压铸铝合金的流动性

压铸铝合金的流动性 G.Timelli和F. Bonollo 本文的目的是调查四种不同的压铸铝-硅合金在不同浇注温度下的流动性。真空流动性测试装置采用衡量流动性。分析合金铸造温度不同流量的敏感性。此外，结果表明还要考虑到合金元素镁和硅对流动性的影响。当一种合金被破坏导致废钢增加50%时，就会产生氧化夹杂物。流动性的改变影响到了平整和比较纯净的熔体。结果表明，流动性的合金废钢加入量低于清洁液的加入量。流动性的进一步在温度线性增加范围内580至680uc增加时直到它到达一个最高的浇注温度的高点。 关键词：铝合金，流动性，压力铸造，氧化物夹杂，真空流动性测试 简介：汽车制造商在寻求发现越来越多的减低成本的解决，其中燃油经济性和减少污染物的排放一直是关键问题1。在应用率方面，铝及其合金具有超过其他轻质材料的优势。铝合金的大量需求依仗于若干关键因素，如减少铝的价格，可回收性，改善合金的发展，增加了解的设计和寿命预测，铝部件的良好的机械性能以及亮度之间的相互配合2。使用铝合金来改善铸造过程，允许增加生产，降低循环时间，实现复杂薄壁铸件是一个伟大的贡献。压力铸造（HPDC）反映了这些优势，不同的汽车部件皆可采用这种技术。1，2 另一个重要方面是铸铝的回收可能从不同生产阶段。回收铝屑，重要的是应注意避免氧化夹杂物，其中有一个要注意的影响是不仅在力学性能方面，还对材料铸造有一定影响3,4。一个可能的补救措施可以包括在较高的温度下融化，但这将增加液体中氢的溶解5,6。仔细观察压铸合金开始铸造时需要注意的问题，以便能够避免他们，保证高质量铸件。 在不同的铸造工艺领域，铝合金流动性的相关知识起着关键作用，以获得最高的效率。它决定了不同工艺领域的不同铸造用铝合金。流动性及填充之间关系是明确的，它变的对薄壁铸件更为关键。 本研究的目的是调查一些商业用压铸铝合金的流动性并分析流动性回收铝屑的影响。 关于流动性定义的推论 就铸造用铝合金而言，流动性的定义是液态金属凝固前流动的最大就离7，因此，流动性是是简单的一段距离，比如，毫米。在外部轮廓清晰并且实际图样准确无误的情况下，一般来说流动性是指液态金属流过浇注通道并且充满型腔缝隙的能力。7-9虽然流动性是被大多数承认的，但也有其他可用于描述流动能力的方式比如可铸性。流动性不是一种简单的物理性质，就像密度或者黏性，但是一个典型的复杂件还要涉及到合金在铸造厂模具中表现出的能力8-9。规格参数表中任一种性能都是指液态合金在其容器中遵循一定规则。液态金属由于其黏性很低会发生快速变化，比如低于1-15Mpa的A356合金。8,10没有浇满型腔是由于过早凝固而不是黏性太高。加热条件和凝固方式是影响流动性的关键因素。流动性的概念同样要考虑其他方面的因素。7-9 铸造流动性不应该跟其物理化学性能相混淆，因为流动性是黏度倒数的准确定义。7铸造中的流动性是Bastien等人根据液体黏性而出来的。 流动性的测试 因为流动性是以一种特有的配置实验测量所得，所以铸造厂工人都会用各自的方式测得流动性的具体数据。两种普遍的方式是砂型铸造流动性螺旋线以及真空流动性实验。在砂型铸造流动性螺旋线实验中，金属不断的由截面积很小的空间进入螺旋状的通道。在真空流动性实验中，熔体被吸入玻璃或金属管以进一步减少压力。真空流动性测试提供了两个优点：它可以在玻璃管直接观察金属流动，还有就是比铸造砂螺旋浇注的简单。9一个缺点是，砂模通过使用玻璃或金属型壁拥有不同的热梯度和成核条件。9 一些研究进行了铝合金的流动性及其影响因素的探讨。