微車制動(dòng)產(chǎn)品鋁合金重力鑄造缺陷分析及改進(jìn)

葛 勤

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

微車制動(dòng)產(chǎn)品鋁合金重力鑄造缺陷分析及改進(jìn)

葛 勤

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

采用鑄造專用軟件Pro Cast2004對(duì)現(xiàn)有鋁合金鑄件鑄造工藝進(jìn)行充型過程、凝固過程和疏松、縮孔位置等方面的分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工藝試驗(yàn)的結(jié)果分析，模擬預(yù)測出可能產(chǎn)生的缺陷（氣孔、縮孔和縮松），從而判斷澆注系統(tǒng)的澆冒口設(shè)置、澆鑄工藝和操作程序等的合理性，并通過工藝驗(yàn)證進(jìn)行驗(yàn)證，從而提供現(xiàn)有鑄造模具和工藝對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響的關(guān)系，并制定了改進(jìn)措施。

鋁合金;鑄造;軟件Pro Cast2004；DJB-1熔劑；保溫溫度

汽車制動(dòng)系統(tǒng)，是保證汽車安全行駛的重要保障，制動(dòng)缸（制動(dòng)主缸和制動(dòng)輪缸）是汽車制動(dòng)系統(tǒng)液壓傳動(dòng)裝置中的重要安保零件。在制動(dòng)缸的制造過程中，其毛坯鑄造缺陷占到總?cè)毕荼戎氐?5%以上，姑且不論鑄造缺陷造成的售后品質(zhì)損失，按年產(chǎn)100萬套計(jì)，鑄造缺陷造成的內(nèi)部品質(zhì)損失可達(dá)80萬元，可見對(duì)鑄造缺陷進(jìn)行分析和改進(jìn)具有重要意義。

國內(nèi)汽車鋁合金鑄造的主要工藝有:砂型重力鑄造、金屬型重力鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、液態(tài)模鍛等。這里僅對(duì)微型汽車制動(dòng)產(chǎn)品鋁合金金屬型重力鑄造的缺陷，展開分析并采取改進(jìn)措施。

產(chǎn)品主要性能：材質(zhì)為ZL111，強(qiáng)度 σb≥275 MPa，塑性δ≥1%，T6熱處理后硬度HB≥100，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用13MPa氣壓試驗(yàn)，泄漏量不能超過規(guī)定值。

1 制動(dòng)產(chǎn)品鑄造缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

微型汽車制動(dòng)產(chǎn)品鋁合金金屬型重力鑄件常見鑄造缺陷如表1所列。

由表1可見，氣孔是LZ111、N1車型主缸立式鑄件、后缸、左右前缸最主要的致廢原因，而縮松、縮孔是LZ111、N1車型主缸臥式鑄件最主要的致廢原因。

2 常見缺陷成因及預(yù)防措施

鋁合金金屬型重力鑄件常見鑄造缺陷成因及預(yù)防措施如表2所列。

表2 鋁合金金屬型重力鑄件常見鑄造缺陷成因及預(yù)防措施表

3 缺陷原因分析及改進(jìn)措施

3.1 模具結(jié)構(gòu)

（1）根據(jù)實(shí)際鑄造缺陷的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和部位，分析模具產(chǎn)生缺陷的原因并采取改進(jìn)措施。

（2）采用鑄造專用軟件Pro Cast2004對(duì)現(xiàn)有的幾種鑄件澆注方案進(jìn)行充型過程、凝固過程和疏松、縮孔位置等方面的分析，并在電腦上重構(gòu)生產(chǎn)現(xiàn)場狀況（包括鋁液的澆注過程和凝固過程及在該過程中產(chǎn)生的卷氣、冷隔、夾雜、氣孔以及疏松、縮孔）。

根據(jù)模擬的分析，預(yù)測出可能產(chǎn)生的缺陷有氣孔、縮孔和縮松，從而判斷澆注系統(tǒng)的澆冒口設(shè)置、澆鑄工藝和操作程序等是否合理；提供現(xiàn)有鑄造模具對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響的關(guān)系。

圖1 金屬液充型過程第4.11 s

圖2 金屬液充型過程第7.49 s

圖3 鑄件凝固時(shí)間圖

圖4 鑄件縮松縮孔位置預(yù)測圖

（3）改進(jìn)措施及效果。如圖5至圖8所示。

圖5 改進(jìn)前

圖6 改進(jìn)后增加暗冒口

圖7 改進(jìn)前澆口

圖8 改進(jìn)后澆口

3.2 原材料化學(xué)成分和預(yù)處理

（1）原材料化學(xué)成分。原材料化學(xué)成分如表3所列。

表3 原材料化學(xué)成分表（%）

由化學(xué)成分的分析結(jié)果可知，回爐料中Cu、Mg和Fe的含量，分別超出標(biāo)準(zhǔn)。

為保證機(jī)械性能的要求，應(yīng)適當(dāng)降低原鋁錠中Cu、Mg的含量，Cu的含量可略高于1.8%，而Mg的含量，應(yīng)盡量接近國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限0.4%。

