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铝合金铸造技术,起底环保材料

时间: 2019-01-14 11:16:07来源: 江阴市嘉达机电制造有限公司

零部件的轻量化要求,使得铝合金铸造得到了长足的发展,但是日益严格的环保标准也使得铸造企业面临着严峻的考验。实现绿色铸造的一个重要切入点是开发和应用环保的铸造材料与技术。本文从铝铸造用熔炼材料、涂料等几...

零部件的轻量化要求,使得铝合金铸造得到了长足的发展,但是日益严格的环保标准也使得铸造企业面临着严峻的考验。实现绿色铸造的一个重要切入点是开发和应用环保的铸造材料与技术。本文从铝铸造用熔炼材料、涂料等几个方面就环保问题进行了详细的概述。

  面临着日益严峻的能源和环境危机,轻量化已成零部件行业发展的一个重要方向。为此人们不断致力于轻质高强材料的开发利用,如高强度钢材或铝镁等合金材料。由于具有一系列的优良特性,铝合金材料已成为汽车轻量化最理想的材料之一。近些年来,铝铸件得到了迅速的发展。

  铝铸件需求的增长促进了铸造企业的发展,但是环保和高能耗问题也成了其潜在的威胁。绿色铸造是铸造企业发展的必然方向,因此为了生存以及保持较高的竞争力,铸造企业必须从多方面、多角度、全方位实现绿色化。

  一、铝合金环保精炼材料及技术

  由于炉料和铝合金液在熔炼、转运、浇注过程中吸气和产生夹杂物,使得熔体纯度降低、流动性变差,从而导致浇注后铸件缺陷的产生,影响力学性能、加工性能,以及抗腐蚀、气密性、表面质量等。

(1)为获得纯净的铝液,一方面要“防”也即熔炼前充分准备。

  炉料去水、去油污、预热;熔炼工具的清理、涂刷涂料、烘干预热;合理选择回炉料及用量。如预防得当,可以简化随后的精炼过程,从而降低精炼对环境的污染。

  (2)净化铝液,另一个方面是“除”,也就是精炼。

  铝熔体中的氢和氧化夹杂(主要为Al2O3)同时存在,而且有着很强的交互作用,铝液中的含氢量受夹杂含量的影响很大,当夹杂含量为0.002%和0.02%时,相应的100g铝含氢量分别为0.2cm3和0.35cm3。在含氢量相同的条件下,夹杂含量越高,针孔率也越高。因此,除气和精炼两个工序多合并在一起进行,故习惯将这两个工序统称为精炼。

精炼过程中存在的污染及应对方案:

  氯气是活性气体,它对铝液的除气包括了物理和化学的双重作用,因此除气效果好,而且除Na的效果也比较好,但是氯气有毒,而且对设备具有腐蚀作用,所以采用氯气以及产生氯的盐类(如六氯乙烷等)精炼时,会对环境带来严重的污染。

  氮气为惰性气体,对环境无污染,它的除气原理主要是依靠物理的吸附作用。考虑到环保问题,人们采用氮气代替氯,然而,单纯的氮气精炼效果并不如氯的效果好,为此人们采用混合气体,如N2+Cl2+CO三气精炼,既保证了精炼效果,同时又减轻环境污染。另外也采用以氮为载体的熔剂喷吹,以及目前广泛应用的旋转除气方法。

  对于Al-Mg合金,Mg容易与N发生反应形成氮化镁夹杂,因此对于高镁的铝合金往往不采用氮精炼。采用六氯乙烷精炼时,配料计算合金成分时Mg取上限,经验烧损值取上限,六氯乙烷量也需要增加。

  对于精炼剂,主要有氯基和氮基两种,因为HCl、Cl2等污染环境,恶化劳动条件,氯基精炼剂正在逐渐被禁用,因此无毒的氮基精炼剂越来越受欢迎。

  通常来说,无毒精炼剂是靠NaNO3、KNO3和C等反应放出N2、CO2、NO气体起净化作用,另外附带冰晶石和氟硅酸钠等,既起缓冲作用又起精炼作用。无毒精炼剂的环保优势使得该类精炼剂得到了良好的发展空间,涌现出了各种新产品。如DEGAFFEX A是一种新型的氮基除气片,用量小,烟量少,对环境的冲击性小。

  熔剂精炼,通常是采用碱或碱土金属的氯化物、氟化物的混合盐吸附熔体中的氧化物,破碎疏松表面膜,促使氢逸出。其按主要作用通常分为覆盖剂、除渣剂、打渣剂、清炉剂等。上述盐类通常包括NaCl、KCl、Na3AlF6、K3AlF6、Na2SiF6、NaF、CaF等。NaCl与KCl可形成低熔点共晶混合熔剂,Na3AlF6、K3AlF6、Na2SiF6可以进一步提高混合盐吸附氧化物的能力,CaF等氟盐可以提高熔剂与铝液间的界面张力,使熔渣呈粉状易撇清。需要注意的是,为防止“钠脆”,含高Mg的铝合金不采用含Na的熔剂精炼。

