特种铸造及有色合金

综 述特种铸造及有色合金　1997年第1期
第62届世界铸造会议
宣读论文综述(有色金属部分)(上)
上海交通大学　黄良余Ξ
摘　要　详细介绍了第62届世界铸造会议中有关有色合金铸造的6篇宣读论文。

“铝合金压铸的压力传递与铸件质量的关系”一文提出一种新的测量铝合金压铸型腔中压力传递的方法,搞清了压力传递、流速与铸件质量之间的关系,获得了本届会议的优秀论文奖。

“挤压压铸和半固态铸造生产高质量、复杂的铸件”一文展示了应用压铸高技术,生产出力学性能极高的汽车用复杂压铸件。

“监控金属型、压铸模温度的智能系统”一文提出的智能控温系统,测温可靠,能自动控制铸型温度,铸型中不需开冷却水孔道。

“制造金属基复合材料的复合铸造工艺(H yb rid)”一文介绍了一种挤压铸造和熔模铸造相结合生产金属基复合材料的新工艺。

“喷铸法制取铝基Si Cp增强复合材料的微观组织和磨耗特性”一文指出用喷铸法制取的铝基Si Cp增强复合材料,具有很高的耐磨性能。

“不同凝固条件下,N a,Ca含量对加Sb变质的356合金力学性能的影响”一文的作者通过大量试验,搞清了N a,Ca的有害作用,指出356合金的Ρb与∆之间存在下列关系:Ρb(M Pa)=25.87lg∆(%)+ 128.85。

关键词:压铸　喷铸　挤压铸造　熔模铸造　金属基复合材料　半固态压铸　铝合金
A Survey i n D eta il of Papers Read-out on the
62nd W orld Foundry Congress(Non-ferrous Ca sti ng)
Huang L i angyu
(Shangha i J i ao Tong Un iversity)
ABSTRACT　A su rvey of6p ap ers concern ing nonferrou s casting read ou t on the“62nd W o rld Foundry Congress”w as p rovided.T he au thers of“T ran sferred P ressu re and Casting Q ualities of A lum inum D ie Casting”p resen ted a new m ethod of m easu ring tran sferred p ressu re on m etal in a die cavity of alum inum h igh p ressu re die casting.T he effects of tran sferred p ressu re and flow velocity on the qualities of con2 ven ti onal alum inum die casting are also clarified.T h is p ap er is aw arded of Grand P rize in the congress. T he“P roducti on of H igh Perfo rm ance,Com p licated A l2A lloy Castings by Squeeze Casting and Sem i2 So lid D ie Casting”has op ened up a new field of“h igh techno logy”die castings,as w ell as enab ling the p ractical i m p lem en tati on of techno logies such as ho rizon tal squeeze casting and sem i-so lid m etal cast2 ing.“In telligen t System to Con tro l the T em p eratu re of Perm anen t M ou lds and D ies.”T he in telligen t system is very effective in auo tm atically con tro lling the tem p eratu re of the die.U sing th is system,dies don’t need to have any coo ling system inco rpo rated.“A H yb rid Investm en t Casting P rocess fo r the P ro2 ducti on ofM etalM atrix Com po sites”show s that m etalm atrix com po site can be successfu lly p roduced by infiltrating an alum in ium alloy in to a fib re p refo rm located w ith in a ceram ic m ou ld.“M icro structu re and W ear B ehavi o r of A l2Si Si Cp M etal M atrix Com po sites”no ted that Si Cp reinfo rced A l2Si m etal m atrix com po sites fab ricated by sp ray2casting p rocess po ssessed h igh w ear resistance.“Influence of the Am oun t of Sodium and Calcium on the A s2Cast M achan ical Characteristics of an356R efined w ith A n ti2 m ong in D ifferen t So lidificati on conditi on s”exp lain s the harm fu l effects of the N a,Ca and show s the re2 lati on sh i p betw een u lti m ate ten sile strength and elongati on.T he w ho le resu lt of th is study have enab led u s to evaluate the statistic co rrelati on betw een u lti m ate ten sile strength and elongati on:Ρb(M Pa)=25.87 lg∆(%)+128.85。

Key W ords:D ieca sti ng,Spray Ca sti ng,Squeeze Ca sti ng,I nvest m en t Ca sti ng,M eta lM a tr ix Co m posite, Se m i-Sol id D ie Ca sti ng,A lu m i n iu m A lloy
Ξ黄良余,上海(200030) 收稿日期:1996-10-16
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本届会议的主题是“进入21世纪的金属铸造”,34篇宣读论文中,与有色合金铸造直接有关的共7篇,占1 5强,其中日本提交的“铝合金压铸的压力传递与铸件质量的关系”获得了本届会议的优秀论文奖,所以能获此殊荣,反映了当今国际铸造界对获取优质轻合金精密铸件的追求。