然而，现有的结果有时是矛盾的或者不匹配；由于研究人员往往应用不同类型的流动性测试，这些测试条件并不总是一致的。7,12Niyama等人使用真空流动装置对于A356和铝硅二元合金的流动性和各种工艺参数的之间关系进行了研究。他们在测试中展示了这些合金的流动性的线性增加不仅与温度，而且还与模具直径和吸入压力有关。流动性模具涂层和惰性气体的使用也观察到的一个增量值。坎贝尔表明，同一模具材料进行不同类型的流动性试验可以得到一致和等效结果时，还要考虑到提供的表面张力和铸造模量（即铸造的数量之间的比率和冷却面积）。 影响流动性的变量 铝合金化学成分是影响流动性的一个因素。硅在硅铝–二元合金中的含量，例如，流动性的增量所造成的固化硅的潜热，这是相对自然界中铝最高含量约5倍以上。铝–硅系统流动性在硅的重量占11%时未达到平衡共晶高峰，但在硅含量占15%时达到。7,13-16一般来说，根据国际合金标准，波动的合金组成可以显著影响铸造合金的流动性，并把重复性误差引入到铸造工艺。17尤其在A356合金中似乎唯一极大地影响流动性的因素是：增加镁含量以降低金属的流动性。Di Sabatino等人18的说，铁含量在0-23%时不施加任何影响流动性的因素，时为最高水平。然而其他作者则强调说对铁液的流动性金属在凝固的最后阶段在渠道发生阻挠时形成的合金枝晶显示了对流动性有害的影响。Kaufmann等人17指出合金元素的增加似乎由一种矛盾的行为所产生：一方面 总热含量的增加可能对合金的流动性产生积极的影响，以减缓凝固的时间；另一方面，由于粘度增加所产生的固化后的金属间化合物的形成对于流动性会产生负面的影响。Chirkov等人映射的铝-铜-镁合金的流动性分析了铜和镁的影响。 另外两个影响流动性的因素是铸造温度和热量的融合。虽然文献报告的结果得到了不同的测试程序，但是现有的数据对温度和热融合对流动性的影响都可以确定熔体过热对流动性的影响。7-9,12,18,22-24流动性和过热温度之间发现存在线性相关性。8-9,12,17,22-25流动时间的控制可以被解释为影响凝固的根本，发生凝固之前由于过热，确定数量的热量发生消散。8,24 Flemings提出的数学模型显示可以用以下简单的方程来确定流动长度 ............（1） 其中A表示模具横截面积；V是流动速度；fers表示固体部分的流停功；H表示凝固潜热；C表示金属的比热； 是熔体过热度；h表示传热系数模具及金属间的；S是模具渠道的周长；To表示室温；B一个取决于热传递系数和抗热流的常数（金属/陶瓷界面）。 该模型是基于以下假设： （1）固体颗粒与液体在流动通道和下游流动 （2）（二）流动停止时，固体部分的流动速率达到一定值（临界固相率） （三）流动的速度保持不变，直到流动停止。24 方程（1）说明了许多重要的变量会对铸造的流动性产生影响。例如，它说明凝固潜热，熔体过热和流动速度的增加会导致流动性约线性增加。 晶粒细化对铸造铝合金的流动性的影响进行了不同的研究，然而，在这种情况下公布的结果似乎不被认同。 Dahle等人在砂模螺旋试验时现了一个流动性复杂的变化的现象，实验采用向铝重量占7%的硅–镁合金和铝重量占11%硅镁合金连续加入晶粒细化的铝钛5硼1合金。合金的流动性行为是通过添加细化晶粒和部分枝晶搭接固体的合金凝固范围来分析解释的。另一方面，以硼来代替观察而获得的是没有统计学意义的结论。Di Sabatino等人在铝含量为7%的硅–镁合金使用类似的试验装置。