  大多数熔剂是呈粉状,使用时容易产生粉尘,不但造成损失,而且恶化工作条件,对操作人员有很多的危害性。因此,人们开发出颗粒状熔剂,不但用量小,成分均匀,而且生态环保。如圣泉公司的SCOREX GR 170和不含Na、Ca的SCOREX GR 800。

  另外,一些环保的精炼技术还有稀土精炼、真空、电磁搅拌、过滤净化等技术,其中过滤净化技术是目前发展快速的先进净化技术,应用越来越广泛。

  二、压铸技术及涂料

  压铸,通常是指高压铸造技术,其优点是获得铸件的尺寸精度高、表面粗糙度值低,铸件的强度和表面硬度高,生产率高。其缺点是液体合金充型速度极快,型腔中的气体难以排除,使铸件内部致密性差,不易热处理。压力铸造由于压射比压高,需采用金属型芯,所以铸件结构和尺寸受到一定的限制。压铸相对于砂型铸造来讲污染小,压铸件在铝铸件中的产量最大,因此克服压铸的缺点,进一步推广其应用具有重要的环保意义。

在压铸过程中,需要对型腔内壁、型芯表面、模具和压铸机的摩擦部分(如滑块、推出元件、冲头及压室)等喷涂的润滑材料和稀释剂的混合物,通称压铸涂料。压铸涂料种类很多,按大类可分为油基、水基和粉体涂料。油基涂料润滑性好,多用于冲头;而水基涂料(又称脱模剂)除润滑、脱模作用外,可以调节模温,提高生产率,在压铸中得以广泛应用。脱模剂在提高铸件质量和成品率等方面有着重要的作用,下面进行详细介绍。

  喷涂脱模剂是为了在型腔表面形成一层膜与液态金属隔离。因此,对脱模剂的谨慎选用与合理的喷涂操作是保证铸件质量、压铸模寿命、生间效率的一个重要因素。

  1. 压铸脱模剂的作用

  (1)使液态金属充填流畅,有利于成形,防止粘模、焊合,使铸件获得光亮、光滑、平整的表面质量。

  (2)保护模具,避免液态金属对模具表面的冲刷,降低模具的热导率和模温,延长模具的使用寿命。

  (3)开模时,有利于铸件顺利脱模,减少对冲头、顶杆、活动部位的摩擦和磨损。

  (4)通过传递散热调节模具温度。

  2. 对压铸脱模剂的总体要求

  (1)高温时,能保持良好的润滑性能。

  (2)挥发点低,在100~150℃时,稀释剂能很快地挥发。

  (3)对模具及压铸件材料没有腐蚀作用。

  (4)性能稳定,在空气中不会因稀释剂很快挥发而变浓。

  (5)无特殊味道,热分解温度要高于成形的模具温度,在高温时不析出或分解出有害气体,发生炭化结诟现象。

 3. 压铸脱模剂的成分

  一般来讲,水基脱模剂基本成分是矿物油、石蜡、添加剂等十几种原料经乳化制成。脱模剂的成分选择与配比对其使用性能影响很大,微量的成分改变可能会造成性能的巨大差异。特别是很多锌合金产品,由于要作表面处理,因此需选择不含硅、蜡的脱模剂。

  目前,由于合成、半合成的脱模剂具有优异的综合性能和环保性,因此表现出很好的市场前景。例如,圣泉Luburax z产品是基于高分子聚合物和有机改性硅氧烷乳液的合成脱模剂,不含甲醛、苯酚,不析出和分解出有毒气体,对环境污染小,耐高温(340~390℃),无结垢,具有优异的脱模性能。Luburax colate 351是基于矿物油和聚合物的半合成乳液脱模剂,具有优异的脱模性能,化学稳定性好,不产生污垢,对环境影响小。

  4.脱模剂使用效果的影响因素

  (1)浓度(稀释比例) 每种脱模剂都有一定的稀释比例范围,如兑100~200倍水。涂料的的稀释比例是一个重要的工艺参数,可根据铸件的大小、复杂程序、厚度进行选择。生产大件及薄壁、复杂件时,稀释倍数要低些;小件、简单件,稀释倍数要高些,可通过试压时来确定最适当的稀释倍数及喷雾量,用比色计定期对浓度进行检查。脱模剂浓度过低,皮膜太薄,不足以抵抗液态金属热应力的冲刷,结果导致粘膜,脱膜不顺;而浓度太高,又令皮膜太厚,影响铸件表面粗糙度,并会造成型腔中涂料堆积,脱落后进入液态金属中导致气孔产生,多余的涂料还会堵塞排气通道。

  (2)雾化效果 良好的雾化好比是“微液滴”的细雾,雾化良好的涂料比雾化不足的涂料能更有效地铺散在型腔表面。雾化效果取决于喷射装置管路压力的控制。

(3)模具温度 这是影响涂料吸附在型腔表面效果的一个参数。模具温度太低时(低于150℃),喷入的涂料迅速降温到水的汽化点以下时,涂料就无法沉积在模具的表面,从模具表面流淌,无法形成皮膜,而且过多的水汽还会使铸件产生气孔。模具温度太高时(超过398℃),喷入涂料则被模具表面蒸发汽化、反弹,没有润湿效果,即温度尚未降到润湿温度。因为只有达到润湿温度时,雾状涂料滴才能真正与压型表面接触而最终形成皮膜。模具温度以控制在180~200℃为好,模具温度在270℃以下时,喷涂1s内即形成皮膜。