其余涉及压铸温度,压力的检测、挤压铸造及复合材料制备新工艺等方面的文章,均具有创新意义和应用价值,可资借鉴,下面作择要介绍,公诸同好。

1　铝合金压铸的压力传递与铸件质量的
关系
[1]
作者认为测定型腔内的压力传递和合金液充填行为对压铸件质量的影响是同样重要的,但压力传递现象及其对压铸件质量的影响,由于检测技术未过关至今尚未搞清,为此他们开发了一种测定铸型型腔内压力传递的新技术,获得了准确的数据,从而搞清了压力传递与铸件质量之间的关系。

111　试样及测压装置
图1为测压力传递试样和二种不同测压装置,图1a 为被测试样,图1b 为顶杆式测压装置,可测最大压力为100M Pa ,顶杆直径8mm ,和载荷传感器相联。

图1c 为
新开发的膜盒式装置,最大压力达100M Pa ,能耐500℃的高温,通过薄膜传递压力。

试样有4种不同厚度,每个试样有3个测压点,合金为J IS 2ADC 12,浇注温度580℃,压室壁上涂绝热材料,以防压射时形成薄层凝固金属。

图1　测试试样及不同测压装置
图2为铸件形状、测定压力和流动的传感器的分布情况,测定流动的位置共30处,测定压力的有3处,压铸条件如下:
压射头速度:　0.2～3.0m s 快射部位: 在型腔内压射力: 29～85M
Pa
图2　铸件形状及触点位置
压室内金属:　37%,50%
充满率: 63%
压铸件表面质量由铸件与型壁接触面上3点的粗糙度判别,型腔表面抛光到R m ax 0.22。

内在质量用同一部位面积为50mm ×50mm 中的缺陷数量加以判别。

112　测试结果及讨论
图3为不同方法测得的压力曲线,用膜压式能测得压力为20M Pa ,和压射力相近,顶杆式只能测到10M Pa ,因为型壁与顶杆之间会出现飞翅,顶杆的移动受
阻,影响测量精度,而膜盒式由薄膜表面直接测得压力,不出现飞翅,测得了全部压力。

在测压表面放一片0.05mm 厚的不锈钢片虽能得到和膜盒式的类似结果,但操作不便。

图3　不同方法测得的压力曲线
压铸件在很大的温度梯度下很快凝固,表面完全凝固后,铸件内层的压力往往无法测得,作者在测压处的表面覆上厚0.1mm 的绝热材料(见图4),
使表面的凝
图4　估算的试样动态温度分布
固时间和铸件心部相同甚至更长(见图5),能测得心部
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来自浇道的合金液压力,解决了难题。

图6表示绝热层对测定压力的影响,当浇道厚度和铸件厚度相同时,铸件能始终承受来自绕道的金属压力。

图6　不同浇道厚度的压力传递曲线
图7表示有绝热材料覆盖时浇道厚度与压力传递时间之间的关系,最长的传递时间位于b 点,与浇道厚度无关,但在a 点传递时间随浇道厚度增大而延长,仅为b 点处的20%,a 点很早即失去浇道传来的压力。

图7　浇道厚度、凝固时间及最大压力传递时间
图8表示压铸时瞬时合金液的位置,铝液自下而上经型腔直到溢流槽,压射头速度越大,充型时间越短,当压射头速度为2m s 时,充型速度达40m s 。

在浇道内最大的传递压力为75M Pa ,和压射力相当,型腔中的压力较低,远离浇道处的压力最低。

相应地浇道中最大压力传递时间有0.4s ,型腔为为0.25s ,溢流槽处则低于0.25s 。

最大传递压力与压射力之间的关系,浇道中的传递率达95%以上,型腔末端约有90%。

图8　常规压铸时金属液充型现象
图9表示压射力为75M Pa 时压射室充满率与最大传递压力之间的关系,充满率为40%时,最大传递压力只有压射力的65%～85%,离散度很大。

最大传递压力随充满率提高而增大,离散度收缩,当充满率大于50%时,90%以上的压力得到传递。

图10　流纹组织面积和压力传递的关系
浇道内形成的激冷薄膜(称流纹组织)挤入型腔会
形成废品。

充满率提高,流纹组织减少。

图10表示浇道中流纹组织与型腔末端最大传递压力之间的关系,压力传递达90%以上时,流纹组织<20%,流纹组织也不再影响压力传递。

1.3　压力传递对压铸件质量的影响11311　压铸件表面质量
图11表示金属液流速、最大传递压力及压铸件表
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图13　不同铸造方法的PQ 2图及工作原理图
面粗糙度之间的关系,流速越低,传递压力越小,表面粗糙度越大。

