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合金汽車壓鑄件裂紋缺陷的產生和過程控制

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合金汽車壓鑄件裂紋缺陷的產生和過程控制

發布日期:2016-07-27 作者: 點擊:

合金汽車壓鑄件裂紋缺陷的產生和過程控制

熱室壓鑄機是一種理想的用于生產中小型尺寸鎂合金的設備,這是由于它具有較少的熱量損失。材料AM60B由于具有的良好的延展性,使它常被用作生產汽車轉向部件的材料這種優艮的延展性也源自于它獨有的微組織結構。AM60B在熱室中的特性是由它的非樹枝狀的基體決定的,而這種基本是被β共晶體(A117Mgl2)所分離的。

因為當金屬流體在快速的凝固過程中,β共晶體無法能形成足以降低金屬延展性和蠕變阻力的粗糙片狀組織,而是以一種分離體的形式存在。鎂的基體結構介于樹枝狀和球狀之間,而球體組織通常事見于半凝固的鑄造工藝中。這種溶液鎂合金在壓射過程中,通過澆道入口位置時,在“鵝頸”部被壓縮前進,與通道表面進行熱交換,形成強迫熱對流.這個過程是產生非枝晶結構的主要原因之一。

因為AM60B比AM9D的鋁含量少,所以在壓鑄過程中,AM60的金屬流體要比AM91D的金屬流體流性差。也由于AM60B的金屬流體凝固的快(遠快于AZ91D),AM60B鑄件的表面也比其鑄件的其他部分凝固的快。另外,也因為AM60B有很長的凝固區域,要達到完全凝固需要較長的時間。鎂合金鑄件所獨有這種的缺陷是其內部分層,或被稱為缺陷圈(Defect Band).主要表現在鑄件的表面和內部結構上的不同。這種缺陷的產生也受到其無型和凝固工藝的影響。買踐已證明,通過選擇更佳位置的澆道入口和優化鑄件的幾何外形設計可以避免以上的缺陷。

AM 60M汽車轉向件鑄件

這種鑄件用于固定轉向柱殼體。需要鑄件在犧牲一定的強度換來較高的延展率和抗蠕變性能。

熱裂和斷裂

熱裂通常產生于T型區域,在鑄件中心區域產生的缺陷帶就是一個證據而更多研究顯示這種缺陷帝是導致鑄件發生熱裂的主要因素。

壓鑄工藝中的流體流動模式

當金屬流體以高速壓八型腔內時,由于流體自身具有的粘性,流體在邊界處所受到的阻力較大,而流體中心所受到的阻力測較小。因此,較邊界的流體的速度接近于零,而其中心位置的流體進度則很快。圖4顯示了流體的流動速度場分布。流體表層實際上是將會被回流填滿,因為流體表層相對有很強的熱傳導性,導致鑄件表面的溫度低于鑄件中心的溫度,這較終使得鑄件內部產生兩個不同溫度壓堿的界面。這種界面將直接產生鑄件內部的缺陷圈。研究顯示這種缺陷圈的產生開始于壓鑄較初階段,并在鑄件凝固的過程中進一加強。由此可以得出,鑄件表層和中心的不同的凝固速度將會加強這種缺陷圈的產生和強化,實踐和理論證明了高雷諾數(高速)的流體具有較小的速度梯度分布.因此,高速壓鑄在鎂合金壓鑄中將會更可行。

顯微組織結構

以上得出的由于內部界面而產生的鑄件缺陷圈的結論也同樣被微組織結構照片所支持圖5展示的是這種缺陷的微組織結構圖。一個內部的分裂帶可以被清晰地觀察到,上部分是鑄件的表面區域,下部分是鑄件的中心區域。所有的區域都顯示出,非樹枝狀的α鎂初結晶相(白色)被分離的β共晶相(黑色)所包圍,這就證明了表面區域有較細的晶體顆粒形狀,內部區域的晶體顆粒則顯得較粗大。

我們同樣也認為,這種非樹枝狀晶體結構來源的另一個原因,是由于金屬流體在通過熱室的澆道入口時所形成的熱量強迫對流。EDS(X光能量分散探測計)被用于測試鑄件內部的界面是否有重要的合金分隔帶。EDS能夠在一些小的區域進行這種化學測試,并能從原子中偵測出不問的化學元素。從EDS的檢測結果顯示,鑄件表層有比中心部分較小的晶體顆粒,但在其表層和內部之間的區域并不存在明顯的合金偏析。這個結論將助于改進設計,即改變流體的模型.制造出無缺陷層的鑄件。