  (4)喷射距离、喷射时间 为了保证模具表面形成均匀皮膜,涂料要雾化超细,均匀分散,附着力强。同时要优化喷射距离,距离过小时,由于喷射流速过高,会使脱模剂反弹造成流失;但距离过大时,雾状涂料将融合成大的液滴,下落时的冲击力可能会破坏皮膜的均匀性。理想的喷射距离为100~200 mm。 喷射时间在1.0~2.0s,可足以形成足够厚的隔离膜。采用自动喷涂时,如果模具形状复杂,需注意喷射不到的地方,控制喷射角度。如果采用手工喷涂,则要求操作者熟练地按规范操作,以免因为喷涂操作的随意性,而造成压铸件质量不同。

  三、金属型铸造及涂料

  金属型铸造是在重力或低压下将铝液浇入金属铸型中凝固成形的工艺方法,既可以采用金属芯,也可以用砂芯,具有较好的尺寸精度,以及较低的表面粗糙度值,采用砂芯可以铸造结构比较复杂的铸件,且可以进行热处理。

  在金属型重力/低压铸造过程中,金属型涂料的使用必不可少。铝合金砂型铸造时通常是采用醇基涂料,相对来说金属型采用水基涂料表现出更好的环境友好性。合适的选择与应用金属型涂料,或将涂料进行合理的组合,与铸造工艺设计、合金的熔炼同等重要,是获得优质铸件的一个必要条件。

  1.金属型涂料的基本作用

  (1)保护金属模具,延长模具寿命。

  (2)利于铸件脱模,防止粘结和氧化物堆积。

  (3)控制铸造合金与金属型间的热传递。

  (4)改善铸件表面粗糙度。

  2. 金属型涂料的分类

  目前,金属型涂料按功能可以分为三个类别:绝热涂料、半导热涂料、导热涂料。

  (1) 绝热涂料 涂料的绝热性能主要取决于涂料成分、厚度、涂层的空隙率。涂料通常以水为载体,以水玻璃等为粘结剂,耐火骨料包括滑石粉、云母、硅藻土及氧化钛等。耐火骨料导热系数越低,保温性能越好;涂料颗粒相对较粗,在熔体和涂层间形成气隙,减小了熔体与涂料的接触面积,从而提高了绝热性能,同时相对粗糙颗粒形貌可以破坏铝液表面形成的氧化膜,改善金属的流动性,防止铸件的缺肉和冷隔。

  基于以上信息,根据不同要求,可以研制出不同功能的涂料。如VERNIX Al 14具有高的保温性能和中等的表面粗糙度值,可用于浇注系统的保温;VERNIX Al 280能够保证铝液较好的流动性;VERNIX Al 64主要用于铸件表面质量要求高的情况,如汽车铸件,尤其是轮毂。

  (2) 导热涂料 通常含有石墨、氮化硼等骨料,以提高脱模性能,主要是用于脱模要求高的情况,也用于模具的活动部位的润滑。如VERNIX Al 11。

  (3) 半导热涂料 半导热涂料以石墨和其他绝热耐火材料为骨料,因此具有综合的绝热和脱模性能,而且粘结强度高,使用寿命长。如VERNIX Al 36。

  3. 金属型涂料的应用

  (1)涂料施涂前清理金属型 对于新铸型,仔细清理润滑油污和机加工时粘附的碎屑。对于已用过的铸型,需要去除以前的涂层,尤其是注意一些难清理的深孔和角处。清理完毕后,避免模型腔表面接触油脂等污物。

  (2)模具预热 模具预热到250~280℃,为了使模具加热均匀,推荐模具加热在预热炉内进行,如果采用火焰预热,火焰不要正对模具内表面,而是背面。注意模具不能过热太高,否则涂料内水分挥发过快,影响涂层结构的均匀性和粘结强度;模具温度也不能太低,否则涂料会流淌,造成涂层厚度不均。

  (3)施涂涂料 当预热到制定温度后,降温至200℃左右,然后涂敷涂料(通常为喷涂),涂层厚度通常为200μm左右。喷涂压力一般为200~300kPa(2~3 bar),喷枪与待涂面的距离保持在20~30cm,距离太近时,涂料会有沉积趋势,干燥速度慢,造成铸件表面出现条痕,距离太远时,涂料中水分提前挥发,牺牲了涂料的粘结力。喷涂时,注意快速移动喷枪,从不同角度喷涂,喷涂多而薄的涂层,而不是较厚的一两层。

  四、展望

  中国已经成为铸造大国,但并不是强国,相对于发达国家,铸件质量总体不高,出品率较低,铸造企业能耗高,污染严重,行业发展还面临着严峻的考验。因此,在不断加强管理,增强意识的同时,提高铸造技术水平,开发先进的绿色铸造技术及材料,是铸造行业当今的主要任务。