高硅铝合金压铸孔隙率研究及工艺优化

上海交通大学硕士学位论文高硅铝合金压铸孔隙率研究及工艺优化姓名：赵鑫申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：丁文江;曾小勤20090101上海交通大学硕士学位论文I高硅铝合金压铸孔隙率研究及工艺优化摘要应用专业铸造模拟软件AnyCastingTM和有限差分数值模拟技术，研究了不同浇注温度、不同快压射速度和不同快压射切换位置条件下，铝合金汽车空调压缩机缸体压铸过程中的充型顺序和温度场分布，并对充型过程中可能产生的缺陷进行了预测。通过测量铸件金相组织、密度、密度变化率及力学性能等方法，对数值模拟结果进行了验证。通过对不同变质工艺和不同铸造压力条件下铸件性能的研究表明，铸件的孔隙率随着浇注温度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。铸件的力学性能随浇注温度的增加而呈递减的趋势；随快压射速度的增加及快压射切换位置的增加，呈现先增大后减小的趋势；随铸造压力的增加，呈现递增的趋势。结果表明，生产铝合金汽缸体压缩机缸体的昀佳工艺参数为：变质剂——HGPB-1、浇注温度——700℃-720℃，铸造压力——104MPa，压射速度——1.5m/s，快压射位置——320mm。关键词：压铸工艺参数，R14铝合金汽缸体，变质，密度变化率，孔隙率，数值模拟，充型过程，缺陷预测上海交通大学硕士学位论文IIStudyonPorosityandProcessOptimizationofHypereutecticAluminumAlloyDieCastingABSTRACTInthiscontribution,theeffectsoffiveimportantprocessparameters,metaltemperature,castingpressure,fastshotspeed,fastshotsetpointonthepropertiesofdiecastingR14aluminumalloyair-conditioningcompressorcylinderwereinvestigatedbythemethodofmeasuringthedensityofas-castandheattreatedcasting、analyzingmicrostructureandtestingthetensileproperties.Numericalsimulationisalsousedtodescribetheflowandtemperaturedistributionatthedifferentmetaltemperature,fastshotspeedandfastshotsetpointintheplatformofAnyCastingTMusingFinitedifferencemethod.Theresultshowedthathighermetaltemperatureandfastshotspeedincreasetheamountoftheporosity;anincreaseinfastshotsetpointdecreasetheamountoftheporosity;anincreaseinpressureincreasetheporosityfirstandthendecrease.AnincreaseinmetaltemperaturedecreasetheUTSandelongation;anincreaseinfastshotspeedandfastshotsetpointincreasetheUTSandelongationandthedecrease;anincreaseincastingpressureincreasetheUTSandelongation.Theoptimumcombinationofmodifyingagent,melttemperature,castingpressure,fastshotspeedandfastshotsetpointforgeneratingthelowestporositywereHGPB-1modifyingagent,700℃-720℃,104Mpa,1.5m/s,320mm,respectively.Keyword:diecastingparameters;R14aluminumallayair-conditioningcompressorcylinder;thechangingrateofdensity,porosity，modifyingagent,numericalsimulation,filling,defectpredict上海交通大学硕士学位论文上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本人的研究所做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：赵鑫日期：2009年1月25日上海交通大学硕士学位论文1第1章绪论1.1压力铸造概述1.1.1压力铸造的发展历史[1]一般认为，压力铸造起源于19世纪初期，主要应用印刷业。19世纪中期，出现了第一台热室压铸机，并在美国获得专利权。1855年默根瑟勒在前人的基础上，发明了印字压铸机。20世纪初期，压铸才广泛用于工业生产，1904年法兰克林公司开始用压铸方法生产汽车的连杆轴承，开创了压铸件在汽车工业中应用的先例。1905年多勒制造出第一台用于工业生产的压铸机，可压铸锌、锡、铜合金铸件。随后瓦格纳设计了鹅颈式气压压铸机，用于生产铝合金铸件。1927年约瑟夫·波拉克设计了第一台冷压室压铸机，使贮存熔融合金的坩埚与压射室分离，显著地提高压射力，从而使压铸技术向前推进了一大步，使铝、镁、钢等合金铸件可广泛采用压铸生产。