中国压铸杂志
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压铸模粘铝现象

作者:admin 来源:原创 发表时间:2015-04-25
 在压铸生产中,熔铝粘附在模具表面是很普遍的,铸件顶出后如果还有粘铝残留在模面,生产就无法正常化,并会造成铸件尺寸精度和表面缺陷问题,模具必须修理及导致生产停顿,降低生产效率。因此有需要进一步认识粘铝现象和基理,以便找出方法来减轻粘鋁对压铸生产的影响。
 
粘铝的发生机制和形成原因
    形成粘铝是因为熔铝对铁有很高的亲和性,会在介面形成铁-铝和铁-铝-硅化合物,之后铸铝再直接粘附在化合物上。国外研究认为粘铝是金属间的化学扩散反应,铁元素从模具钢渗透到熔铝并形成铁铝化合物。步骤总结如下:
1.模具表面晶间腐蚀 – 熔铝冲击模具表面较软的晶相;形成渗铝的铁固溶体。
2.模具表面出现点蚀。
3.形成铁铝化合物 – 形成FeAl, FeAl2,Fe2Al5 ,FeAl3 化合物。生产模次越多,化合物增长变大。
4.形成金字塔形的铁硅铝金属间相。金属间相的生长是由铁的不断扩散增大。
5.铝粘在金属间相上。 
 
  

粘铝的出现主要由两种情况引起:
-冲击性粘铝 
铝液高速的冲刷导致表面保护层被冲蚀。这包括浇口位置、或受铝液正面冲击的型芯面。空穴也导致粘铝。铝液从小面积进入大面积引起卷气,气体受压力变化产生冲击波令模面受损;如转角位置或卷气运动路径。
 冲击性粘铝位置
 

-沉积性粘铝 
长时间铝和铁元素在高温下接触产生相互渗透,直接令铝粘附在模具表面。模具持续高温的地方最易粘模,一般出现在喷涂前模具温度有350C以上的位置。
常受磨擦的位置会刮伤模具表面,粗糙面很容易导致粘铝。常见位置如在深腔和拔模角度小的型芯;合金的收缩率越大,磨擦力(包紧力)也大。
铝合金成分和中间金属相
    不同的铝合金粘铝趋向各异。合金成分里,铁和硅对粘铝有重要的影响。铁在铝合金里是有害金属,它会形成文字状或片状型态的铝铁硅金属相,降低合金的机械性能如拉强、延伸、疲劳强度等;铁的杂质含量越高,材料性能越差。但对压铸来说,铁的存在减轻了粘铝问题。好像A380再生铝合金,铁含量>0.6%,却可以有效抑制粘铝,因为高铁成分降低了铁渗透进铝液的速度。在常用的铝硅铜系列如A380、ADC12、AlSi9Cu3合金,铁含量会在0.6-1.3%范围,视乎再生铝的纯度。
硅在铝合金里是最重要的成分,它促进合金流动性(12%共晶铝硅最高),降低收缩率和比重,提高耐磨性。铁在高硅铝的溶解率较低,硅成分的提高会降低收缩率,降低出模时的磨擦力,减少粘模的机会。增加硅含量也降低了中间金属相的成长速度。
添加锰在高性能铝合金越来越重要。高纯度铝合金的铁含量低(<0.2%),容易粘模,需要锰来减慢中间金属相的成长速度。
镍会促进铝铁硅金属相的成长,必须尽量避免。
添加鍶令铝合金对模具钢的润湿性降低,小量添加(~0.004%)会减轻粘铝趋向。
添加钛(~0.125%)也可以减轻粘铝。
杂质包括非金属夹杂物、重金属如铬、镍等,会降低合金流动性,提高的铝液温度增加粘铝机率。
常用铝合金粘模倾向性比较如下:1.轻微,5.严重。
1.共晶铝硅 eutectic AlSi 
2.铝硅铜 AlSiCu 
3.过共晶铝硅 hypereutecticAlSi 
4.铝镁 AlMg 
5.纯铝 Primary Al
    粘铝受不同压铸生产参数影响。现重点介绍几个最重要的因素:
模具/铝液温度
模具表面温度是最重要的参数。高温令铁元素更活跃,加快扩散和反应速度,使粘铝更快出现。同时也令模具表面起退火效应,使软化的表面更容易受冲刷和粘铝。高模温破坏润滑膜也令粘铝容易发生。过高的铝液温度容易粘铝,需要避免。两者接触时间越长,粘铝越多。
模具设计和生产工艺
由于模具/铝液温度过高、铝液冲刷/冲击、磨擦等因素是粘铝的主要原因,要减少粘铝,最好从源头的模具设计着手。就是要避免模具温度过高或形成热节、浇口速度过高、或顶出困难的情况。
突出的型芯是典型的热节例子,这除了粘铝外,同时令周边出现缩孔。型芯被铝液包围,而从铝液吸收的热量又无法快速传递出去,形成热节。因此需要布置足够的型芯点冷器,或用导热较快的模具材料,快速带走热量。太细小的型芯用标准的冷水压力和流量无法通过细管,可以用高压点冷机配合,不过高压点冷的效果比标准点冷强烈,要小心冷却效果太猛导致收缩过大,顶出困难。
铝合金模具的生产温度为180-280C的范围,不能太高或太低。如果缺乏内部冷却,如冷却管道布置不足,或水流量不足,而只靠离型剂冷却,除模具龟裂严重外,铝液和模具高温接触时间延长了,自然容易粘模。一般来说,喷涂前模温达到350C以上的位置都容易粘模。利用模热分析软件可以预测热节位置,合理布置冷却管道。
 
