薄壁铸造铝合金流动性的影响因素.doc

薄壁铸造铝合金流动性的影响因素 新疆有色金属增刊2 薄壁铸造铝合金流动性的影响因素 刘挺 (新疆众和股份有限公司乌鲁木齐830013) 摘要铝合金及其复合材料的薄壁铸造工艺为航空航天和汽车制造业提供了一个新的机遇,在制备轻型结构材料方面具有良好的 机械性能.薄壁铸造工艺要解决的基本问题是流动性问题.铝合金及其复合材料不仅直接影响材料的可浇注性而且影响其浇注性能.流动 性是一个比较复杂的参数,熔融金属和模具的性能,浇注条件等均对流动性有很大的影响.本文介绍了影响铝合金材料铸造流动性的主要 因素. 关键词流动性铝合金薄壁铸造 薄壁铸件由于其轻量型的结构能够增加有效载 荷并且能减少能量的损耗,因而在航空航天和汽车 制造工业领域有很大的优势.目前迫切需要解决的 问题是满足设计师对薄壁铸件机械性能的需求.铝 合金材料由于其铸造后具有低密度,高的强度系数 和硬度成为薄壁铸件比较有希望的材料.然而,这 些材料的薄壁铸件在模具浇注过程中会产生一系列 的问题.过快的冷却速度会降低熔融金属的流动 性,这使得薄壁铸件的模具空腔完全填充之前金属 过早的凝固,导致不完全填充和气孔的产生.因 此,薄壁铸件铸造生产过程中的主要影响因素是流 动性,其他因素的影响也很重要. 流动性决定因素基本上可分为:(1)冶金变量, 如成分,过热度,表面张力;(2)模具铸造变量,如 冷却速度,过热度,模具材料等.虽然一直在研究 影响铝合金及其复合材料的流动性的因素,然而, 到目前为止还没有可靠的理论模型来解释铝合金及 其复合材料的流动性行为.本文分析了影响铝合金 及其复合材料流动性的各种因素. 1影响流动性的因素 冶金因素是内在的因素,影响各种合金体系的 流动性,包括添加剂,过热度,表面张力以及是否 存在表面氧化物等. 1.1微量添加剂 在同种合金中,成分不同的合金具有不同的结 晶特点,其流动性也不同.例如,纯金属和共晶成 分合金的结晶是在恒温下进行,结晶过程从表面开 始向中心逐层推进,因而凝固层的内表面比较平 滑,对尚未凝固的液态合金流动,有利的阻力小于 合金充填型腔(图1a).此外,在相同浇注温度下,共 晶成分合金凝固温度最低,相对来说,液态合金的 过热度(即浇注温度与合金熔点温度之差)较大,凝固 时间较迟,因此共晶成分合金的流动性最好.其他 成分合金的结晶是在一定温度范围内进行,即结晶 区域为一个液相和固相并存的两相区.在此区域, 初生的树枝状枝晶使凝固层内表面参差不齐,阻碍 液态合金的流动,而且因固态晶体的导热系数大, 液体冷却速度快,故流动性差合金结晶温度范围愈 宽,液相线和固相线距离愈大,凝固层内表面愈参 差不齐,则流动阻力愈大,流动性也愈差(图1b). (a)在恒温下凝固 (b)在一定温度范围内凝固 图1不同结晶特性合金的凝固状态 合金化添加剂对铝合金的流动性有显着的影响. 这是因为组成变化可以影响合金的粘度,表面张力, 凝固区间和凝固模式等.纯铝随着纯度的降低其流 动性急剧下降.Cookseyt~j等人主要杂质元素对高纯 2011年新疆有色金属 铝铸件流动性的影响,可以看出高纯铝(99.)和工 业纯铝(99.7之间流动性有明显的变化. 图2杂质对纯铝砂模铸造流动性的影响I1 图2给出了单独添加Fe,si,Ti元素和复合添 加三种元素对高纯铝的影响.高纯铝和工业纯铝之 间的流动性不同的最主要原因是si的出现,它改变 了铸件表面到内部的凝固模式.因此铝合金的研究 方向分为两部分:(a)流动性较好的不含si的合金, 其组织为柱状晶组织;0o)流动性较差的含si合金, 其组织为等轴晶组织. \/ (a)A1一Cu (b)AI_si --_--I’’ (c)Al—Mg 图3二元合金的螺旋流动性曲线 图3所示为A1-Cu,A1-Si和一Mg的螺旋流 动测试曲线.起初纯铝具有较好的流动性,随着合 金元素的增加其流动性降低,因为合金元素加宽了 凝固范围,改变了凝固模式.随着合金元素的增 加,流动性达到一个最低值,合金材料具有最大的 凝固范围.然后随着合金元素的增加流动性增加直 到共晶点后流动性达到最大值,因为凝固范围在过 共晶区域内又加宽,流动性又降低.图3b所示最 大流动性出现在18%Si处,为过共晶区,(12%Si为 共晶点),最低流动性出现在si含量为5%～处. 图3c为A1一Mg合金螺旋流动距离曲线.Mg含量 达到4.8%之前合金流动性急剧下降,然后随着Mg 含量的增加流动性增加,一Mg合金流动性的峰值 也出现在过共晶区. 1.2过热度 浇注温度对液态金属的充型能力有决定性影 响.浇注温度愈高,液态金属的粘度愈小,而且过 热度高,金属液内含热量多,保持液态时间长,故 充型能力愈强.但浇注温度过高,会增加合金的总 收缩量,吸气增多,易产生缩孔,缩松,粘砂和气 孔等缺陷