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压铸镁合金热裂纹倾向研究

作者:admin 来源:原创 发表时间:2013-06-25
文:Klaus peter Tucan
Pefer Hofer
 
在汽车工业领域,镁合金的应用迅速发展。尤其是结构性功能构件,由于镁合金轻,多年来甚至代替铝压铸构件,取得了巨大成就。采用压铸工艺生产高承载构件,对合金铸造工艺特性(充模能力、孔隙度倾向,热裂纹敏感性等)提出了许多要求。新开发的镁合金,扩展了常用镁合金业务量如:AZ91 或AM60,应通过添加特殊的合金元素,如:稀土元素,满足这些要求。
铝合金改成镁合金,是认真考虑两种合金族的工艺特性及差别。为此,浇注过程冷凝时间间隔,熔化温度传导热裂纹倾向以及冷流状态,则是必须考虑的几个关键方面。
奥地利铸造研究所(Leoben)与奥迪公司(Ingolsfaolt)一起,对所提问题之一—热裂纹倾向进行了研究。为此,设计了一个压铸模具,此模具可有针对性地在各种壁厚构件范围引起热裂纹。特别要注意的是,通过改变浇注参数及对模具调温处理也可以影响热裂纹。
一、理论基础:
热裂纹的形成,从20世纪初以来,就是大量研究课题之一,有相当多的解释及评估,所考虑的是热裂纹的原因,发展、增长以及热烈纹形成的边界条件。文献[1]对这样的解释评估有所报导。热裂纹的产生是一个综合过程,多种因素在起作用。本文的论述范围只是简要说明设计试验模具时要考虑的程序。
按照Campbell[2]说法,当在过热点出现局部张力集中时,才会有热裂纹的危险。一个长度为L、热胀系数为α的物体,热膨胀εth按下列方程(1)求得:
          
εth=△L/ Lo=α•△T                                         (1)
          
式中: Lo —起始长度
△L—长度变化
△T—温度差
如果此时整个膨胀集中于热膨胀为a的过热点的范围,这样,可求得过热点内的热膨胀:
      ε =α•△T•L/ a                                  (2)
                 
由方程(2)可知,随着构件尺寸增加,过热点膨胀减小,过热点内延伸膨胀增加。如果将过热点内膨胀集中理解为一个构件热裂纹侵蚀性指示剂,那么,一个热裂纹试件的敏感性随着整个试件膨胀增加而增加。整个构件的收缩,在一个构件范围内全部膨胀就会集中,以此,在微结构面上发生的现象,正是下面图主要说明的。
在过热点内冷凝即将结束时,(流动部分为5—10%)出现由晶粒网组成的结构,通过残余熔化物膜粘结在一起(图1a)。如果晶粒由于外部膨胀彼此分开拉开,这样,就形成彼此隔离残余熔化物池(图1b)。如果进一步冷却,膨胀超过熔化物膨胀能力,那么,晶粒间裂纹就张开。如果此裂纹由于增流熔化物而充填,那么就出现愈合的热裂纹。如果无残余熔化物供给晶粒可用(或者不能进入热烈纹),那么,就出现敞开的热烈纹(图1c)
在裂纹晶核形成中,熔化物内的双膜起着明显的作用[2]。热烈纹的产生不仅决定于几何形状,而且还有一些随机成分。这与熔化物质量,熔化物充模流向相关,在压铸时,对于紊流充模必须注意。
由方程(2)可知,热裂纹的倾向与构件的几何形状,确切地说与构件整体尺寸与局部过热点大小之比有关。因此,裂纹的形成,局部过热点的膨胀至少要在一个方向尺寸受阻。在实际的构件内,热裂纹的产生,大部分是在满足此条件那个位置,如加筋的交叉点。为设计热裂纹试件体,在压铸模具内创造这样的条件,例如,这些条件控制着一组各种长度杆,在这些杆的端部垂直于伸展方向加厚。这样的变粗加厚同时满足过热点形成及阻碍膨胀的功能。在文献中有大量的此种类的试件形状,在此只引用几个最近的例子【3-5】,这些是环形几何形状的热裂纹试件【6】。
二、模具设计方案
热裂纹试件模具的基本方案是在考虑了上述原则情况下实施的。为了只在一个构件中获取各种模内热裂纹侵蚀性,模具作为一套具有不同厚度及长度比例杆件进行设计,杆件在两端有横杆,起着阻碍膨胀及作为材料堆积,以形成过热点的作用。为尽可能准确地说明热裂纹侵蚀性,在设计时要注意,热烈纹只在这些模杆之一中出现。此模杆以下称为热裂纹区。那些不希望有热裂纹的模杆称之为支撑(Widerlager)。数字模拟优化模具方案设计。为达最优化模具,需要4个演变级,在此用MAGMASOFT4.4软件,模拟的只是充模和冷凝,而不模拟构件内出现的应力。各演变级示于图2-5。在第1个演变级(图2),两个杆件总是由共同的横梁彼此连在一起,4个杆件中的长度两两相同。一件中的杆厚度之比为2:5mm或3:6mm,支撑位于浇口附近。由第1级充模模拟得
 
 
 