 
 
设计分模时要留意散热效果,避免聚热。同时也考虑管道布置的方便性。
 
 
浇口设计尽量控制在30-40m/s 的速度,太高会冲刷掉润滑层和保护涂层,同时要避免铝液冲击型芯。 
 

模具润滑和涂层
    由于粘铝的成因主要是模具钢的铁元素和合金的铝和硅之间的化学反应,因此最有效的方法是对模具表面做涂层,隔离铝液和模具钢。
有效的防粘涂层必须厚和附着力强,不易脱落;抗湿润性好,铝液不易粘附上;热膨胀率和模具钢相近和导热性低,不容易热裂;硬度高,抗磨和抗冲刷等特点。不同的涂层方式包括CVD、PVD、TD等。此外,表面氮化热处理也可以有效防粘。
其它表面处理如模具表面喷丸硬化,在新模预热时涂上抗焊膏,也可以提高防粘性能。  降
    离型剂的作用是形成润滑膜,促进铝液流动和防止与模具钢直接接触。水基离型剂的冷却作用也有帮助降低模具温度,但应只用于难以水冷或热节区,以作平衡。离型剂的选择很重要,容易粘铝的高温区要选用耐热性高、润湿性好的型号,脱模剂才能高温区粘附。
披覆涂层机
这里我们介绍一种简单、容易使用的模具涂层方式,利用放电加工的原理,把电极熔渗到模具表面的深处,形成强固的扩散层,可以得到较厚的涂层而不会脱落。放电加工的脉宽极短(以10-3~10-1秒的周期, 10-6~10-5秒的超短脉宽放电),虽然电极和工件接触部位的温度達到8000-25000oC,熱量也可充分扩散,热输入非常低 ,因此没有焊接热影响区,不影响模具表面硬度,也不形成内应力,变形,咬边,气孔等缺陷。涂层的厚度和粗糙度可以透过放电参数(频率、电流)来调节;最厚可达0.2mm。
 放电加工技术 涂层附着力强 使用容易
相对于其它涂层方式,披覆涂层的使用成本低,无需专业人员操作;而且可以在小面积局部加工,并在同一位置重复涂层(表面必须清洗干净,最好能用专用模具清洗剂处理);修补大模具无须卸下或拆解,可在生产现场直接使用,灵活性很高。
一般用在模具表面的电极条是碳化钨。碳化钨的硬度达HRC80度,針对熔铝有很高的抗湿润性,而且在高温下保持高硬度,耐磨性能好,减少磨损刮伤,抵抗铝液高速流动令表面冲蚀的机会;形成的隔离层可以防止铝液直接和模具接触。
除了能预防粘铝,披覆涂层还降低表面热应力,涂在容易龟裂的地方,会提高模具寿命。此外在分型面跑批锋的位置涂层,能防止铸件的小毛刺。
 
清洗表面粘铝
    粘铝必须定时清理,以免影响正常生产和铸件质量。比较常见的做法是用人工省模,不过会影响尺寸精度,而且会破坏涂层或氮化层,往后的粘铝更为容易。使用日本DB600专用粘铝清洗剂不腐蚀模具或涂层,快速洗去表面粘铝,也可以清理模面残留的离型剂和积碳。只需在生产现场直接喷在粘铝的位置,或下模后镶块浸泡,处理时间视乎粘铝严重性,无需耗时的人工打磨。是生产车间和模修车间必备工具。
 
 
 
总结
粘铝是影响压铸生产效率的重要因素,必须充分了解其形成才能减轻它的影响。一般发生在模具高温区、高速冲刷区、受摩擦位置。合金成分对粘铝有重要影响。硅含铁量高会减轻粘铝;低含铁量的高纯度合金需要添加锰、鍶来减轻合金对铁的亲和性。周全的模具设计可以减轻粘铝的发生,模具冷却布置和浇口设计是关键。有效的涂层会延缓粘铝,用放电披覆机涂上碳化钨是低成本、简单而又有效的方法。清洗粘铝避免人工打磨伤害涂层和模具,可用专业清洗液,效果好而又节省人力。
 
 
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