最后，Kwon等人报告说流动性可以改善晶粒细化，特别是在低温浇注铝含量为4.5%,铜含量为0.6%的系统中。 图1 立式流动性测试装置 Di Sabatino等人和Kwon等人认为对于商业铝合金A356来说，氧化物夹杂的影响，其中的一小部分是由于增加污染合金废料，还有就是氢含量的增加。即使氢含量没有明显影响铝合金A356的流动性，但是如预期所料，孔隙度增加了。其中的氧化物夹杂会降低流动性，特别是在低浇注温度，但夹杂物含量和氧化物熔体的添加比例不影响流动性。 近期，进行了对压铸铝合金的流动性的研究。据透露，在特定温度下流动性随固相线长度的增加而减少。重力铸造条件下，流动性随凝固线变化与之前的观测报告相反。 实验 流动性测试装置及实验程序 图1显示了图的立式真空流动性测试装置。用电阻炉和石墨坩埚来熔化合金。为了控制不同的类型熔体的温度（镍铬热电偶–铝），需要连接到一个数据采集与控制系统，并且分别将熔化的金属插入炉墙和内部。流动性试验之前一旦设定温度达到稳定，在顶部融化的浮渣必须手动清除。压铸铝硅和铝硅铜合金注射温度通常为最小620°C最大达到700°C，试验的温度范围是580-760℃并以13℃为递增量。所有实验熔化过程所用熔融法都是相同的以得到最后的流动性。7,8,30-32 试管为不锈钢钢；管尺寸（长度，内径，壁厚度）500X9X1毫米。流动性测试前试管不预热，也没有涂绝缘材料；测试后每管都不能重复使用。融化后在测试管下滑到20毫米时 ，管内自由端产生了连接管的真空泵。在整个测试持续时间内，大气压力（典型铸造条件）需要不断进行监测并且保持不变。压力传感器，针头和球阀门控制系统内压力和压力值并且显示在数字压力计。 从目前的工作来看，流动性的合金最大上游长度是从流动的金属管熔体表面到凹坑处。 压铸合金 四种商业用铝-硅合金中使用了这项工作。如表1所示，合金的每个化学成分都需要利用原子发射光谱仪检查熔体样本。铜，镁，锰，硅，锌被添加到商业铝合金中以增加强度。锌在铝中的溶解度最大，而大多数其他合金元素会导致形成微观结构的金属间化合物。铁是始终存在于商业铝合金中的有害微量元素。铁的存在是有害的，要尽最大努力尽可能保持其含量较低。然而，在压铸合金中，铁是必须存在的以避免模具发生焊接。常见的典型压铸合金在二次合金元素中常采用加入一些。 氧化物夹杂对流动性的影响 表1 本实验中四种不同合金的化学成分，重量百分比 表2 商业和污染的合金废料的化学成分，重量百分比 熔体准备采用含50%废料的1号合金。表2显示了化学组成。源自压铸的的铝–硅合金废料不可以在进行压铸，浇注和浇注系统和溢流。流动性的纯净液体容易被污染。氧化物熔体的数量和尺寸都会影响熔化过程，在这里他可以用来说明，所有实验都可以用相同的熔化方法来排除影响流动性结果的因素。7,8,30-32 图2： 用于显微镜和沿轴线切标本的试管样品位置 样本取自试管的顶部，沿轴切片（图2）并准备微观结构的研究。光学显微镜可以进行显微分析和定性评估氧化物的规模和数量。 统计 在浇注温度的范围内，平均流量的长度与浇注温度近似是一个线性函数的关系，可用下列方程式表达： .................（2） A,B值最佳的计算方法是最小值的平方，然后在实验和功能数据之间取一个最佳值。最小质量的平方乘以原始测量数据得到判定系数R2： .............(3) 式中的xi表示的是离散系数，g(xi)是表示的是回归函数，f(xi)表示的是相应的实验测量值，f(xi)表示的是实验数据的平均值，当R=1的时是最适合的。 