摘 要 通过测量铸件热处理前后密度变化率,系统研究了压铸过程中浇注温度、铸造压力、快压射速度、快压射切换位置等工艺参数对铝合金汽车空调压缩机汽缸体孔隙率的影响规律。结果表明,铸件内的孔隙率随着浇注温度的升高和快压射速度的增加而增大,随着快压射切换位置的增加而减小,随着铸造压力的增加先增大后变小。综合考虑,浇注温度为700～720℃,铸造压力为104MPa,压射速度为1.5m/s,快压射位置为320mm时,铸件孔隙率最小,性能最好。

气孔是最常见的压铸缺陷之一,孔隙率的评定通常有两种形式:密度和微观气孔形态。密度的大小可以作为铸件内含有气孔、缩松、缩孔多少的依据[2]。但是,由于影响铝合金压铸件密度的因素很多,仅仅通过测量密度并不能准确如实的反映压铸件内气孔的含量;微观气孔形态的评价方法,主要是利用金相显微镜拍摄金相照片,利用光学分析软件测量气孔的面积百分比和平均粒径,这样就导致被观察试样只有很小的一部分被观察到,而压铸件内气孔的分布往往是不均匀的,所以,该方法也不能完全准确反映铸件整体的气孔含量。本课题以铝合金汽车空调压缩机汽缸体为例,通过测量热处理前后铸件密度变化率的方法,系统的研究浇注温度、压射速度、铸造压力、快压射切换位置等工艺参数对压铸件内气孔含量的影响。

1 试验过程

1.1 试验条件

试验采用的材料为高硅铝合金R14(日本非标牌号),其成分见表1。

试验设备为力劲5000kN冷室卧式铝合金压铸 机,试样为实际生产的铝合金汽车空调压缩机缸体,见图1。

将合金在熔化炉中进行熔炼,根据变质工艺要求加入HGPB21铝合金磷盐复合变质剂进行变质处理,保温10min后,进行精炼扒渣,随后静置降温到一定温度,准备压铸。压铸过程中,分别改变浇注温度、 快压射速度、快压射切换点、铸造压力等参数,考察铸件孔隙率 的变化趋势。浇注温度用热电偶进行测试,压射速度、快压射切换位置、铸造压力直接在压铸机上进行设置。

1.2 密度变化率的测量方法

铸件的密度变化率用阿基米德法测量,将压缩机铸件切割成均匀的12部分,见图2。

用水清洗干净并吹干,分别测量每部分在空气中的 质量,并利用排水法测量每部分的体积,算出铸件的平 均密度ρ0;将所有的部分放在热处理炉中加热到530℃并保温2h后取出,再分别测量热处理后各部分质量和体积,算出热处理后压铸件的平均密度ρ,则密度变化率Δρ=(ρ0-ρ)/ρ0。

2 分析和讨论

2.1 浇注温度对密度变化率的影响

图3是浇注温度分别为700、720、740、760℃,铸造压力为69MPa,快压射速度为1.50m/s,快压射切换位置为300mm时对铸件密度及密度变化率的影响。 可以看出,随着浇注温度的升高,热处理前后压铸件的平均密度都有所减小。随着浇注温度的升高,密度减小幅度(即密度变化率)越来越大,温度由700℃升到720℃,密度变化率由3.012%上升到3.380%,温度在720～740℃时,密度变化率由3.380%上升到4.900%,当温度由740℃增加到760℃时,密度变化率由4.900%突然增加到11.024%。因此,从密度变化率的角度来考虑,缸体压铸过程中浇注温度不宜过高。

铝液中的气体主要是氢,约占气体总量的85%,在标准大气压下,纯铝从固态转变为液态时,每100g纯铝中氢的溶解度从0.01mL增加到0.70mL以上。压铸温度越高,每100g铝液中氢的溶解度越高,温度较高时,溶解度可达3.00mL以上。由于固态、液态铝合金中氢的溶解度差距太大,在凝固过程中,溶解在铝液中的氢游离出来,形成气孔。另一方面,随着压铸温度升高,铝液表面形成的氧化膜越厚,因此面向铝液的一侧是致密的,对铝液有保护作用,而铝液的外侧则 是疏松的,内部有直径为5～10μm的小孔,并被氢、空气、水气充满,如果液膜浇入铝液内部,会使铝液增杂、增气,由于生产中不可避免的会有氧化膜搅入铝液内,进一步增加了铝液中的含气量。

因此,在生产过程中,最佳的浇注温度为700～720℃,在满足产品品质的前提下,应尽量选择较低的浇注温度,但也不宜过低,否则,容易产生冷隔、表面流纹、浇不足等缺陷。