非樹枝狀的晶體是怎樣產生的

在圖5和圖6中,微組織結構的形態說明了這種非樹枝狀晶體結構與那些在其他過程中形成的晶體有很大的差別,這種非樹枝狀晶體結構源實際上來自于它的流變性的特點。這種原理目前被用于研發半凝固壓鑄工藝中。通常需要幾種不同的條件來產生這種非樹枝狀晶體結構,先是快速的冷卻,其次是機械力或其他攪拌形成的作用,這兩種條件將可以產生更小的晶體顆粒并可以消除這種樹枝狀的晶體。熱室鵝頸形狀的澆道入口通道在一定條件下,正好符舍以上兩個條件。圖7顯示的是熔融態金屬流體在被壓鑄入型腔之前,須先通過加熱室。

鵝頸形狀的澆道入口,這種“Z”字形的澆道入口使得金屬流體較早通過其界面層與管壁進行熱交換。因為合金AM60有高的凝固溫度,先會有一些鎂的初結晶相產生,在強制對流和“z”字型金屬流的雙重作用下,使得在澆道入口管內的金屬流體冷卻,從而破壞了金屬流體內的樹枝狀晶體,產生出近似球形的結晶體?之后,這些包含著部分凝固體的金屬流體被注入模具型腔內進行冷卻,快速的冷卻也在α初晶相周圍產生了分散的和隔離的共晶體,這種形態可以增強金屬的延展性和抗蠕變能力?值得一提的一點是這種非樹枝狀的微晶體結構并非真半凝固體,它所產生的溫度區域也并非在半凝固體的溫城內,同時這種對流的模式也并非是層流狀態。

因為有早期凝固體的產生,壓鑄中鎂合金的金屬流體并非是牛頓流體直線流動,而是屬于非牛頓流體力學范疇。因此金屬流體的速度取決于材料的微結構。這種非樹枝狀的晶體結構有低的流動性,這種特性使得金屬在流動過程中有少量的金屬卷入井有滾動現象產生,這一特性對于非樹枝狀晶體結構而言非常重要。另外,熱室的鵝頸形狀也支持這種強度對流,從而助長了鎂合金壓鑄中這種非樹枝狀的晶體的結構的產生。

討論

鑄件表面熱裂的產生是由于鑄件在冷卻過程中不同的凝固溫度和收縮率。熱收縮集聚在金屬的尚未完全凝固的“T”型區域,而熱裂通常產生在模具的首次充填過程中,因為那時模具的使用尚未進入穩定狀態。

增加半徑并不一定能減少鑄件的表面熱裂現象.而要達到更好的設計修改.對于在易出現缺陷區域進行金屬流向分析和凝固溫度分析則顯得非常重要。

對于有著大的凝固間隔和存在一些小的共晶體的合金如AM60B,則更傾向于出現內部和表面的熱裂缺陷。

內部的熱裂出現在“層”的界面位置(不同結構的微組織晶體),這些界面是在凝固的過程出現或是在一些遠離澆道入口的不易被充填位置處,由于缺少充填的原因而產生的又或者它們在凝固程序以前早已固化。由于合金不同的凝固溫度和模具的不同的收縮強度產生的作用力使得表面熱裂的產生會遲一些,同時,鑄件表面的熱裂也會隨著一些細小的內部熱裂而向外展開。

結論

缺陷圈是在壓鑄充填和冷卻凝固過程中產生的,改進的方法是對設計參數進行修改。先,要取得低的速度梯流體形態,需要金屬流體有高的速度和好的流動性。這就要改進內澆道入口的形狀和澆鑄的位置。

其次,通過對鑄件外形進行重新設計,如增加或減少部分鑄件體積和形狀。這樣做的目的是加快冷卻和凝固的速度,從而降低熱量在鑄件某些部位的集聚。

其他一些技術如改變鑄件半徑,增加側肋或凹槽.大的嵌條以及使用局部溫度冷卻棒可以減少熱量在鑄件易脆位的聚集:同時制作必要的模擬檢驗.以使得設計更完善,通過這樣的工程改進可進一步減少鑄件的缺陷。


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關鍵詞:鑄件,壓鑄鋁件,壓鑄鋁件廠家

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