CN107790669B - 一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法 - Google Patents

一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，包括如下步骤：(1)保温：将铸造铝合金(或者压铸铝合金)熔化精炼后，过热度调整到5～25℃，保温0.5h以上；(2)浇注：将液态铝合金浇入压铸机的压室，浇注高度H浇控制在压室长度L压的1～2.5倍；(3)停留：浇注完毕后停留时间为kM铝(s)，形成半固态浆料；(4)充填：向模具型腔内充填半固态浆料；(5)增压：当模具型腔的充填程度达到75～90％时，开始增压。本发明提供的流变压铸方法，使得制浆和压铸无缝衔接，完成半固态浆料制备和压铸一体化，且其工艺流程短，经济适用，铸件中的氧化皮和其它氧化夹杂物大为减少，微观组织比较致密。

Description

一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法
技术领域
本发明涉及轻合金压铸领域，尤其涉及一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法。
背景技术
半固态铝合金铸件以其优良的物理性能和力学性能而著称，日益受到各界的青睐。但是，由于半固态铝合金铸件的生产成本较高，特别是半固态铝合金浆料的制备环节，在线制备高质量的半固态铝合金浆料目前还存在许多困难，一方面，半固态浆料专用制备设备投资成本高，另一方面，浆料输送和压铸成形在产业化应用时还存在许多技术问题。由于上述诸多原因，目前，半固态铝合金铸件在压铸领域的竞争优势不太明显。
目前，在半固态铝合金流变压铸成形方法上，一般是将半固态浆料制备设备和压铸成形设备分开的，两者之间通过专用的浆料输送设备进行工艺衔接，从而实现半固态铝合金的流变压铸。因此，这种流变压铸成形方法，制浆和压铸是两个独立的工艺过程，衔接两者之间浆料输送也是一个独立的工艺过程。这种流变压铸成形方法固然有很多优点：在浆料的制备环节，浆料的温度场比较均匀、温度能够得到有效控制、初生相的形状因子和尺寸比较理想等等。但是，也存在一些缺点和不足：(1)半固态制浆设备投资成本较高；(2)浆料制备过程中容易产生氧化物和二次夹杂，而且不易去除干净；(3)半固态浆料的粘度较大，容易粘附在输送浆料的容器壁上，倾倒或者使用其它技术手段使浆料进入压铸设备时，将会导致浆料计量的准确性，也影响浆料输送容器的连续生产使用。
由此可见，现有半固态铝合金流变压铸方法，虽有优点，但也有不足。因此，研发能够将制浆和压铸融为一体、不需要复杂的半固态浆料制备设备、而且经济适用的流变压铸技术是产业化追求的方向。
发明内容
为了节约设备投资费用，缩短生产工艺流程，提高半固态铝合金铸件的生产效率，最终提高铸件的性价比，本发明提供了一种更加经济适用的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法。
本发明的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，其主要技术方案是将液态铝合金直接浇入压铸设备，通过创造性的工艺设计，并利用压铸设备的一些自身条件，使制浆和压铸无缝衔接，实现半固态浆料制备和压铸一体化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，具体包括如下步骤：
(1)保温：将铸造铝合金(或者压铸铝合金)熔化精炼后存储在保温炉，将该融化精炼后的液态铝合金的过热度调整到5～25℃，同时盖上炉盖进行保温0.5h以上；
(2)浇注：将步骤(1)中精炼后的液态铝合金用专用浇勺定量匀速浇入压铸机的压室，浇注速度控制在0.1～0.2(Kg/s)，浇注高度H浇(压室入口至浇勺上口边缘的垂直距离)控制在压室长度L压的1～2.5倍；
(3)停留：浇注完毕后停留时间为kM铝(s)，形成半固态浆料；其中，k为浇注系数，取值范围为4～8，M铝为铝液质量，单位为Kg；
(4)充填：向模具型腔内充填步骤(3)的半固态浆料，采用慢速充填，冲头速度控制在0.08～0.15m/s，不选择快速充填；
(5)增压：当模具型腔的充填程度达到75～90％时，开始增压。
进一步地，步骤(2)中，所述压室的上方安装一个圆筒形不锈钢防护罩，且所述防护罩内壁不与铝液接触，安装防护罩的目的，一方面，在开始浇注时，由于浇勺难以对准压室，防止铝液浇到压室外面，起到定位作用；另一方面，防止铝液浇注到压室后飞溅到压室外面，起到约束作用。防护罩直径的选择以不能与正在浇注的铝液接触为参考，高度与浇注高度相当。
进一步地，步骤(2)中，所述专用浇勺的材料采用硅酸铝陶瓷，浇勺表面涂覆氮化硼，既起到保温作用，又起到防止粘附铝皮的作用。
进一步地，步骤(2)中，在浇注前，所述压室的温度控制在200～300℃。