2.2 铸造压力对密度变化率的影响

图4是铸造压力分别为52、69、104、120MPa,浇注温度为710℃,快压射速度为1.50m/s,快压射切换位置为300mm时铸造压力对铸件密度及密度变化率的影响。可以看出,随着铸造压力的增加,压铸件的密度逐渐增大,但当铸造压力大于69MPa后,随着压力的增加,密度增加的幅度较小;热处理后的铸件的平均密度呈先减小后增大的趋势,铸件密度变化率随着铸造压力的增加呈先增大后减小的趋势。

与较低的压力相比,较高的压力能够消除铸件内部的缩孔和缩松,提高铸件的致密度,当压力小于69MPa时,由于铸造压力较小,铸件内部有较多的缩孔、 缩松,导致铸件密度小,至于热处理后密度变化率变化很小有待于进一步研究;当压力大于69MPa后,一方面由于合金在较高的压力下凝固,有利于合金液的补缩和抑制气体的析出,使得铸件内的气孔、缩孔、缩松减小;另一方面,较大的压力使得铸件内的气体进一步压缩,使气孔的面积比例和体积减小,因此铸件平均密度及热处理后的平均密度增加,热处理前后密度的变化率逐渐变小。

虽然较高的压力能保证铸件有较高的密度及较小的密度变化率,但是由于较高的压力会使产品成本增加,所以在试验生产中,选104MPa比较适合。

2.3 快压射速度对密度变化率的影响

压射速度是获得轮廓清晰、表面光洁的压铸件的重 要参数。快压射速度是指使金属液通过内浇口充满整个型腔的速度。图5是快压射速度分别为0.90、1.50、3.80、5.30m/s,浇注温度为710℃、铸造压力为104MPa、快压射切换位置为300mm时对铸件密度密度变化率的影响。

可以看出,随着快压射速度的增加,铸件的密度呈现先减小后增大的趋势;热处理后铸件的密度呈递减的趋势;铸件的密度变化率呈递增的趋势,且随着速度的增大,变化的幅度越来越大,即随着快压射速度的增加,铸件内的卷气越来越严重。

如果快压射速度过低,则金属的流动相对比较慢,致使远离浇道部位的收缩得不到充分补偿,从而形成较多的缩松和浇不足等缺陷[8],使得压铸件的致密性小,密度低。随着快压射速度的增大,较高的压射速度对应着较高的压射比压,有利于消除铸件内部的缩松和 缩孔,从而铸件平均密度的增加。但是,如果快压射速度过快,增加了铝液的紊乱度,导致充型前卷气,在铸件内部会形成气孔;此外较快的压射速度对应较快的充型速度,使得填充时间越短,型腔内气体来不及排出,造成大量的卷气,使铸件的平均密度减小。正是由于快压射速度的这种双重作用,随着快压射速度的增加,铸件的密度变化率越来越大,即铸件内的卷气越来越严重。因此,为获得低气孔率铸件,选择快压射速度1.50m/s最合适。

2.4 快压射切换位置对密度变化率的影响

图6是快压射切换位置分别为280、320、340、360 mm,浇注温度为710℃、铸造压力为104MPa、快压射速度为1.50m/s时对铸件密度及密度变化率的影响。可以看出,随着快压射切换点的增大,热处理前后铸件的密度都逐渐增大,但热处理前后密度变化率随着切换点的增大不断减小。

在低速压射阶段,一般不会产生卷气,只有在快压 射阶段,由于压射速度较大,流体以射流的形式运动,才会产生卷气。快压射切换位置越小,快压射时间越长,卷气越多,产生的缺陷越多;反之,切换点位置越大,快压射时间越短,卷气越少。产生的缺陷越少,从而铸件的密度越大,密度变化率越小。

虽然快压射切换位置越大,铸件气孔含量越少,但快压射切换位置并不是越大越好,这是因为,随着快压射切换位置越来越大,在快压射前,进入型腔的铝液越多,启动快速压射时要补以高压,以克服金属液由于温度下降而引起的阻力,再者,由于对于不同的压铸件,其内部组织致密性要求不同,同一铸件对易产生气孔的部位和致密性的要求也不相同,高速切换点可以选择在不允许有气孔的部位之后即可,切换位置选在320mm为宜。

3 结论

(1)随浇注温度的升高,铸件的平均密度逐渐减小, 密度变化率逐渐增大,在保证铸件品质的前提下,应尽 量采用较低的浇注温度,以700～720℃为最佳。

(2)随着铸造压力的增大,铸件的平均密度逐渐增大,热处理前后密度变化率先增大后减小。但压力过高会使产品的成本增加,以104MPa左右最佳。

(3)随着快压射速度的提高,铸件的平均密度先减小后增大,热处理前后密度变化率越来越大,快压射速度过小,容易产生缩松缩孔缺陷;快压射速度过大,容易产生气孔类缺陷,综合考虑,快压射速度应在1.50m/s左右。

(4)随着快压射切换位置的增大,铸件的平均密度逐渐增大,但如果快压射位置过大,进入型腔的铝液过多,在型腔中遇冷,金属液流动性变差,需要较大的充型压力,最佳快压射切换位置取320mm为宜。