鎂合金汽車支架樹脂砂鑄造工藝研究

邸金南,姜詩慧

(1.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院,遼寧 沈陽110023;2.沈陽工業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽110870)

鎂合金因其密度低和比強度高等特點,被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)和汽車領(lǐng)域。而這些領(lǐng)域中所應(yīng)用的幾乎都是鑄造鎂合金[1-4]。砂型鑄造、金屬模鑄造、壓力(高壓、低壓)鑄造是鎂合金主要的鑄造成形方式,此外,還包括消失模鑄造、擠壓鑄造以及半固態(tài)鑄造等[5,6]。其中砂型鑄造方式具有適應(yīng)性廣、成本低廉,研發(fā)和生產(chǎn)周期短,工藝成熟等特點,尤其是對于一些試制樣件的生產(chǎn)是一種非常合適的鑄造方式。相比壓鑄件而言,砂型鑄造的鎂合金鑄件可進行熱處理,提高機械性能,因此,采用砂型鑄造有其獨特的優(yōu)勢。鑒于鎂合金密度低、熱容量小和化學(xué)性質(zhì)活潑及結(jié)晶區(qū)間寬的特點,普通砂型鑄造方式生產(chǎn)的鑄件氣孔較多,鑄件質(zhì)量差,表面粗糙且尺寸精度低。使用樹脂砂可以很好的解決這些鑄造質(zhì)量問題。

本文將針對某品牌AZ91D鎂合金汽車支架,設(shè)計一套合理可行的鑄造工藝,采用樹脂砂造型試制這款支架。并對試制樣件進行質(zhì)量檢測,分析樹脂砂鑄造鎂合金鑄件的工藝可行性。

1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

該支架為一般壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。外部基本尺寸約為370 mm×200 mm×160 mm,最小壁厚4.4 mm,最大壁厚8 mm,平均壁厚約7 mm。零件材質(zhì)為AZ91D鎂合金,零件質(zhì)量約為1.37 kg,如圖1所示。該零件是汽車轉(zhuǎn)向總成系統(tǒng)中的部件,與儀表板管梁相連并對轉(zhuǎn)向柱進行固定,對整車安全而言是一個重要零件,所以要求其具有較好的力學(xué)性能,而且內(nèi)部不可以存在疏松、夾雜、裂紋、砂眼、氣孔、冷隔及欠鑄等鑄造缺陷。

圖1 支架三維實體模型Fig.1 3D model of bracket

2 樹脂砂的選用與配比

呋喃樹脂砂因具有高強度、耐高溫性能好、透氣性強、潰散性好、合成工藝簡單等優(yōu)點,而十分適用于鎂合金重力鑄造。根據(jù)張起勛等人的研究[7-9],要使型砂具有一定的強度,必須嚴格控制樹脂與固化劑的配比量。造型所選用的原砂為大林擦洗砂50目/100目,樹脂為中氮脲醛呋喃樹脂,固化劑采用對甲苯磺酸類固化劑。具體樹脂砂配比及砂型力學(xué)性能見表1?？紤]到影響鑄件質(zhì)量的主要因素是鑄型的終強度,雖然3號的初強度最高,但是其終強度與2號沒有明顯差距,所以確定2號為最優(yōu)的樹脂砂配比工藝。按照2號進行樹脂砂的合成配比,制作鑄型。

表1 呋喃樹脂砂配比與力學(xué)性能

3 鑄造工藝設(shè)計

3.1 澆注位置與分型面的確定

鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在鑄型中所處的位置。該鑄件壁厚不均勻,是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的異型件,最大投影面的上下表面有凹槽和凸臺,考慮到鑄件的結(jié)構(gòu)特點,以及確定澆注位置的一般原則,首先,以鑄件的最大投影面作為澆注位置,按此位置擺放,逐漸的高度差最小,避免凝固過程的的成分偏析。其次,澆筑系統(tǒng)設(shè)計在鑄件最大投影面寬度方向的一側(cè),金屬液充型流動到最遠端的距離較小,能夠快速充型,避免提前凝固出現(xiàn)欠鑄缺陷;因為考慮到使金屬液通過多個內(nèi)澆口同時進入型腔平穩(wěn)充型,澆筑系統(tǒng)設(shè)計在鑄件側(cè)面較為平直的一側(cè),內(nèi)澆道長度相近。最后,分型面的選擇與澆筑系統(tǒng)的澆注位置一致,選擇在鑄件的最大截面處,為了方便起模,使主要型芯置于下箱,減少砂芯的使用,分型面開設(shè)在零件側(cè)立面的圓角根部,隨型下表面開設(shè)分型面,下箱砂型和砂芯為一體,分型面較為平直,簡化造型工藝。為了確保鑄件可以造型方便、充型完整和設(shè)置冒口補縮,鑄件的澆注位置和分型面如圖2所示。這種澆注位置的另外一個好處是有利于金屬液順序凝固。

圖2 鑄件澆注位置與分型面工藝圖Fig.2 Casting position and parting surfaces process diagram

3.2 澆注系統(tǒng)類型

鎂合金的熱熔量小,溫度降低快,性質(zhì)活潑,易吸氣和氧化結(jié)皮,凝固體積收縮大。因此要求其澆注系統(tǒng)能快速平穩(wěn)的充型,具有較強的擋渣能力和補縮能力。采用底注入式的澆注形式,內(nèi)澆道位于側(cè)立邊的下邊緣處,金屬液自下而上平穩(wěn)充型,對砂型沖擊力小,充型效果好,有利于型腔內(nèi)氣體的排出(圖2)。

