中国压铸杂志

高硅铝合金精炼工艺的研发

作者:admin 来源:原创 发表时间:2017-10-31
 
文:广东鸿泰科技股份有限公司   李肇财
 
摘 要: 高硅铝合金是离合器齿轮的主要压铸材料,对该合金材料的熔炼及精炼进行研究和优化,确定最优的熔炼和精炼工艺,对于生产高强度、耐磨、的汽车零部件,促进压铸产业的技术进步具有重要的理论和实际意义。
关键词: 高硅铝合金 离合器齿轮 熔炼 精炼
1 概述
1. 1 目的及意义
近几年来我国汽车工业的高速发展,为压铸产业的发展和技术进步提供了良好的契机。其中汽车“节能、轻量、安全”的发展趋势对发动机缸体、活塞、离合器齿轮等关键铝合金零件的强度、耐磨性及热膨胀性提出了越来越高的要求。因此,我们需要优化铝液的精炼工艺,选择最优的精炼工艺,从而提高铸件的质量,为客户提供优质的产品,促进公司的高速发展。
本研发正是在上述背景下,结合通用汽车公司离合器齿轮的开发而提出的。根据离合器齿轮的合金材料 ADC14,对该合金材料的熔炼及精炼进行研究和优化,确定最优的熔炼和精炼工艺,从而提高产品的质量。本研发对于生产高强度、耐磨的汽车零部件,促进压铸产业的技术进步具有重要的理论和实际意义。
1. 2 国内外发展现状、趋势
过共晶 Al - Si 合金热膨胀系数小、硬度和耐磨性高,是制造汽车活塞、汽缸体、斜盘、离合器齿轮等零件的理想材料。如我国的 ZL117 合金牌号,美国的 A390、B390 合金,日本的 ADC14 等。王泽华等研究了 PM 变质剂和 Al - 10Sr 复合变质过共晶铝硅合金 A390 的组织变化。考察了复合变质剂的加入顺序、加入量对变质效果的影响及变质的长效性。试验发现: PM 和 Sr 复合变质剂的加入顺序对过共晶铝硅合金的变质效果影响很大。先加入 Al - 10Sr,再加入 PM 变质剂时,初晶硅变质效果明显优于先加 PM 变质剂,初晶硅尺寸为 35um。在 PM加入量为 1% 的情况下,Al - 10Sr 变质剂的最佳加入量为合金质量的0. 4% ,变质后初晶硅尺寸为 35μm。PM 和 Sr 复合变质剂具有长效性,变质以后保温 6h,初晶硅尺寸仍然较细小,平均尺寸为 61μm。
铸造铝合金的精炼是熔炼及压铸过程中的最重要环节。提高铝熔液精炼效果的关键因素是精炼工艺和设备的选择,确定合理的工艺参数,选择适用于特定铝合金熔体的精炼设备,是获得低成本、高效率精炼的有效措施。
1. 3 产业化前景分析
本研究中使用的高硅铝合金比一般过共晶铝硅合金有更高的含硅量,通过熔化处理技术、铝液的精炼技术等攻关,提高铝液的质量,降低铸造铝合金在熔炼过程中可能会导致铸件产生一系列的缺陷,如针孔、气孔、夹渣等。以此提高压铸离合器齿轮具有优异的强度和更好的耐磨性,为汽车轻量化的发展作出贡献。作为汽车动力传输部件的离合器总成是汽车的关键部件之一,在汽车的生产制造过程中占据着重要的地位。据美国通用汽车公司预计,2012 年耐磨高强度高硅压铸铝合金的离合器齿轮需求量达到 300 万件以上。因此,为了及时完成客户的订单和提高铸件的质量,需要及时优化铝合金熔炼和精炼新工艺,提高铝液的质量,生产出高质量的铸件,为客户提供优质的产品,提高公司的综合经济效益和社会效益。
2 项目研究
2. 1 研究内容
( 1) 以高硅含量的铝硅铜合金 ADC14 为基础,对高强耐热低膨胀高硅压铸铝合金材料的成分进行优化研究; 
( 2) 以高硅含量的铝硅铜合金 ADC14 为基础,研究具有高强度、高耐磨性压铸铝合金的熔炼工艺及变质处理技术,研究了 Al - P 变质剂不同加入量对初晶硅的变质效果; ( 3) 以高硅含量的铝硅铜合金 ADC14 为基础,研究压铸铝合金铝液的精炼工艺对铝液质量和铸件质量的影响。
2. 2 技术研究路线
( 1) 产品信息。
重量: 1. 15kg,尺寸: Φ154x69. 45mm,气孔要求: ≤Φ1. 0mm,力 学 性 能 要 求: 抗 拉 强 度 ≥ 280MPa,硬 度 ≥ 110HB; 
( 2 )ADC14 铝合金初晶硅变质处理技术的研究。