擦伤和冷憋是造成表面粗糙的原因,低流速延长了充型时间,温度下降,易引起擦伤和冷憋。

图11　铸件表面粗糙度与最大传递压力及金属流速的关系
流纹组织边上粗大的Α(A l )枝晶,随流速下降而增加,流速为0.5m s 时,粗晶区域达15%左右。

铝液
压力必须达65M Pa 以上时才能获得表面光洁、轮廓清晰的压铸件。

1.3.2　压铸件的内在质量
溢流槽附近部位,测得了传递的
压力,厚度为5mm 时,出现许多直径为0.5～1.0mm 的气泡。

图12为铝液流速、最大传递压力与内在缺陷之间的关系。

当铝液充满型腔的1 3左右时,压射头运动速度加快,缺陷将随传递压力增大而减少并和铝液流速无关,当铝液压力达75M Pa 后,气孔截面积<0.1c m 2,X 光照片中已不能辨别。

图12　铝液流速、最大压力与内在缺陷之间的关系
这篇论文的价值在于开发了膜压式测压装置和测
定铸件心部压力的巧妙安排,提高了测压准确度,延长了测压持续时间,从而有可能作出许多图表,这些图表数据可靠,对铝合金压铸具有实用价值,为压铸技术作出了贡献。

2　挤压压铸和半固态铸造生产高质量、
复杂的铝合金铸件[2]
211　挤压压铸
瑞士B uh ler 公司开发了一种实时控制技术及挤压
压铸(SC )和半固态铸造工艺(SS M ),铸出了精美的薄壁、大中型复杂压铸件,通过5年多的生产实践,积累了丰富的生产经验。

图13为3种不同铸造方法的PQ 2图及工作原理图。

在扩压器内的射压头进铝液处进行控制,SC 系统的射压力很大,速度由直接安装在压射头内的传感器测得,
直接控制压射头在压射终止位置时的压力,用压射头两边的压力转换器来扩压。

21111　压射控制系统
压力实时控制共二级:压射级及加压凝固级。

压射级的压射力控制可由9个不同的位置自由地确定,包括加速和减速、电子控制阀安放在压射头铝液输出端,有锁紧能力。

压射完成后,第二级压力机构启动,压射力可由压射头两边的传感器测得,压力可自由调节,共有6个传感器。

通过二级压力的控制获得致密的压铸件。

21112　型腔传感器
在型腔内安放压电式传感器,讯号稳定、可靠,可以确定充型时液流前沿的精确位置,从而能调整、确定最佳压射工艺参数,传感器也可安放在真空压铸机或半固态压铸机的型腔内,控制压力,获得最佳充型条件。

21113　典型压铸件
(1)家用换热器家用换热器,长660mm ,最小壁厚0.9mm ,耐压0.6M Pa ,肋骨处要求轮廓清晰,由800t 双柱室挤压压铸机生产,获得1994年现代金属大奖。

B uh ler 把1200t 压铸机改造为实时控制的800t 挤压铸造机,压射速度为6.0m s ,不用真空就能顺利充型,压射结束前突然减速到2.0m s ,能防止飞溅。

此外,控制型腔压力均匀地升至最高50M Pa 能防止凝固期
9
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铝液喷溅。

(2)汽车进气集气管
进气集气管,重7.01kg ,内腔复杂,只有严格按照设定的充型规范(压力、速度)才能获得合格的铸件。

采用A lSi 12Cu 成型、组芯工艺,和金属型铸造相比,重量减轻40%以上,现在德国P ierbu rg Gm bH 公司1000t (H 2800SC )挤压压铸机上生产,已形成批量生产规模。

212　挤压铸造
挤压铸造是从液态模锻发展起来的,通过宽大的浇道进入型腔,特点是低的充型速度,金属极少扰动,在高压下结晶,能铸造完整的可接受热处理的铸件,大幅度
地提高力学性能。

挤压铸造按照设定的充型曲线充型,充型时不出现扰动导致卷入空气,见图14b 。

图14a 为常规压铸时,空气被卷入型腔内。

图15为水平挤压铸造过程示意图。

采用水平挤压铸造方法已成功地铸造成功A l 2Si 17Cu 滑轮,经T 6热处理,完全取代了铸件,生产厂家为美国Ro ss A lum in ium Foundries 。

用双柱塞的500t 水平挤压铸造机。

瑞士B uh ler 公司用双柱塞挤压铸造机(400t )铸出了380汽车压缩机的连杆。

图16为不同铸造方法获得的力学性能,
挤压铸造的
图15　水平挤压铸造示意图
性能最高。

挤压铸造的铸件通过焊接组成复合件,使用性能更好,已在汽车工业中获得应用。

图16　A 356 357合金不同铸造方法的力学性能
213　半固态铸造
半固态铸造A 356合金,是将枝晶料棒先在感应搅
拌装置中形成等轴晶组织,产生触变性,再在感应加热装置中加热后送入压铸机中。