知,由于不同的充填速度,在各个杆内,经热裂纹区发生回填。这是不好的模具充填,导致热裂倾向随机(偶然)效应。再者,由冷凝模拟可知,在两个厚度比之间冷凝情况差别很小。此外,在热裂纹区远离浇口时,对增压的影响分析研究是不充分的,因为通过杆进行补给是不可能的。   在第2级,对于所有杆件选择的厚度比为3:6mm(图3)。杆的长度分级为80,110,140及170mm。支撑分开,在边棱倒圆,以削弱在此出现的应力。每个杆设计有一个独特的豆状体(Bohne)及通气通道。内浇口通过过渡分级优化流动性。由模流分析可知,由于热裂纹区矩形型式,形成阴影范围。在该范围氧化物,污染物及空气会旋入有可能的热裂区附近,造成结果假象。在第3级(图4)热裂纹区成为具有梯形基面的三棱形。由于在热裂纹区内的流动还不是最优,那么,浇口在第5级热裂纹区位移中间方向(图5)这会提高充填特性。
 
 
在试杆几何形状及充模优化之后,就要考虑模具的调温处理。在此要注意,热裂纹区内形成热裂纹之前,还要停止支撑内的冷凝。为此,设计了一个轮廓接近的冷却,此冷却对于不同的试杆长度都合适。最终的模具几何形状,连同冷却通道示于图6,原先与优化后冷凝的冷凝时间的差别示于图7。图7a为用普通直冷却通道调温模具。图7b为用在图6所示轮廓接近的冷却调温模具。在支撑内局部直通冷凝时间有差别,图8表示两个不同的冷凝时间点,优化试件内所留下的液体夹杂物。
 
三、试验铸件
为进行研究,奥迪汽车公司用4种镁合金,合金AZ91 (MgAl9Zn1)作为参照合金,其他3种合金,在其热裂纹倾向方面与基准结果作对比。用于研究的合金为商业通用的镁合金,这些镁合金微量元素含量变化大。以下所用合金是AZ91 及MG1—MG3。
铸件是用具有实时控制的卧式冷室压铸机(Bühlersc53D,Bühler公司,瑞士UZWil)加工。闭模力为5300KN。在压铸合金时,注意浇注参数的影响。如表1,所列参数,进行系统的改变,总共列了18个不同的参数组试验,V01试验系列是所作试验基础(参考),对于其他各试验系列,相对于V01只改变一个参数(表1绿色数),其他参数保持不变,每个试验系列,提取7个试样进行热裂纹侵蚀性评价。
四、评价方法
以下对评价方法作详细说明。在铸件内不同强度的挤压(Auspraegung)热裂纹的形成与试杆长度及厚度有关。热裂纹的分级是通过对试样半定量评价进行的。图 9所示为试验铸件之一及热裂纹区内几何形状。
 
在每个试杆内出现的热裂纹(前侧及后侧)是由立体显微镜测量及定性评价。每种裂纹归于一定的裂纹长度数,对于闭合的裂纹,此裂缝长度数相当于热烈纹的长度(mm);对于其长度与整个宽度相当的裂纹,增加对裂纹厚度的评价。轻微或严重裂开的裂纹分别归于11或12裂纹长度数。试杆完全通的裂纹以裂纹长度14评价(图10)。所有8个试杆裂纹长度总数得出每个铸件总的裂纹长度。
五、结果
首先研究的是在试杆内现有裂纹是否为热裂纹,那就是说在液—固态过渡区出现的裂纹,肯定不是固态下的冷裂纹或由于顶模力及类似情况造成的损坏。为此,采用光学及电子显微镜。图11表示的为一个试杆纵向轴的磨片及断面电子显微镜照片。光学显微镜照片表示,在厚薄过渡而形成裂纹。由模拟看出主要是沿过热点轮廓进行。断裂面的扫描电子显微照片显示其树枝状结构。不仅通过光学显微,而且可以通过电子显微得以证实。所形成的裂纹与文献【2】中通常的热裂纹特征一致。现用压铸模具方案,用于引发镁压铸件内的热裂纹实际是合适的。
由上述每个构件总裂纹长度测量,获取每种合金及工艺变量的平均值,按合金分类整理,与每次参数变化发生关系。各种镁合金在热裂纹倾向性方面,彼此有明显的差别。然而,多个工序参数的影响十分不一样。对于增压、压射速度及模具调温参数,可以导出一个与其时的值有明显的关系。在闭模(持模)时间及料柄方面,对于所用合金此关系较小。无明显的倾向显示。图12表示与压铸机增压有关的总裂纹长度。对于MG1合金,增压对总裂纹长度有着明显的影响,对于AZ91,MG2及MG3合金此影响较小。图13表示总的裂纹长度与第二速度阶段的活塞速度的关系。较高的活塞速度及相应较快充模以及较短的浇铸时间,对热裂纹敏感性有倾向提高的作用。至于较高的活塞速度,通过改变充模情况,对热裂纹敏感性有多大作用以及温度影响制约程度如何,本研究课
题未作定论。这些结果,通过对其他合金的试验也得以证实。
 
图14表示总的裂纹长度与模具温度的关系,对于所有其他合金总的裂纹长度随模具温度增加
而减少。这表明:在模具温度增加及一定的闭模时间下,脱模温度及相应的杆热收熔较小,对此热烈纹倾也相应减少闭模时间和料柄厚度变化,在所进行试验范围内,未能提供与所出现的热裂纹之间明显关系。因此,放弃了图示说明。在此试验时,闭模时间对热裂纹倾向无明显影响。这可以说明,在试验范围可以实现的最小可能的闭模时间为8秒。(因为要求,料柄在闭模时还要冷透),由模拟结果可知,在该时间点冷凝已经结束。固态杆收缩时,只会存较小部分裂纹的显现,该作用可能为偶然的振动所叠加。类似这样的过程,在确定不敏感性时,与料柄厚度相比有一定作用。
 
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