流动的重现性的测试有5个系列，即四个系列的测试是在不同的铸造合金中进行，而最后一次的测试是用在合金中加入50%的废钢进行实验。每次的测试至少要14次测量流动性。测试流动性是计算每一次的测试重现性的概率，即： ................(4) 统计结果显示不同的合金的流动性是不同的。皮尔逊相关系数对合金元素进行了评估，不同的合金元素的浇注温度大概在645℃，不同的合金浇注温度也是不同的。皮尔森（有时也称为皮尔森积差相关系数）反映了一定程度的线性关系。皮尔森的相关性的表示关系有很多种表示方法，一种常用的公式如下： ..................(5) 式中的x,y是两个变量，n表示是实验的序数。皮尔森系数的范围有+1到-1，+1到-1就意味着两个变量是典型的正面和负面的线性关系。当相关数为0时表示两个变量没有线性关系，统计显示皮尔森系数的水平值（有时也称皮尔森指数）。更多的从理论上讲，该水平是错误的，目前的研究工作，具有很高的研究意义，认为当p的含量低于0.05时，两变量之间的关系有5%的概率是偶然的。 压铸铝合金流动性的结果与讨论 图3  每种合金的流动长度与浇注温度（线性适合也显示） 图3显示了从流动性测量使用真空流动性测试中所取得的成果。浇注温度对不同种压住合金的流动性都有明显的影响。1号和2号合金钢，在较低温度下的流动性具有相似性。但当浇注温度从600℃上升到760℃时合金表现出不同的行为。而1号合金流动性从210增加到330毫米，同时2号合金增量只从230到318毫米。同样的条件也适用于3号和4号合金，其成分主要区别是不同硅量。在温度范围600℃到760℃内3号合金流动性增量为67%左右，而4号合金流量值为从180增加到290毫米。这些实验结果表明，1号和2号合金的流动性要高于其他两种。这可以通过两个方面来解释：合金拥有不同的热含量以及凝固方式。17,28,35比如，Kaufmann等人关于铝硅9铜3合金的受热性极限的研究显示，含热量高于700℃时，由于过热合金成分将上升40%，而这种合金显示出高于最低极限14%的热含量。另一个重要的方面是合金凝固方式的分析。1号和2号共晶合金一样都没有明显的树突，3号和4号合金在液相线温度会出现 α-Aldendrites现象。唐等人建议，共晶凝固形成的共晶和金属间化合物以矩阵形式排列，同时没有隔离的金属间化合物储存在剩余的液体中，在亚共晶合金形成的树突和溶质丰富了液体金属间化合物，并且减少枝晶间流动通道阻塞。 流动性是线性拟合的最小二乘法的结果。如表3所示为拦截的斜坡，A和给出的方程B。相关系数R2也列在表3中。观察到曲线的斜率是每一个不同合金的硅含量的降低量。其他报告显示，浇注温度的变化对熔体的流动性的影响最明显。7-9,12,17，18，22-25 然而，铸造温度的不断增大也会增加熔体中氢的溶解。那么就会在冷却的过程中解放更多的氢气，铸件就会产生更多的气孔。高于1000℃时氢在铝液中溶解度会超过40毫升没千克。如果在融化环境中不含有氢可，熔体的瓦斯含量就不会增加，不受温度的影响。在实践中，由于环境中永远存在一些氢，为了很好的控制气孔的数量，必须优先在高温下进行浇注。因此压铸合金熔体要在尽可能低的温度浇注，特别是在浇注系统良好的情况下。图3显示了每个合金铸造温度对于不同流量的敏感性。 表3  流动性试验的统计 表3同时对每个测试进行了重复性系列实验。真空流动性测试装置显示出现一个平均值为7.3%，这是综合考虑多种因素得到的一个相当好的数据。 