另外，鑒于Fe超標(biāo)的有害作用，應(yīng)嚴(yán)格控制原材料成分，適當(dāng)降低回爐料比例，將鑄件中Fe的含量控制在0.4%以下。

采用回爐料為新料的40%～60%是安全的添加比例，即回爐料不超過總投入料的37.5%。如果采用非常有效的精煉手段，這個(gè)比例也可提高到50%以上。

（2）回爐料的預(yù)處理措施不當(dāng)。澆冒口、澆道等澆注系統(tǒng)，在用鋸床切割時(shí)，表面沾有少量冷卻液，對(duì)機(jī)加工報(bào)廢零件雖然會(huì)提前進(jìn)行500℃預(yù)熱處理，但是堆放一段時(shí)間后，表面的燃燒殘余物及灰塵容易回潮，成為熔化過程中增氫的一個(gè)主要因素；余水和氧化皮在收集后回用，但是氧化皮的主要成分是氧化鋁夾雜，不宜直接回用。

改進(jìn)措施：機(jī)加工零件廢品，應(yīng)采用高溫加熱燒掉油性物質(zhì)和水分；所有經(jīng)過處理的回爐料應(yīng)及時(shí)回爐熔化，如果在庫房堆放時(shí)間超過24 h，則應(yīng)在熔化前加熱到250℃以上預(yù)熱去除水分。余水和不帶切削液的流道、澆冒口等，可不作如上處理，但是氧化皮含量較多的余水及爐邊鋁屑，應(yīng)集中后另行處理，以過濾方式去除氧化夾渣。

3.3 精煉工藝

（1）精煉劑的化學(xué)成分分析。如圖9、圖10所示。

圖9 點(diǎn)掃描圖譜

圖10 區(qū)域面掃描圖譜

DJB-1熔劑中不含稀土元素和其他活性元素，以氟鹽為主的活性成分較少，不能達(dá)到有效的精煉除氫效果。

根據(jù)熔劑各組分的熔點(diǎn)可知，該熔劑的最佳使用溫度700～740℃，如果溫度太低，或使用時(shí)間短，都不能充分發(fā)揮其精煉作用。

（2）精煉過程。精煉溫度為630～660℃，低于其最適宜的使用溫度（700～740℃），精煉劑的熱分解較慢，與渣、氣的反應(yīng)不充分，同時(shí)由于熔體黏度大，產(chǎn)生氣泡大，不利于氣泡吸附除氫和氫的擴(kuò)散，因此除氫效果不佳。

另外，造渣時(shí)渣內(nèi)帶鋁量大，導(dǎo)致熔損增大。采用人工攪拌的精煉方式，精煉過程無法得到有效控制。

（3）改進(jìn)措施。在沒有更換精煉劑的情況下，將精煉溫度由630～660℃提高到700～740℃的最佳精煉溫度范圍。

更換優(yōu)質(zhì)精煉劑，同時(shí)采用氮?dú)獬龤庑D(zhuǎn)精煉機(jī)進(jìn)行精煉除氣，可達(dá)到良好的精煉效果。

3.4 保溫溫度對(duì)過程品質(zhì)的影響

（1）保溫溫度對(duì)氫含量的影響。不同精煉/保溫溫度的含氫量的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)（DJB-1精煉劑精煉）如表4所列。

表4 不同精煉/保溫溫度含氫量的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表4數(shù)據(jù)可見，雖然采取了用DJB-1精煉劑進(jìn)行精煉的措施，鋁熔體中的氫含量在精煉前后的變化不大，且隨保溫溫度的升高，呈上升趨勢。

（2）保溫溫度和保溫時(shí)間的影響（如圖11）。精煉之后的保溫溫度如果太低，則熔體黏度較高，同時(shí)缺乏足夠的保溫和靜置時(shí)間，不利于比重大的夾渣沉降和比重小的夾渣和熔劑殘?jiān)细。瑢?dǎo)致熔體中夾渣含量偏高。

圖11 氫含量隨保溫溫度的變化圖

（3）通過工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證，確定合理的鋁水保溫溫度和靜置時(shí)間。

3.5 坩堝和熔煉工具的涂料

鐵質(zhì)坩堝和舀勺、壓罩等熔煉工具，使用一段時(shí)間后，表面涂料會(huì)局部脫落，這時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)噴涂料，否則會(huì)導(dǎo)致鋁液增Fe，影響產(chǎn)品品質(zhì)。

3.6 過包和保溫過程

（1）人工過包不利于對(duì)鋁液的保護(hù)。人工過包過程，對(duì)保溫爐內(nèi)鋁水的攪動(dòng)太大，導(dǎo)致鋁水吸氣和氧化嚴(yán)重，品質(zhì)下降；而且這種操作方式，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，員工規(guī)范操作難以有效控制。

（2）對(duì)保溫爐中鋁液的保護(hù)措施不足。精煉前熔化爐內(nèi)及過包后保溫爐內(nèi)，鋁液表面均無覆蓋保護(hù)。保溫時(shí)間較長時(shí)，即使鋁液表面有一層氧化膜，由于這層氧化膜在600℃以上溫度下并非致密，敞爐狀態(tài)的鋁液，仍然會(huì)持續(xù)從空氣中吸氣增氫，特別是梅雨季節(jié)，空氣濕度較高，鋁液吸氣愈加嚴(yán)重，鑄件品質(zhì)波動(dòng)大。

