(yōu)化
壓鑄工藝的受控和優(yōu)化是壓鑄生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),直接影響到壓鑄件的內(nèi)在和外在質(zhì)量。壓鑄工藝的參數(shù)主要有壓力、速度、溫度和時(shí)間。
2.1.1壓力
壓力是獲得輪廓清晰、組織致密的壓鑄件的主要因素。在壓鑄生產(chǎn)中經(jīng)常使用的壓力是壓射比壓,即壓室內(nèi)金屬液?jiǎn)挝幻娣e上所受的壓力,可通過(guò)壓力表讀數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。壓射比壓對(duì)金屬液填充型腔的能力,壓鑄件的強(qiáng)度、致密性均有很大影響。增大壓射比壓可提高壓鑄件強(qiáng)度和致密性;但壓射比壓過(guò)高,會(huì)降低壓鑄模的使用壽命,增加粘模傾向,并使壓鑄件的伸長(zhǎng)率顯著下降。在保證壓鑄件成形和使用要求的前提下,應(yīng)選用較低的壓射比壓。鋁合金常用比壓為30~60 MPa,鋅合金為20~30 MPa。
2.1.2速度
壓射速度包括沖頭速度(即壓射缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)速度)和填充速度(即內(nèi)澆道速度)。填充速度指熔融合金通過(guò)內(nèi)澆道的線速度,是保證壓鑄件質(zhì)量的重要參數(shù)。填充速度≤40 rn/s時(shí),氣體先于金屬液從模具型腔中排出。
2.1.3溫度
壓鑄時(shí)的溫度包括澆注溫度和壓鑄模型腔表面溫度。澆注溫度過(guò)高,合金液易氧化,形成氧化夾渣;晶粒粗大,惡化結(jié)晶組織;含氣量增加,壓鑄件厚壁處易形成針孔、縮孔,表面形成氣泡,降低力學(xué)性能;而且高溫合金液會(huì)加快對(duì)模具型腔的腐蝕。澆注溫度過(guò)低,合金液易產(chǎn)生成分偏析,壓鑄件則存在硬質(zhì)點(diǎn),造成加工困難;而且粘度增大,流動(dòng)性降低,成形困難,容易形成冷隔、流紋、澆注不足等缺陷。為保證溫度穩(wěn)定,坩堝內(nèi)合金液應(yīng)不少于1/3,決不能使合金液在坩堝內(nèi)凍結(jié)??梢赃x擇被覆劑也叫坩堝涂料進(jìn)行噴涂,保證坩堝內(nèi)合金液的流動(dòng)及保護(hù)坩堝內(nèi)腔,在保證壓鑄件成形的條件下,應(yīng)選用較低的填充速度和澆注溫度以減少壓鑄件氣孔及延長(zhǎng)壓鑄模壽命。
壓鑄模型腔表面溫度過(guò)高,壓鑄件易產(chǎn)生表面氣泡、粘模等缺陷;該溫度過(guò)低,壓鑄件易產(chǎn)生欠鑄、破裂、流紋、冷隔等缺陷。冷模具壓鑄輕合金比200℃壓鑄應(yīng)力增加35%。壓鑄模型腔表面溫度一般要求在200~300℃之間,以壓鑄件容易取出時(shí)的溫度為佳。選用性能穩(wěn)定的壓鑄脫模劑也是必要的,在保證產(chǎn)品快速脫模的情況下,提高鑄件表面的光潔度,降低鑄件的缺陷率。
2.1.4 時(shí)間
壓射時(shí)間由慢壓射時(shí)間(<10 s)、快壓射時(shí)間(0.01~0.2s)、增壓時(shí)間(0.02~0.04 s)、持壓時(shí)間(<10s)、留模時(shí)間(<30s)組成。在生產(chǎn)中通常把持壓時(shí)間和留模時(shí)間合在一起進(jìn)行控制和優(yōu)化,簡(jiǎn)稱持壓、留模時(shí)間,足夠的持壓、留模時(shí)間是壓鑄件在開模和頂出時(shí)不產(chǎn)生變形或拉裂的必要條件。
2.2 模具的正確使用與維護(hù)
模具是保證壓鑄件尺寸符合圖紙要求的關(guān)鍵因素,同時(shí)影響到壓鑄件的表面粗糙度和內(nèi)在氣密性。在壓鑄生產(chǎn)的過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)壓鑄件是否拉傷、裂紋及脫模效果,適當(dāng)增大拔模斜度和鑄造圓角;根據(jù)產(chǎn)品的壓鑄性能和加工面上氣孔出現(xiàn)的多少,完善溢留槽、排氣槽的分布和設(shè)計(jì),優(yōu)化澆注系統(tǒng),盡量縮短合金液的流程,把氣孔安排在無(wú)氣密性要求的非加工部位。因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)決定合金液填充型腔的路徑和狀態(tài),對(duì)于減少氣孔和雜質(zhì),獲得組織致密的壓鑄件有重要作用;及時(shí)更換變形、彎曲、斷裂的型芯、復(fù)位桿、滑塊等易損件以保證壓鑄件尺寸合格;壓鑄件上頂桿凹陷深度≤0.4mm,非加工面凸出≤0.2mm,待加工面凸出≤1.0mm,若不在此范圍應(yīng)及時(shí)調(diào)整頂桿長(zhǎng)度以避免壓鑄件缺陷;模具分型面和滑塊、抽芯等活動(dòng)部位易形成飛邊、毛刺,當(dāng)無(wú)特殊要求時(shí)應(yīng)盡量減少。
壓鑄模硬度選擇原則:zn、Sn、Pb合金用模具鋼硬度為HRC50~55;Al、Mg合金用模具鋼硬度為HRC42~48,其中3Cr2w8V硬度宜用HRC42~46,H13硬度宜HRC44~48;cu合金用模具鋼硬度為HRC38~42。當(dāng)壓鑄模硬度下降至HRC30時(shí),要設(shè)法修復(fù),如滲氮、滲硼、滲鋁、滲硫、碳氮共滲、碳氮硫共滲、軟氮化,因?yàn)閱适П砻嬗捕缺葰堄鄳?yīng)力更易導(dǎo)致熱裂紋的出現(xiàn)。壓鑄模具首次5000模、以后每10000模后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力回火處理1次以延長(zhǎng)其壽命。
3 結(jié)語(yǔ)
壓鑄生產(chǎn)是較為復(fù)雜的過(guò)程,涉及到壓鑄模設(shè)計(jì)與制造、壓鑄機(jī)參數(shù)的調(diào)整、壓鑄合金及熔煉、壓鑄工藝與模具使用、毛坯件去毛刺及其表面處理等,這些都與壓鑄件的質(zhì)量密切相關(guān)。在壓鑄生產(chǎn)中,過(guò)程決定結(jié)果,良好的過(guò)程管理會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量,受控的批量生產(chǎn)將帶來(lái)規(guī)模化的經(jīng)濟(jì)效益。