图4  合金元素对于压铸合金流动性的作用 表4  皮尔森的相关研究成果 皮尔森的分析揭示了浇注温度在645℃时流动性的合金中硅和镁之间数额的严格相关性（表4）。硅对于流动性具有积极的影响，由于凝固潜热，镁含量从0.093%增加到0.206%将导致减少的熔化金属流长，如图4所示。 到目前为止，皮尔森的研究工作，并没有发现任何可靠的关于铁和锌的含量对于流动性的影响；磷的含量相对于铁和锌分别为0.98和0.57。另一方面，Di Sabatino等人，Mbuya等人和Gowri等人 加入大量的铁和锌以降低熔化金属的流动性。铜和锰对于流动性的影响在于，锰在645℃时对流动性有积极的线性影响，而铜则随温度上升对流动性产生副作用。不过，统计分析表明磷的含量高于0.05(锰和铜的含量分别为0.10和0.12）到可以保证上述要求为止。Sheshradri等人关于合金元素对于纯铝流动性的影响说明钛，铁，锆等元素会减少铸造流动性，同时铬，锰和铜也有轻微影响。 一般来说，合金的化学成分会影响其凝固范围，即液相和固相线凝固温度之间的间隔。凝固的范围在铸造中起着重要的作用，因为它同时影响铸造的性能和缺陷。Flemings表示凝固方式对于凝固范围有强烈的影响，研究显示凝固方式会显著影响熔体的流动性。在纯铝中，稀释合金共晶凝固，流动性试验的凝固方式似乎是由模具的壁向中心凝固。 杂质对流动性的影响 图5显示了杂质对1号合金流动性的影响，一般情况下，有杂质的比正常的金属合金的流动性要低，虽然660度含有8%残余物会降低材料的流动性，分别在660度和750度的浇铸温度。在580到680度之间增加温度线性流动达到一个稳定的水平，在较高的温度下浇铸就会出现如图5中出现的一条拟合曲线证明合金中的残余物。有一种可能来解释这种在较高的温度下获得氧化物和夹杂物搞的形成率。此外这种效果可能在高温下保持一段时间。事实上是因为其重量比合金溶液重。如果熔体在一个固定的条件下，他们可以浮动在熔体的表面或者沉到溶液的底部。然而更大的领域感应震动的起源，在更高的温度下课放在坩埚里。 在这种情况下，可通过流量的数据来确定线性，如同以前的铝合金。由此产生斜坡A和截距B和R2系数的确定。可见表3.边坡的意义，特别是显示了含有夹杂物的合金比表面清洁的合金的热敏性低。R2值为这种情况提出了依据。进一步调察出表面光洁的试样。通过浇铸温度发现1号没有氧化物和其他的夹杂物。而熔体中的夹杂物有50%，有明显的氧化物。一次得出的结论是有夹杂物的的钢对熔体会产生多的氧化物，为了减少这种情况，减弱熔体的流动性的关键是边角的流动。表面清洁的试样不需要质量的保证。但定性分析氧化物污染的熔体的规模和数额的是光学显微镜获得的，结果表明，氧化物含量显着增加浇注温度。图6显示的光学显微镜样本的试管在不同浇注温度。 图 5  杂质对于1号合金流动性的影响 图 6  样品的光学显微分析 结论 1。在不同浇注温度下研究了铝-硅压铸合金的四种不同流动长度。共析合金（1号和2号合金）与亚共析合金的流动性不同，它们对于浇注温度显示出了不同的敏感性。在合金化学成分方面的分析说明镁和硅对流动性的影响。 2。分析研究了杂质对于常用铝-硅压铸合金的影响。杂质除了来自压铸合金中不可铸造部分，还包括浇注和浇注系统以及溢出的相同合金。此外，氧化杂质的增加会降低熔融液的流动性。 被污染的熔体流动性要低于其纯净液的，温度在580℃到680℃之间线性增加，直至达到较高的浇注温度。这种现象可以被解释为固限象临界点的降低，这是气流通道中存在氧化夹杂物的原因。摇晃的熔体反过来增加了氧化物的量，它被包裹在坩埚内部。