进一步地，步骤(2)中，所述浇注速度控制在0.1～0.2(Kg/s)，当浇注铝液体积较多时，采用下限，反之，则采用上限，以浇勺中的铝液能够全部浇出为参考标准。
进一步地，步骤(2)中，所述浇注高度H浇为压室长度L压的1～2.5倍，如果铝液体积较多时，尽可能取上限；提高浇注高度的目的是增加铝液的势能；当浇注到压室后，增加正在浇注的铝液对已经浇注到压室的铝液的冲击力，提高压室内铝液的自搅拌能力，使不同时间浇注到压室的铝液达到热量对流和混合搅拌的作用。
进一步地，步骤(2)中，在浇注完成后，所述压室的充满度控制在30～50％，充满度过低，铝液冷却速度过快，铝液容易在压室内壁凝固结壳，造成铸件夹生，影响铸件力学性能；充满度过高，一方面，铝液自混合作用减弱，另一方面，压室对铝液的激冷功能减弱。所述的压室，根据压室充满度的设计要求来推算压室直径，从而选择冲头直径的大小(冲头直径为标准值)。
进一步地，步骤(4)中，在充填所述半固态浆料前，所述压铸模具的温度控制在180-250℃。
优选地，所述步骤(4)中，所述冲头速度为0.08～0.15m/s，当压室充满度在下限时，冲头速度取上限，反之，冲头速度则取下限。
进一步地，步骤(5)中，所述模具的浇注系统采用封闭式浇注系统，所述浇注系统包括直浇道、横浇道、内浇道，各个浇道的横截面积定义为S(直浇道)、S(横浇道)、S(内浇道)，其比例S(直浇道)：S(横浇道)：S(内浇道)＝1:0.75～0.9:0.35～0.5，内浇道的厚度大于内浇道开设处的铸件壁厚，保证铸件先于内浇道凝固。
进一步优选地，与所述压铸模具的型腔直接相连的排气道和溢流口的横截面积总和为S(内浇道)的10～25％，确保充填时压室和型腔内的气体及时排出。
进一步优选地，步骤(5)中，当铸件壁厚较薄时，模具型腔充填程度选择下限再开始增压，反之，则充填程度选择上限再增压，保证铸件充填饱满并没有冷隔。
进一步优选地，所述流变压铸方法中采用的脱模剂为无硅且发气量低的优质脱模剂。
进一步优选地，所述流变压铸方法中冲头润滑剂采用白凡士林。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明提供的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法具有如下技术效果：
(1)不需要复杂的半固态制浆设备，工艺流程短，经济适用，尤其适合生产中小半固态压铸件；
(2)通过设计浇注温度、浇注速度、浇注高度、压室充满度、停留时间、充填速度、增压时间、浇注系统和排溢系统，实现了浇注时合金为液态，而铸件微观组织为半固态组织；
(3)由于省略了独立的半固态浆料制备过程，铸件中的氧化皮和其它氧化夹杂物大为减少，微观组织比较致密。
附图说明
图1为本发明所述方法的工艺示意图；
图2为本发明具体实施方式的ZL101A铝合金铸件的铸态微观组织图；
图3为本发明具体实施方式的YL112铝合金铸件的铸态微观组织图；
具体实施方式
本发明提供的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，主要思路是将液态铝合金直接浇注到压铸设备，通过创造性的工艺设计和利用压铸设备的自身条件，使液态铝合金在进入模具型腔前变成半固态浆料，从而实现半固态铝合金铸件的生产。
具体地，如图1所示的工艺示意图，本发明的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，具体包括如下步骤：保温：将铸造铝合金(或者压铸铝合金)熔化精炼后存储在保温炉，过热度调整到5～25℃，保温0.5h以上；浇注：将液态铝合金用专用浇勺定量匀速浇入压铸机的压室，浇注速度控制在0.1～0.2(Kg/s)，浇注高度H浇控制在压室长度L压的1～2.5倍；停留：浇注完毕后停留时间为kM铝(s)，形成半固态浆料；充填：向模具型腔内充填半固态浆料，采用慢速充填，冲头速度控制在0.08～0.15m/s；增压：当模具型腔的充填程度达到75～90％时，开始增压。
本发明提供的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，在GB/T1173-2013铸造铝合金和GB/T15115-2009压铸铝合金中，能够进行流变压铸的铝合金有很多种，本发明之具体实施方式中以ZL101A和YL112铝合金作为实施例，但本发明所述方法并不限于这两种铸造铝合金和压铸铝合金。
实施例1
本实施例提供一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，具体包括如下步骤：
(1)将ZL101A铸造铝合金熔化到700±5℃开始精炼，精炼后清除液面熔渣并降温；
(2)保温：当铝液温度下降到627±3℃时，盖上炉盖使铝液一直在627±3℃保温40min；