氫在純鋁熔體中的溶解度，隨溫度而變化，當(dāng)溫度超過純鋁的熔點(diǎn)660℃以后，氫的溶解度急劇上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.1～0.2mL/100g Al的控制量，說明鋁液在熔化狀態(tài)的任何溫度下，都容易吸氫。僅僅通過降低鋁液保溫和澆鑄溫度，并不能從根本上截?cái)辔鼩涞脑搭^。

因此，為保證鋁合金鑄件的品質(zhì)，就必須對(duì)處于長時(shí)間保溫狀態(tài)的鋁液，進(jìn)行必要的保護(hù)和必要的持續(xù)除氫措施，使鋁液中的含氫量處于較低水平。

3.7 澆鑄過程

（1）澆鑄溫度過低。ZL111合金含Si量8%～10%，從相圖上看，該合金液固兩相溫度區(qū)間很窄，宜采用凝固速度較快的壓鑄和重力鑄造工藝，其適宜的澆鑄溫度是680～720℃，超過液相線約100℃既有利于排氣，又可為順序凝固創(chuàng)造條件、利于補(bǔ)縮（注：ZL111合金的固相線及液相線溫度在538～596℃范圍內(nèi)，亦即合金液溫度降至596℃左右就開始析出固相凝固，降至538℃完全凝固）。

在澆鑄溫度為630℃左右的條件下，鋁液黏度增大，流動(dòng)性變差，在鑄型中極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生凝固，不利于卷入氣體的排出。因此，澆鑄溫度偏低，是鑄型中局部區(qū)域卷氣無法排出而形成皮下氣孔，同時(shí)補(bǔ)縮不足、產(chǎn)生縮孔縮松的主要原因。

（2）人工澆鑄過程工藝參數(shù)不穩(wěn)定，受主觀因素影響大。采用人工澆鑄和開模的操作方式，不能確保穩(wěn)定的澆鑄速度、開模時(shí)間。一方面，澆鑄速度過快，是導(dǎo)致卷氣產(chǎn)生氣孔的主要原因，另一方面，開模時(shí)間短、鑄件溫度高、強(qiáng)度不足，是導(dǎo)致裂紋和鑄件變形等缺陷的主要原因之一。

（3）澆鑄工的不規(guī)范操作。除了澆鑄速度不穩(wěn)定、手動(dòng)開模等因素外，澆鑄工用舀勺直接舀時(shí)的動(dòng)作，有時(shí)存在不規(guī)范現(xiàn)象。正確的操作，是先用勺底撇開鋁液局部表面的氧化膜，再舀取鋁水。鋁液表面的氧化膜能夠在一定程度上隔離空氣、減緩吸氫。因此，如果對(duì)保溫爐內(nèi)整個(gè)鋁液表面形成的氧化膜實(shí)施撇除處理，則會(huì)破壞鋁液的保護(hù)層，導(dǎo)致其中的氫含量升高。

（4）改進(jìn)措施。短期措施，是確定合理的工藝參數(shù)，完善標(biāo)準(zhǔn)化操作單，規(guī)范和有效控制員工的操作；長期措施，是采用機(jī)械手自動(dòng)舀取鋁水和傾轉(zhuǎn)式自動(dòng)澆注機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，有效保證澆注過程的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

通過對(duì)微型汽車制動(dòng)產(chǎn)品鋁合金金屬型重力鑄造缺陷的原因分析，根據(jù)自身?xiàng)l件采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，經(jīng)過一年多的實(shí)踐運(yùn)行，各種鋁鑄件的毛坯年平均廢品率由7.26%降至4.91%，年減少內(nèi)部品質(zhì)損失約38萬元（2007年統(tǒng)計(jì)），有效地提升了鋁合金鑄件毛坯品質(zhì)，同時(shí)也取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]黃恢元，楊長賀，舒 震，趙九夷，曾紀(jì)德，周光垓.鑄造手冊(cè)·鑄造非鐵合金[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

Analysis and Improvement on Gravity Casting Defects of Micro Vehicle Brake Products

GE Qin
(Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi545007,China)

The possible defects(hole,shrinkage cavity and loose)can be simulated Bymeans of the special software of Pro Cast 2004 to analyse the filling process,solidification process,the position of loose and shrinkage cavity,and combined with analysis of the process test results.The rationality of the setting of pouring cap mouth,the pouring process and operating procedures can be judged.The relationship between casting mould,process and the quality of products can also be provided by means of process validation,meanwhile,the improvement measures can be established.

aluminium alloy;cast;pro cast2004 software;DJB-1 solvent;insulation temperature

TG21+3

B

1672-545X（2011）09-0156-04

2011-06-25

葛 勤（1967—），男，江蘇溧陽人，工程師，研究方向?yàn)槲⑿推囍苿?dòng)系統(tǒng)制造工藝。