中国压铸杂志
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镁合金构件压铸热裂纹成因分析及工艺对策

作者:admin 来源:原创 发表时间:2019-12-02
 
 
文:广东铭利达科技有限公司 陶诚
    摘 要:热裂纹缺陷是镁合金铸件出现概率最大的铸造缺陷,为不良品产生的主因。通过对镁合金构件压铸热裂纹形成原因分析得知,由于压铸镁合金混入杂质导致合金成分偏析,杂质在裂纹处富集而造成该区域强度及塑性降低,在冷却凝固时出现收缩应力集中。为了防止铸件热裂纹现象产生,从合金原料成分、压铸模具温度、合金浇注温度以及留模时间等方面提出了相应的工艺措施。
    关键词:镁合金   热裂纹   压铸工艺
 

 
    镁合金因其密度较小,是实际应用中最轻的金属,具有较高的强度,并具备减震性能好、导电导热性能佳、耐有机物和腐蚀性能好等特点,被广泛应用于轨道交通、深海探测以及国防装备等领域。
    由于镁合金自身可塑性高,在熔融态下具有极高的流动充型能力,使得镁合金压铸成型能最大限度发挥出材料优异性能,所以镁合金压铸制造工艺得到了较大进步,也促进了镁合金压铸业的发展。但目前,在镁合金压铸行业中,因原料质量差、压铸生产工艺不成熟等问题,镁合金压铸构件常出现众多缺陷,其中热裂纹是最为致命的产品缺陷,严重影响到了镁合金构件的安全性,大大降低了铸件力学性能,导致铸件报废率高。
 
    本文以某镁合金 M4139 支架铸件为研究对象,针对其压铸生产中易出现的热裂纹缺陷,分析其形成原因,并就铸件热裂纹缺陷改善提出相应的工艺对策。
 
1、压铸热裂纹缺陷现象
    某镁合金 M4139 型号支架铸件如图 1 所示,由镁合金锭压铸成形,铸件壁厚较薄,体积较小。在实际生产过程中,图 1 中红色框所示的裂纹大量存在,有部分裂纹难以通过砂纸打磨方式来彻底清除,使得

 
铸件存在严重的品质缺陷而不能够使用。M4139 支架铸件累计不良情况统计如图 2所示,其中由裂纹造成的不良品为 74789 片,裂纹不良品占不良铸件累计总数的比率高达71.57%,可以看出裂纹是不良品产生的主要原因。
 


 
2、热裂纹形成分析
    对于镁合金铸件热裂纹缺陷,目前人们普遍认为凝固收缩量、收缩受阻碍程度和补缩能力是最重要的三个因素。但也有人研究后认为,在合金凝固到相固线温度附近时,热裂纹产生是因为由“冲击收缩”而引发的。由长期生产实践总结可以得知,热裂纹现象出现概率最大是从线收缩开始,且在温度点到固相点的有效结晶温度范围内。在合金凝固过程中,因铸件材质、铸件结构形状等原因,铸件各处冷却速度会不一致,因而导致铸件先凝固部分会阻碍尚未凝固部分冷却凝固,导致收缩应力产生;若应力过大,则会导致铸件变形过大;当超过铸件在该温度下的强度和刚度极限时,铸件就会在热节出产生热裂纹缺陷。
    对图 1 所示铸件热裂纹缺陷分析可知,由于大量杂质存在,杂质在晶界处富集,使得晶界处强度与塑性降低;同时,铸件晶界处熔点较低,容易出现快速冷却凝固,导致晶界处产生较大收缩应力,超过了合金抗拉强度,导致晶界处热裂纹形成,使得铸件在裂纹位置产生断裂,对铸件强度造成致命损害。
 
3、热裂纹改善工艺对策
    镁合金铸件热裂纹缺陷的形成是多种因素综合影响的结果,主要受到原料质量、铸件结构形状以及压铸工艺等方面影响。为了改善铸件热裂纹现象,降低热裂纹发生几率,本文从合金原料成分、压铸模具温度、合金浇注温度以及留模时间等方面来探讨镁合金压铸热裂纹改善工艺。
 
3.1 合金原料成分
    镁合金铸件的压铸性能及工艺流程与合金原材料质量有着直接关系,压铸件的使用性能在一定程度上由合金原材料质量决定,所以合金所含材料成分应严格控制在规定范围内,这样才能够满足镁合金铸件用料质量要求。镁合金铸件热裂纹缺陷产生,是由于合金原材料中含有杂质,裂纹产生处是杂质富集区域,杂质存在会直接影响到压铸件的密度,从而降低铸件强度;同时,杂质也会使得铸件
塑性变差,充型补缩能力不足,易产生热裂纹。
 