1958年真空压铸在美国获得专利；1966年提出精、速、密压铸法，出现了双冲头压铸；1969年提出了充氧压铸的无气孔压铸法。随着工业对产品质量的不断提高，又出现了水平分型的全立式压铸机以及可以提高铸件致密度的三级压射系统的压铸机。1.1.2压力铸造过程压力铸造的实质是使熔融状态或半熔融状态合金浇入压铸机的压室，随后在高压的作用下，以极高的速度充填在压铸模的型腔内，并在高压力下使用熔融合金冷却凝固成形的高效益、高效率的精密铸造方法，压铸的具体过程如图1-1所示[2]。图1-1压铸过程循环图Fig.1-1thecirculationofdiecastingprocesses现在以配备增压器的三级压射结构的卧式冷室压铸机为例，根据压射冲头在压室内的移动情况，具体描述压力铸造的充型填充过程[3-5]，如图1-2所示。上海交通大学硕士学位论文2(a)(b)(c)(d)图1-2卧式冷室压铸机压铸过程图Fig.1-2Die-castingprocessofthehorizontalcoldroomsdie-castingmachines第一阶段为慢速阶段，如图1-2（a）所示，金属液浇入压室内，压射冲头以慢速前进，封住射料口，推动金属液在压射室内平稳上升，使压室内空气慢慢排出，减少金属液卷入气体，并防止金属液从浇口溅出。这一阶段金属液所受压力P1较低，仅用于克服压室与液压缸对其运动活塞的摩擦阻力。第二阶段为堆聚阶段，如图1-2（b）所示，在压射冲头推动下，金属液以较快的速度移动，充满压射室前端和浇道并堆聚在内浇口前沿。金属液到达内浇口时，阻力达到昀大值，因此为克服内浇口阻力而产生第一个小的压力峰P2，以达到突破内浇口的阻力。第三阶段为压射冲头快速运动阶段，如图1-2（c）所示，压射冲头开始加速，金属液在充填压力P3的作用下以极高的速度，短时间内充满整个型腔与浇注系统，与此同时，压射力将继续上升，且由于增压器开始工作，压力将进一步升高的昀高值P3，由P2上升到P3的时间大约为0.02~0.03s，称为建压时间。在第三阶段结束时，压铸件内尚存在疏松组织。上海交通大学硕士学位论文3第四阶段为压射冲头持压阶段，如图1-2（d）所示，填充型腔结束时，压射冲头运动基本停止，速度逐渐降为零，压力由昀高值P3变为昀终的压力P4（持压压力），本阶段的主要目的是建立昀后的增压，使铸件在昀终静压力作用下冷却凝固，消除或减少疏松，得到组织致密的铸件。压力铸造过程压力各个阶段的变化如图1-3所示。图1-3压射压力变化曲线Fig.1-3thechangingcurveofinjectionandpressure1.1.3压力铸造的主要参数[6-8]压力铸造的特点是高压力和高速度充填，现在对压力和速度在压铸过程中的变化和作用加以分析。1压力压射力是指压射冲头作用于金属液上的力，来源于高压泵，可用压射压力和压射射比压来表示。压射力的大小由压射缸的截面积和工作液的压力所决定，可按下述公式计算：有增压机构时：4/2dpFzyyπ=（1-1）无增压机构时：4/2dpFgyπ=（1-2）式中：yF——压射力，KN；zyp——增压后，压射型腔内的工作液压力，MPa；d——压射冲头直径，mm。上海交通大学硕士学位论文4压射比压可按下式计算：2/4dFpybπ=（1-3）其中：bp——压射比压，Pa；d——压射冲头直径，mm。由公式可见，压射比压与压射力成正比，与压射冲头面积成反比，所以压射比压可以通过改变压射力和调整压射冲头直径来调整。选择压射比压时，应根据压铸件的形状、尺寸、复杂程度、壁厚、合金的特性、温度、浇口及排溢系统等确定，一般在保证压铸成型和使用要求的前提下选择较小的压射比压。根据经验，对于承载件取50~80MPa，对于薄壁件、耐气密性件一般取80~100MPa。2速度压力铸造过程中，压射速度既受压力的直接影响，又与压力共同对铸件内部质量、表面要求和轮廓清晰程度起着重要作用。生产中，速度的表示形式常为压射速度和内浇口速度两种。（1）压射速度压射速度是压室内压射冲头推动金属液的移动速度，即压铸机压射冲头的速度。压射速度分为慢速和快速两个阶段，通过压铸机压射速度调节阀可以实现无级调速。慢速压射的压力铸造中的第一阶段，这一阶段是将金属液推至压室前端堆积在内浇口前沿，在保证将压室内的空气充分排出，又不过多降低金属液的温度的前提下，尽量选取较低的慢压射速度，过快的慢压射速度不利于压室内气体的排出。慢压射速度的大小还与压室充满度密切相关，具体关系见表1-1。表1-1慢压射速度的选择Table.1-1theselectionofslowshotbasedonfillingrate压室充满度（%）慢压射速度（m/s）≤300.3~0.430~600.2~0.3＞600.1~0.2快速压射对应于压力铸造过程中的第三阶段，使金属液通过内浇口，出现压力峰使铸件压实，减少缩孔及缩松。在计算高压射速度时，先由表2确定填充时间，按式1-4进行计算：()[]tdnVuyh21.0114π×−==(1-4)上海交通大学硕士学位论文5式中：yhu——高速压射速度，m/s;V——型腔容积，m3；n——型腔数；d——压射冲头直径，m；t——填充时间，s。按此式计算的快压射速度是昀小快压射速度，一般压铸件可以按计算值提高1.2倍，有较大镶件的铸件或大模具压小铸件时可提高至1.5~2倍。快压射速度的选择要综合考虑压铸合金的特性、熔化潜热、合金的比热和导热性、凝固温度范围、模具的热传导情况及对铸件的质量要求等多种因素。当模具温度高时，压射速度可适当降低，当铸件为薄壁复杂零件且对表面质量有较高要求时，应采用较高的压射速度。（2）填充速度填充速度即内浇口速度，是熔融金属通过内浇口导人型腔时的线速度，填充速度是压力铸造中重要的工艺参数之一。填充速度的大小对铸件刀学性能的影响极大，填充速度太低，铸件强度就会下降；填充速度提高，强度就会上升；但速度过高时，又会导致强度下降。填充速度的选择与压铸件壁厚的关系如表1-2所示。表1-2推荐的压铸件平