(3)浇注：使用表面涂覆氮化硼的硅酸铝专用浇勺(提前预热至400℃左右)从保温炉中舀取1.5Kg的铝液用10s的时间匀速浇注到压室(浇注速度为0.15Kg/s)，浇注高度H浇为0.6m(压室长度L压为0.4m)；
(4)停留：浇注完毕后停留10s再压射充填；
(5)充填：冲头速度为0.10m/s，不选择快压射；
(6)增压：当模具型腔充填程度达到80％时再开始增压。
本实施例步骤(3)中所述的压室，冲头直径为70mm，经过计算压室充满度为36％，浇注前压室的温度为260℃。
本实施例步骤(6)中所述的模具需预先设计，其包括直浇道、横浇道、内浇道，各个浇道的横截面积定义为S(直浇道)、S(横浇道)、S(内浇道)，其比例S(直浇道)：S(横浇道)：S(内浇道)＝1:0.8:0.4，其中S(直浇道)＝1200(mm2)，S(内浇道)＝480(mm2)。与铸件直接相连的排气道和溢流口的横截面积总和为100(mm2)。铸件壁厚为5.5mm，内浇道厚度为6mm。
本实施例步骤(6)中所述的模具，浇注前模具的温度为220℃。
本实施例采用的脱模剂为无硅且发气量很低的优质脱模剂，冲头润滑剂采用白凡士林。
本实施例方法制得的ZL101A铝合金铸件，铸态微观组织如图2所示，初生α(Al)主要由近球晶和玫瑰晶组成，没有发达的树枝晶组织。T6热处理(即高温固溶加人工时效热处理)后铸件表面无气泡。
实施例2
本实施例提供一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，具体包括如下步骤：
(1)将YL112压铸铝合金熔化到700±5℃开始精炼，精炼后清除液面熔渣并降温；
(2)保温：当铝液温度下降到610±3℃时，盖上炉盖使铝液一直在610±3℃保温45min；
(3)浇注：使用表面涂覆氮化硼的硅酸铝专用浇勺(提前经过预热至400℃左右)从保温炉中舀取1.2Kg的铝液用8s的时间匀速浇注到压室(浇注速度为0.15Kg/s)，浇注高度H浇为0.6m(压室长度L压为0.4m)；
(4)停留：浇注完毕后停留8s再压射充填；
(5)充填：冲头速度为0.12m/s，不选择快压射；
(6)增压：当模具型腔充填程度达到88％时再开始增压。
本实施例步骤(3)中所述的压室，冲头直径为60mm，经过计算压室充满度为40％，浇注前压室的温度为240℃。
本实施例步骤(6)中所述的模具需预先设计，其包括直浇道、横浇道、内浇道，各个浇道的横截面积定义为S(直浇道)、S(横浇道)、S(内浇道)，其比例S(直浇道)：S(横浇道)：S(内浇道)＝1:0.8:0.45，其中S(直浇道)＝980(mm2)，S(内浇道)＝441(mm2)。与铸件直接相连的排气道和溢流口的横截面积总和为80(mm2)。铸件壁厚为16mm，内浇道厚度为18mm。
本实施例中步骤(6)所述的模具，浇注前模具的温度为235℃。
本实施例采用的脱模剂为无硅且发气量很低的优质脱模剂，冲头润滑剂采用白凡士林。
本实施例所述方法步骤制得的YL112铝合金铸件，铸态微观组织如图3所示，初生α(Al)主要由近球晶组成，其中含有少量的玫瑰晶组织，没有发达的树枝晶组织。T6热处理(即高温固溶加人工时效热处理)后铸件表面无气泡。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）保温：将铸造铝合金或压铸铝合金熔化精炼后，过热度调整到5~25℃，同时盖上炉盖进行保温0.5h以上；
（2）浇注：将步骤（1）中熔炼后的液态铝合金用专用浇勺定量匀速浇入压铸机的压室，浇注速度控制在0.1~0.2（Kg/s），浇注高度H浇控制在压室长度L压的1~2.5倍，在浇注前，所述压室的温度控制在200-300℃；
（3）停留：浇注完毕后停留时间为kM铝（s），形成半固态浆料；其中，k为浇注系数，取值范围为4~8，M铝为铝液质量，单位为Kg；
（4）充填：向模具型腔内充填步骤（3）的半固态浆料，冲头速度控制在0.08~0.15m/s；
（5）增压：当模具型腔的充填程度达到75~90%时，开始增压；
其中，所述模具的浇注系统采用封闭式浇注系统，所述浇注系统包括直浇道、横浇道、内浇道，各个浇道的横截面积定义为S（直浇道）、S（横浇道）、S（内浇道），其比例S（直浇道）：S（横浇道）：S（内浇道）=1:0.75~0.9:0.35~0.5，内浇道的厚度大于内浇道开设处的铸件壁厚；与压铸模具的型腔直接相连的排气道和溢流口的横截面积总和为S（内浇道）的10~25%。
2.根据权利要求1所述的流变压铸方法，其特征在于，步骤（2）中，所述压室的上方安装一个圆筒形不锈钢防护罩，且所述防护罩内壁不与铝液接触。
3.根据权利要求1所述的流变压铸方法，其特征在于，步骤（2）中，在浇注完成后，所述压室的充满度控制在30~50%。
4.根据权利要求1所述的流变压铸方法，其特征在于，步骤（4）中，在充填所述半固态浆料前，压铸模具的温度控制在180-250℃。
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