铝合金转向节挤压铸造技术研究与应用

铝合金转向节挤压铸造技术研究与应用

高华

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摘要：近年来，随着能源紧缺及对环境保护的需要，各国对汽车燃油消耗效率及温室气体排放量制定了更加严格的法规与标准。而汽车轻量化则是降低燃油消耗的重要途径之一，也是汽车生产商研发的主要目标。因此，以铝为代表的轻质合金材料得到了越来越广泛的应用。本文对挤压铸造生产铝合金转向节工艺进行研究，在不同的机型上用挤压铸造工艺开发的铝合金转向节各项性能指标可完全达到技术要求。

关键词：铝合金；转向节；挤压铸造

引言

采用有色轻金属材料代替黑色金属材料是当前国际上汽车轻量化的主要途径,为使汽车减轻自重,便要求汽车零部件必须轻量化、薄壁化、精确化、强韧化。所以,汽车的钢铁材质零部件不断被质量轻的铝合金件所取代,在成形工艺上以挤压铸造替代普通铸造及锻造,以达到提高毛坯的精度、减少加工余量、减少原材料消耗,从而实现减重、降低成本的目的。本文对挤压铸造机生产铝合金转向节的特点进行分析论述,供同行参考。

1再生铝概念

再生铝是由废旧废铝合金材料或者含铝的废料，经重新熔化提炼而得到的铝合金或铝金属，是金属铝的一个重要来源，再生铝主要是以铝合金的形式出现的。再生铝以废铝作为主要原料，经预处理、熔炼、精炼、铸锭等生产工序后得到铝合金。铝的抗腐蚀性强，在使用过程中损耗程度极低，且在多次重复循环利用后不会丧失其基本特性，具有极高的再生利用价值。

2压铸工艺

一体化压铸实为真空压铸工艺加入高真空控制系统，需要高精度传感器控制抽真空过程。工艺流程为合模、浇注、真空开启、型腔抽真空排气、压射、开模、取件、喷涂、再次合模等。在压铸过程中，由高精度真空传感器控制真空罐、浇注排气阀和型腔排气阀，并通过参数设定来触发四个接触点：浇注真空开始、浇注真空结束、型腔真空开始和型腔真空结束。压铸的高速充型易导致压室或型腔中的气体无法完全排出，气体卷入金属液会以气孔的形式存在于铸件中，无法焊接，降低力学性能，所以一体压铸必须配置型腔抽真空系统。压铸工艺对生产合格件十分重要，对不同的零件结构，压铸工艺参数需要长时间调试和摸索，正确的压射模式、压铸参数有利于减少铸件的缺陷，压铸中的气体大多数来自金属液在压室中的预充填阶段，需要反复优化慢压射参数，避免金属液在压铸过程中卷入气体。对于合金熔炼和除氢处理，熔化过程中需要采用高纯电解金属配料以避免金属杂质污染；熔炼时为防止金属液氧化及偏析，需要快速熔化，熔化后需要对铝液除氢、除渣净化处理。浇注方式一般采用底注，避免铸件夹杂缺陷，脱模剂的喷涂时间、喷涂角度和范围、喷涂量、吹气角度及脱模剂的选型（发气量小、挥发性好）均需要验证，合模前在型腔中不可有残留水分。压压铸过程中要及时启动抽真空系统，冲头封住浇注口后立即开始快速抽真空，压室充满前必须达到真空度要求，尽量延长抽真空时间，真空阀尽可能延迟闭合，抽真空过程对一体化压铸零件质量至关重要，抽真空阀基本依赖进口。