研究了加入 Al - P 变质剂对初晶硅的变质效果,通过金相对比没有加入 Al- P变质剂和加入量0. 1% Al - P 变质剂时 Si 晶粒的大小、分布及形态可得出: 初晶Si 的形态由粗大的杆状变为颗粒状,大小从 70um 变为 40um,满足客户的金相要求;
 ( 3) ADC14 铝合金的化学成分及温度控制。
ADC14 中 Si 的含量高达 16% ~ 18% ,因而其熔点要高于一般压铸厂使用的ADC12,A380合金。因此熔炼温度设定为 800 ± 20℃ ,机边保温炉设定温度为 710 ±
10℃ 。在如下温度条件下能更好地控制 ADC14 铝合金的化学成分,最大限度地减少硅成分的跳动,保证铝料成分的合格;
 ( 4) ADC14 铝合金铝液精炼时间与温降的研究。
研究了精炼时间与铝料温度的影响,精炼前温度为 820℃ ,精炼时间为 5min/8min/12min /15min 后铝料温度为780℃/ 760℃/ 740℃/ /710℃ ,温降分别为: 
40℃ /60℃ /80℃ /110℃ ; 
( 5 )ADC14 铝合金铝液精炼时间与夹渣的研究。
为了更好地研究转速与夹渣的影响,为此引入了日本的 GBF 精炼除气技术和设备,在其他条件不变的情况下,重点研究了 5min、8min、12min 不同的精炼时间下,通过试验得出了不 同 精 炼 时间 下 的铝 液 密 度: 5min ∶ 2. 65g/cm3; 8min ∶2. 67g / cm3; 12min∶ 2. 70g/cm3;
 ( 6) 铝液精密度与产品质量的研究。
在各种铝液密度条件下各生产产品 300 件,通过 X 光检测和试加工检验,得出了不同铝液密度和产品的质量状况的关系。从 X 光检验结果得出密度为 2. 65g/cm33条件下生产的产品 X 光检验有明显气、2. 67g/cm3条件下生产的产品 X 光检验有轻微气孔,密度为 2. 70g/cm3条件下产品生产的产品 X 光检验没有发现气孔。从试加工图可以得出密度为2. 65g / cm3、2. 67g/cm3条件下产品试加工后有轻微气孔,密度为2. 70g / cm3条件下产品试加工没有发现明显气孔。
在试验的基础上,在其他条件不变的基础上,我们使用铝液密度为 2. 70g/cm3的生产条件,生产了 38000 件产品供货给供应商进行加工验证,客户机加工投入量为38753 件,机加工废品为 884 件,废品率为 2. 28% ,达到了客户的要求( 客户要求废品率 < 4% ) ,提高了公司的效益。
2. 3 主要研究结果
本项目在通用项目高硅变速器齿轮项目的基础上,重点研究了高硅铝合金精炼工艺与压铸产品的质量关系。首先进行材料成分、材料内部结构及力学性能的研究,再进行铝合金熔炼和精炼技术的研究,以及结合产品本体的成分检验、X 光检验以及本厂和客户的机加工检验,最终获得组织、性能、铸件质量均满足要求的高品质压铸件。
具体如下:
 ( 1) 前期通过压铸机、周边设备的选用以及对工艺参数的优化,为后期的研究奠定了基础; 
( 2) 对熔炼温度严格控制在 800 ± 20℃ ; ,保证精炼炼后铝液的温度保持在 
710 ± 10℃ ;
 ( 3) 通过初晶硅变质处理技术的研究,铸件中初晶 Si 的粒径细化到 40μm 以下; 
( 4) 引进旋转精炼机,精炼时将通入压力值为 5bar 左右氮气,并保持每分钟 
600 转以上的转速,精炼时长控制在 12 分钟,使精炼后的铝液的空气含量非常少,密度可达 2. 70g/cm3以上。
3 结语
本研究是基于国外某知名汽车离合器齿轮铸件项目,年产量达到60 万只。若按每个产品 50 元计算,则产值可达到 3000 万元,可实现新增利税 400 万元,经济效率显著。肇地区虽然已形成了比较发达的压铸产业集群,但对于高硅的压铸铝合金的开发应用尚是一片空白。因此,本研究将有助于提高肇庆地区压铸企业在高硅耐磨铝合金材料的开发应用,为未来的大规模开发和利用,扩大市场奠定良好的基
 
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