    镁合金中 Al 元素含量是引起热裂纹的关键,Al 含量过大,会使得合金凝固温度增大,铸件产生热裂纹缺陷的可能性增大;相反,Al 含量过少,会影响到铸件使用性能,降低其力学性能。因此,对 Al 元素含量要进行合理控制,降低铸件热裂纹发生几率,提高镁合金压铸性能以及铸件产品质量。
 
    另外,生产实践证明了镁合金中适量添加 Be 元素,会明显改善铸件热裂纹缺陷现象,但过多添加 Be 元素不符合ROHS 环保要求,且不满足生产制程要求,故 Be 元素含量多少也要严格科学控制。本文所使用的合格镁合金锭材料成分如表 1 所示。
 
    为了避免熔炉因长时间使用而残留的熔剂及氧化杂质增多,还须定期对熔炉进行清洁,降低杂质成分对铸件热裂纹的影响。
 
3.2 压铸模具温度
    压铸模具作为铸造工艺流程中关键的成型设备,模具温度设置是否合理及稳定,对提高合金铸件质量、降低铸件成型报废率、提高生产效率及提高模具使用寿命有着直接作用。
    压铸模具温度过高时,铸件冷却时间会延长,降低铸件生产效率,此时材料强度及塑性会出现下降,容易导致热裂纹的产生;而压铸模具温度过低时,会使压铸件在冷却凝固过程中产生较大温度梯度,铸件凝固速度加快,使得压铸件薄壁处快速凝固;而远离浇道的厚壁处补缩不足会产生缩孔,为热裂纹产生提供了条件。此外,压铸模具温度不稳定,也容易造成模具因长期性热胀冷缩而提前失效,大大缩短了模具使用寿命,增加了企业经营成本。由实践经验可知,模具控制温度宜在 250℃~ 280℃,如图 3 所示。

 
    为了确保模具温度稳定,在对模具温度合理控制外,也要注意防止因添加新镁合金材料时炉温降低,避免模具压铸初始阶段模具温度出现波动。因此,镁合金锭要在保温炉上进行预热,如图 4 所示。
 
3.3 合金浇注温度
    合理的合金浇注温度能够使得金属液具备较好的流动性及充型能力,能够减小氧化杂质混入,提高铸件质量。通常以保温炉内的温度来衡量,一般高于合金液相线 20℃~ 30℃。针对不同形状、结构的铸件,镁合金压铸时的浇注温度应控制在 630℃~ 730℃;较高的合金浇注温度,可以提高金属液流动性,有利于提高薄壁铸件成型能力;较低的浇注温度,则有利于减少厚壁铸件因凝固收缩时所造成的缩孔或缩松;若浇注温度过高,则容易造成金属液因氧化加剧而混入较多杂质,导致铸件致密度降低及脆性增大;再加上过大收缩应力,压铸件非常容易产生热裂纹;而过低的浇注温度,易产生浇不足、冷隔及表面流纹等缺陷。生产中镁合金浇注温度如图 5 所示,预设为 660℃,实测为 656.5℃。
 

 
3.4 留模时间
    留模时间是铸件产生收缩裂纹的重要原因,是指从保压结束时至开模顶出铸件的这段时间。充分的留模时间,有利于模具内铸件有充足时间冷却凝固,使得铸件收缩应力得以充分释放,降低铸件变形及拉裂发生概率,提高铸件强度;但留模时间过长,不仅降低铸件生产效率,还容易导致脱模困难,合金因热脆而引起热裂纹,也改变了铸件的设计收缩量。对于留模时间选择,通常以铸件不开裂前提或变形最小所对应的时间来衡量,既能保证铸件质量,又能最大限度地提高生产效率。本文所采用的留模时间如图 6 所示,留模时间选取为 3s。
 
4、结语
    热裂纹缺陷是镁合金压铸件最为突出的不良缺陷,产生的因素较为复杂,本文以某镁合金铸件支架为例,通过对热裂纹成因进行分析,提出相应的工艺改善对策,并得出如下结论。第一,镁合金原料或铸造过程中,杂质混入使得杂质在晶界处富集,导致合金成分偏析,为热裂纹形成提供了条件。第二,从源头上严控合金原料质量,选用合格的镁合金锭并严格控制铸造生产过程中杂质混入。同时,严格把控对热裂纹形成起到关键作用的压铸工艺参数,最大限度将铸造过程中各种因素对热裂纹产生的影响降到最低,减小铸件热裂纹现象的产生。第三,通过对生产工艺参数调整,镁合金铸件热裂纹缺陷现象已得到明显改善,由此可知,本文针对镁合金铸件热裂纹缺陷所采取的工艺对策是有效的。
 
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