因鑄件具有較為復(fù)雜的型腔、凹槽和薄壁,充型速度不宜過大,砂型鑄造易出現(xiàn)夾渣物,同時,鎂合金熔煉過程易形成氧化物,充型過程應(yīng)避免夾渣和氧化物進入型腔,查閱鑄造手冊得出,采用截面積A杯>A直>A橫

3.3 澆注系統(tǒng)尺寸設(shè)計

3.4 冒口位置與尺寸的確定

冒口的設(shè)計應(yīng)用到了計算機模擬仿真技術(shù),通過這種方法可以實現(xiàn)計算機澆注、質(zhì)量預(yù)測、缺陷預(yù)測和工藝優(yōu)化,可以使鑄造工藝的設(shè)計更加科學(xué)化和定量化[11]。利用流體軟件對鑄件進行充型模擬,模擬結(jié)果如圖3(a)(b)所示,在鑄件上出現(xiàn)了明顯的卷氣與表面缺陷。因為在充型過程中隨著液面的升高,卷氣和夾渣流動到鑄件最高點,氧化物夾渣等缺陷位置也主要集中在凸臺等高點處和最后充型的位置。冒口的設(shè)計既考慮到改善鑄件缺陷,使模擬結(jié)果上的卷氣和夾渣排除到產(chǎn)品以外,也考慮到鎂合金在凝固過程收縮率較大的特點,利用冒口完成補縮,同時結(jié)合產(chǎn)品的特點,冒口應(yīng)設(shè)置在零件的加工表面上,便于后續(xù)機加工時候去除,減少不必要的加工工序。根據(jù)模擬結(jié)果,參考工藝手冊,在鑄件上的缺陷位置附近需后續(xù)機加工的凸臺處布置冒口,冒口類型為明頂冒口,冒口下表面形狀尺寸與鑄件凸臺相同,垂直方向呈下小上大的錐形,傾斜角度為5°。

(a)無冒口卷氣率;(b)無冒口表面缺陷;(c)有冒口卷氣率;(d)有冒口表面缺陷圖3 設(shè)置冒口后鑄件充型模擬結(jié)果對比Fig.3 Comparison of simulation results of casting filling after riser setting

設(shè)置冒口后再次進行澆注模擬,卷氣現(xiàn)象得到了明顯改善,明頂冒口起到了排氣作用,排出充型過程中鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的卷氣。另外,冒口除了起到補縮作用外,也起到了排渣作用,由圖3(c)(d)可以看到,鑄件的缺陷位置轉(zhuǎn)移到了冒口位置,說明冒口的設(shè)置比較合理,可以改善鑄件質(zhì)量。

3.5 其他工藝參數(shù)的設(shè)計

澆注溫度720 ℃,砂型的預(yù)熱溫度200 ℃。鑄件長度和高度方向?qū)儆谧杂墒湛s,縮尺為1.6%,寬度方向為受阻收縮,縮尺取1.2%。鑄件尺寸公差采用CT11,加工余量為3.5 mm(加工余量等級為G)。采用木模造型,起模斜度為0.4°,由于鑄件內(nèi)表面不用砂芯,而是采用的“自來砂芯”形成,為方便起模,內(nèi)表面起模斜度為0.5°。采用石墨涂料,涂層厚度0.5 mm。

4 熔煉工藝

鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑,液態(tài)下的鎂合金極易與空氣中的氧化合,在形成氧化物夾雜的同時放出大量的熱,促進鑄型中水蒸氣與二氧化硅反應(yīng),反應(yīng)過程同樣放出大量熱量,更加速了鎂合金的氧化,嚴重影響鎂合金鑄件的質(zhì)量[12]。

實驗采用氣體保護的方式防止氧化,保護氣體為N2與SF6混合氣體組成,混合比為0.06%(體積分數(shù))的SF6,其余成分為氮氣。首先將MRL-8型鎂合金熔煉爐加溫至500 ℃,然后開始通入保護氣體,實驗過程始終通入保護氣體。待坩堝內(nèi)空氣排凈后放入準備好的AZ91D鎂錠。升溫至680 ℃,保溫一段時間。待鎂錠全部熔化后升溫至720 ℃保溫20 min,澆注溫度需控制在±10℃之內(nèi),進行澆注,溫度過高易使合金氧化,過低則會降低金屬液的流動性,影響充型效果。澆注結(jié)束后停止通入保護氣體,試制產(chǎn)品如圖4。

圖4 鎂合金汽車支架試制Fig.4 Trial production of magnesium alloy automobile bracket

對試制鑄件進行X射線檢測(圖5),未發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部有氣孔、縮孔、疏松以及裂紋等鑄造缺陷產(chǎn)生。從鑄件上切取試樣進行檢查,鑄件的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)為,Al 8.32,Zn 0.72,Mn 0.18,Si 0.015,Ni 0.002,Cu 0.003,Fe 0.002,Mg余量;鑄件力學(xué)性能為,抗拉強度153 MPa,硬度65HB,伸長率4.4%?？梢钥闯鲨T件的力學(xué)性能可以滿足使用要求。

圖5 鑄件X射線探傷檢測Fig.5 X-ray inspection of castings

5 結(jié)論

根據(jù)理論與經(jīng)驗的結(jié)合,同時采用了計算機模擬仿真的方法,設(shè)計了一種適合鎂合金汽車支架的樹脂砂鑄造工藝。并完成了鎂合金汽車支架的試制,鑄件輪廓清晰,質(zhì)量良好,鑄件抗拉強度153MPa,硬度65HB,伸長率4.4%。通過成功試制,說明呋喃樹脂砂鑄造鎂合金具有可行性,可縮短產(chǎn)品的試制周期,并可應(yīng)用于批量生產(chǎn)。