葛 勤

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

微車制動產(chǎn)品鋁合金重力鑄造缺陷分析及改進

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對現(xiàn)有鋁合金鑄件鑄造工藝進行充型過程、凝固過程和疏松、縮孔位置等方面的分析，同時結(jié)合實際工藝試驗的結(jié)果分析，模擬預測出可能產(chǎn)生的缺陷（氣孔、縮孔和縮松），從而判斷澆注系統(tǒng)的澆冒口設置、澆鑄工藝和操作程序等的合理性，并通過工藝驗證進行驗證，從而提供現(xiàn)有鑄造模具和工藝對產(chǎn)品品質(zhì)影響的關(guān)系，并制定了改進措施。

鋁合金;鑄造;軟件Pro Cast2004；DJB-1熔劑；保溫溫度

汽車制動系統(tǒng)，是保證汽車安全行駛的重要保障，制動缸（制動主缸和制動輪缸）是汽車制動系統(tǒng)液壓傳動裝置中的重要安保零件。在制動缸的制造過程中，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，鑄造缺陷造成的內(nèi)部品質(zhì)損失可達80萬元，可見對鑄造缺陷進行分析和改進具有重要意義。

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。這里僅對微型汽車制動產(chǎn)品鋁合金金屬型重力鑄造的缺陷，展開分析并采取改進措施。

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

1 制動產(chǎn)品鑄造缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計

微型汽車制動產(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 常見缺陷成因及預防措施

鋁合金金屬型重力鑄件常見鑄造缺陷成因及預防措施如表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防措施表

3 缺陷原因分析及改進措施

3.1 模具結(jié)構(gòu)

（1）根據(jù)實際鑄造缺陷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和部位，分析模具產(chǎn)生缺陷的原因并采取改進措施。

（2）采用鑄造專用軟件Pro Cast2004對現(xiàn)有的幾種鑄件澆注方案進行充型過程、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 鑄件凝固時間圖

圖4 鑄件縮松縮孔位置預測圖

（3）改進措施及效果。如圖5至圖8所示。

圖5 改進前

圖6 改進后增加暗冒口

圖7 改進前澆口

圖8 改進后澆口

3.2 原材料化學成分和預處理

（1）原材料化學成分。原材料化學成分如表3所列。

表3 原材料化學成分表（%）

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

為保證機械性能的要求，應適當降低原鋁錠中Cu、Mg的含量，Cu的含量可略高于1.8%，而Mg的含量，應盡量接近國家標準規(guī)定的下限0.4%。

另外，鑒于Fe超標的有害作用，應嚴格控制原材料成分，適當降低回爐料比例，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，這個比例也可提高到50%以上。

（2）回爐料的預處理措施不當。澆冒口、澆道等澆注系統(tǒng)，在用鋸床切割時，表面沾有少量冷卻液，對機加工報廢零件雖然會提前進行500℃預熱處理，但是堆放一段時間后，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。

改進措施：機加工零件廢品，應采用高溫加熱燒掉油性物質(zhì)和水分；所有經(jīng)過處理的回爐料應及時回爐熔化，如果在庫房堆放時間超過24 h，則應在熔化前加熱到250℃以上預熱去除水分。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）精煉劑的化學成分分析。如圖9、圖10所示。

圖9 點掃描圖譜

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，不能達到有效的精煉除氫效果。

根據(jù)熔劑各組分的熔點可知，該熔劑的最佳使用溫度700～740℃，如果溫度太低，或使用時間短，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、氣的反應不充分，同時由于熔體黏度大，產(chǎn)生氣泡大，不利于氣泡吸附除氫和氫的擴散，因此除氫效果不佳。

另外，造渣時渣內(nèi)帶鋁量大，導致熔損增大。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，同時采用氮氣除氣旋轉(zhuǎn)精煉機進行精煉除氣，可達到良好的精煉效果。

3.4 保溫溫度對過程品質(zhì)的影響

（1）保溫溫度對氫含量的影響。不同精煉/保溫溫度的含氫量的對比試驗數(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比試驗數(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，同時缺乏足夠的保溫和靜置時間，不利于比重大的夾渣沉降和比重小的夾渣和熔劑殘渣上浮，導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）通過工藝試驗和驗證，確定合理的鋁水保溫溫度和靜置時間。

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，使用一段時間后，表面涂料會局部脫落，這時應及時補噴涂料，否則會導致鋁液增Fe，影響產(chǎn)品品質(zhì)。

3.6 過包和保溫過程

（1）人工過包不利于對鋁液的保護。人工過包過程，對保溫爐內(nèi)鋁水的攪動太大，導致鋁水吸氣和氧化嚴重，品質(zhì)下降；而且這種操作方式，工人的勞動強度很大，員工規(guī)范操作難以有效控制。

（2）對保溫爐中鋁液的保護措施不足。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。保溫時間較長時，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，鋁液吸氣愈加嚴重，鑄件品質(zhì)波動大。

氫在純鋁熔體中的溶解度，隨溫度而變化，當溫度超過純鋁的熔點660℃以后，氫的溶解度急劇上升，遠遠超過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，并不能從根本上截斷吸氫的源頭。

因此，為保證鋁合金鑄件的品質(zhì)，就必須對處于長時間保溫狀態(tài)的鋁液，進行必要的保護和必要的持續(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，流動性變差，在鑄型中極短時間內(nèi)就會發(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，同時補縮不足、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、開模時間。一方面，澆鑄速度過快，是導致卷氣產(chǎn)生氣孔的主要原因，另一方面，開模時間短、鑄件溫度高、強度不足，是導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、手動開模等因素外，澆鑄工用舀勺直接舀時的動作，有時存在不規(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，如果對保溫爐內(nèi)整個鋁液表面形成的氧化膜實施撇除處理，則會破壞鋁液的保護層，導致其中的氫含量升高。

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

4 結(jié)束語

通過對微型汽車制動產(chǎn)品鋁合金金屬型重力鑄造缺陷的原因分析，根據(jù)自身條件采取相應的改進措施，經(jīng)過一年多的實踐運行，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），有效地提升了鋁合金鑄件毛坯品質(zhì)，同時也取得良好的經(jīng)濟效益。

[1]黃恢元，楊長賀，舒 震，趙九夷，曾紀德，周光垓.鑄造手冊·鑄造非鐵合金[M].北京：機械工業(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，研究方向為微型汽車制動系統(tǒng)制造工藝。