3铝合金转向节挤压铸造技术研究与应用

3.1立式机模具结构特点

在用立式挤压铸造机生产转向节时，模具内浇口直径设计的较大[4]，这与转向节中部面积有关，本相研究选取的内浇口直径为76mm；液流充型平稳、充填速度低，一般不大于2m/s，挤压冲头的挤压速度低，充填时间在0.2～1s之间，低速压射可消除金属液在流动中的涡流和喷溅现象，保证以层流形式充填型腔。模具全立式安放稳固可靠。对于转向节这种壁厚较大的铸件，金属在流动过程中被型壁冷却的较少，直到挤压液流填充完整个型腔时，主要部位（过热区）的金属仍还处于液体状态，此时，压力就会对制件起到补缩和压实作用，因此，压力能否能传递到挤压制件的主要部位对防止铸件产生缩孔缩松会起决定性作用。为使压力一直能作用于制件上，内浇口必须最后凝固，即金属液充满型腔后，在一段时间内，内浇口仍须处于液体状态，以便传递补缩压力。立式挤压铸造机若模具采用直通式浇道，浇入到料缸合金液在缸壁上形成的冷金属极易进入型腔，在制件中形成冷金属夹渣。为防止冷金属和夹渣物进入型腔，本模具在直浇道上设置了卡环式挡渣结构。制件经热处理后时常在靠近浇口的厚大部位产生缩松或缩孔缺陷，主要原因是分流锥结构设计的不合理，补缩通道没完全打开，影响压力传递，为了保证液流的顺利填充和压力下的有效补缩，加强了对制件厚大部位的补缩，消除了铸件缩孔、缩松缺陷。在模具的浇口套处设计卡环结构，利用卡环结构实现挡渣作用，该模具结构较复杂，要求配合精度较高，机加工难度大，喷刷涂料较麻烦，但用于转向节零件的生产完全可满足要求。且用立式机生产铝合金转向节具有液流充填距离短，压力传递阻力小，零件组织致密，各部位力学性能均匀。

3.2立式机生产转向节的组织结构和力学性能

微观组织分析表明,挤压铸造件铸态下共晶Si粒子主要为短针状或纤维状；T6热处理后,Si粒子形状圆整,呈球状或颗粒状,长宽比值显著减小，局部有聚集（偏析）现象；铸件在成形过程中液流在挤压力作用下,合金液与模具壁紧密接触,冷却速度加快，结晶晶粒尺寸细小。在铸件的热处理中,由于固溶处理过程Si粒子形貌改善,以及时效处理的弥散强化作用,T6热处理后铸件抗拉强度和屈服强度显著提高。

3.3缺陷分析与对策

2.3.1麻点缺陷

产生的原因:①由憋气引起型腔气体排不出,被压缩在型腔表面;②涂料堆积物吸水产生的气体;③模具温度太低,模具表面吸附的结晶水产生水蒸气;④模具温度太高,涂料结晶水挥发;⑤零件壁厚太薄,合金液传递压力时间短。通过定期清理模具,更换脱模剂,控制模具温度等措施,可降低铸件表面麻点缺陷的产生。

3.3.2冷金属夹渣物缺陷

冷金属夹渣物宏观和X光形貌如图23,断口缺陷扫描形貌。消除冷金属夹渣物的方法:①适当提高浇注温度;②适当提高充填速度;③模具设计挡渣环或采用点浇道(多点进料)。冷金属夹渣物在铸件中被压合成片状,在外力作用下,对基体的割裂作用是很明显的,生产中必须严格控制这种冷金属夹渣物进入型腔。通过模具设计卡环结构隔离冷金属夹渣物,消除(减少)、隔离、冲散、排除冷金属夹渣物缺陷,模具上设计卡环的隔渣效果还是很明显的。

3.3.3脱模剂及喷涂工艺对铸件质量影响

目前使用的脱模剂主要成分为无机粉末(滑石粉等)、表面活性剂、杀菌剂、水等,该脱模剂主要为挤压铸造生产薄壁铸件而设计,对于转向节这种相对厚大件不太适用,主要是脱模剂中缺少油脂类物质,脱模效果不太好;但有硅油类的脱模剂又会增加铸件的气孔缺陷,于是在生产中不得不在模具表面喷涂大量的粉体物质,以增加脱模效果和防止模具粘模。实际上这种方法不仅增加了模具喷涂时间,还会导致模具严重降温,滴落在定模上的水不能吹干和有效蒸发,必然会导致铸件产生气孔缺陷;同时涂料太厚会将之前沉积在模具上的脱模剂冲刷掉,容易堵塞模具排气孔造成铸件气孔、疏松、夹渣等缺陷;还会加速模具热疲劳破坏等,所以开发适合挤压铸造厚大铸件的脱模剂及喷涂工艺具有重要的实用意义。

结束语

基于国内外市场对高质量铸造产品强烈需求，形成了先进的挤压铸造工艺发展的极好条件，预示着用先进的挤压铸造工艺生产汽车某些重要部件有着十分广阔的市场。目前挤压铸造技术已成为汽车行业大批量生产高档有色金属零件的重要技术手段。

参考文献

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[2]任俊成,衡俐琼,王泽忠,等.挤压铸造铝合金转向节开发[J].特种铸造及有色合金,2017（7）:735-738.

[3]罗继相.间接挤压铸造模具设计特点及研究[J].特种铸造及有色合金,2002（1）:38-40.