制造等轴晶坯料是半固态铸造技术的关键,它可以切割成段送入压铸机内,欧洲有一家,美国有二家,他们的制造坯料技术已通过技术鉴定,美国有一家不对外供应。

预计将有多家拥有这种技术,向世界范围的用户供应坯料。

A 356合金加热至580℃左右,固 液比约为60 40,此时共晶部分呈液态,易于切割、变形。

瑞士B uh ler 公司W inkeln 厂的半固态铸造设备,
其中的加热设备和锻造车间或热挤压车间内的加热炉相似,因此车间环境改善,可省去熔炼设备及其辅助设备,这一优点对镁合金压铸车间尤其可贵。

已在试验镁合金半固态铸造,压出了A Z 910镁铸件。

半固态压铸机的价格比普通压铸机高,因为要加一套专用坯料加热设备,但由于省去了熔炼设备等,铸件又比金属型铸件轻20%～30%,生产率高,力学性能好,减少精加工工作量,最终成本将大幅度下降。

已制成的典型元件有:
(1)汽车悬架支撑杆,材质为A 356,最小壁厚2mm ,总长400mm ,重约250kg ,用双柱塞800t 压铸机。

(2)挂臂件,A 356合金,由B uh ler 公司生产,经T 5
处理后力学性能比压铸件高得多,尤其是伸长率,从而
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延长了使用寿命。

(3)汽车后轴支架,这是一个组合件,也是最大的半固态压铸件,重约6.7kg,坯料直径为125mm,材质为A357合金,T6处理,能支撑有名的欧洲赛车整个后轴支架系统。

自1995年起,意大利的Stam p al工厂用新的16 180挤压压铸机进行了满负荷的生产。

214　力学性能比较
表1为2种新型铸造方法的力学性能数据。

从表中可知,T5处理已能满足技术条件,故可省去淬火炉,可避免铸件变形、开裂,节省能源,降低成本。

只有力学性能要求特别高的元件才进行T6处理。

表1　铸件的力学性能(本体切割试棒)
铸造方法及热处理规范
Ρb
M Pa
ΡT
M Pa
∆
%
挤压压铸,T4(520℃×4h,水淬,4d室温时效)20014312
半固态压铸T424512920
半固态压铸T5(180℃×2h,室冷)2591848～10半固态压铸T6(520℃×2h,水淬,160℃×7h)31323812
本文重点介绍了二种先进铸造方法,工作原理,典型元件及专用铸造设备,能实现“以铝代铁”、“以铸代锻”,充分展示了铸造技术的魅力,指出了这一重要铸造方法的发展前景,是一篇意义重大的论文。

3　监控金属型、压铸模温度的智能系统[3]
金属型或压铸模通常由通过铸型内部的冷却水进行冷却,给铸型制造带来困难,控温精度也不高。

根据作者的专利设计、制造了一套智能控温系统,不必在铸型内部开凿冷却孔道,从而解决这一技术难题。

智能控温系统由机器人和冷却液喷雾器组成。

带光学高温仪的冷却液喷雾器,2个高温仪用来扫描型腔表面温度,2个喷雾头喷射雾状冷却液,冷却铸型。

智能控温系统由能完成下列指令的PC机控制、执行。

(1)接收光学高温仪的温度讯号;
(2)接收安装在铸型内热电偶的温度讯号(在实验室试验时作辅助性控温用);
(3)测定、制作铸型动态温度分布图;
(4)比较设定的温度场和实测温度场,自动选择需要冷却的部位及冷却时间,即喷雾速度;
(5)调节冷却规范,冷却部位、冷却时间及喷雾速度等;
(6)传递数字式指令。

通过铸造球铁件,试验了智能控温系统。

铸件全部在一半铸型的型腔中形成,另一半为一块钢板,铸型和钢板都不开冷却水通道,制造简便。

用光学高温仪测得的温度场与热电偶测得的温度场,两者误差不大于20℃,产生差别的原因是:
(1)光学高温仪扫描时未对准热电偶;
(2)热电偶测得的是离型壁表面2mm处的温度。

预备试验说明,光学高温仪测温结果是理想的,提供了铸型表面正确热图像。

以后考核了智能控温系统的冷却和控温可靠性:设计了共360个测温点,设定取出铸件后每一点的温度都高于450℃时开始冷却,温度高的部位喷射时间长,划分成7个温度区间。

通过对3个冷却循环的修正,得出了修正后的结果。

采用正确的冷却系统后,铸型的温度分布在每一个浇注—冷却循环中几乎不变,保证了工艺稳定性和铸件的质量。

(未完,待续)　(编辑:袁振国)
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