铝硅铜合金对压铸模设计的要求

HEATS 发表于 2010-9-12 19:25:36

铝硅铜合金是一种高强度的压铸铝合金，是普通铝硅合金(诸如：我国的YL101、YL102等)的分支。但由于铝硅铜合金相对于普通铝硅合金而言，具有良好的填充性，因此在模具设计时，对其压铸模配合间隙的选定就不能全都采用适合于普通铝硅合金特性所推荐的配合间隙。 　　铝硅铜合金的填充性比普通铝硅合金的填充性要好得多。例如，某厂压铸成形的薄壁、格形零件，其材料为A380合金(美国铝硅铜合金的商业牌号之一，是铝硅铜合金的典型代表)，其结构、尺寸如下图所示：格形筋条断面尺寸为1.5mm×2.5mm，该零件最薄的一边壁厚仅为0.77mm。
<IMG height=201 src="http://news.mechnet.com.cn/upload/0903271354018830.bmp" width=248>
压铸件结构简图
　　笔者认为：该零件的压铸成形充分说明了铝硅铜合金的填充性(即流动性)好，它不仅优于普通铝硅合金，而且在符合其特性的重熔工艺和压铸工艺条件下，使填充性甚至不亚于锌铝合金ZZnA14-1的填充性。而当今压铸模具设计师对锌铝合金ZZnA14-1的填充性和对其压铸模的配合间隙的控制已有足够的认识和丰富的经验。铝硅合金的力学性能和填充性能良好的根本原因在于其化学成分和与之化学成分相适应的熔炼工艺和压铸工艺。 　　各国典型铝硅铜合金的化学成分和力学性能，见下表。
表  各国典型铝硅铜合金的化学成分和力学性能
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="90%" border=1>
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle width="6%" rowSpan=2>
合金</TD>
<TD align=middle width="31%" colSpan=5>主要化学成分（≤％）</TD>
<TD align=middle width="49%" colSpan=7>杂质（≤％）</TD>
<TD align=middle width="14%" colSpan=2>力学性能</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="6%">Si</TD>
<TD align=middle width="6%">Cu</TD>
<TD align=middle width="6%">Mg</TD>
<TD align=middle width="6%">Mn</TD>
<TD align=middle width="7%">Al</TD>
<TD align=middle width="7%">Fe</TD>
<TD align=middle width="7%">Zn</TD>
<TD align=middle width="7%">Sn</TD>
<TD align=middle width="7%">Ni</TD>
<TD align=middle width="7%">Pb</TD>
<TD align=middle width="7%">Ti</TD>
<TD align=middle width="7%">其他</TD>
<TD align=middle width="7%">ab/MPa</TD>
<TD align=middle width="7%">δ/％</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="6%">美国 A380</TD>
<TD align=middle width="6%" rowSpan=5>7.5～9.5</TD>
<TD align=middle width="6%">3.0～4.0</TD>
<TD align=middle width="6%">0.1</TD>
<TD align=middle width="6%" rowSpan=2>0.5</TD>
<TD align=middle width="7%" rowSpan=5>余量</TD>
<TD align=middle width="7%">2.0</TD>
<TD align=middle width="7%">3.0</TD>
<TD align=middle width="7%">0.35</TD>
<TD align=middle width="7%" rowSpan=2>0.5</TD>
<TD align=middle width="7%">0.1</TD>
<TD align=middle width="7%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">0.5</TD>
<TD align=middle width="7%">320</TD>
<TD align=middle width="7%">2.5</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="6%">日本 ADC10</TD>
<TD align=middle width="6%">2.0～4.0</TD>
<TD align=middle width="6%" rowSpan=4>0.3</TD>
<TD align=middle width="7%" rowSpan=3>1.3</TD>
<TD align=middle width="7%">1.0</TD>
<TD align=middle width="7%">0.3</TD>
<TD align=middle width="7%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">330</TD>
<TD align=middle width="7%">3.5</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="6%">德国 GD-Al-Si8-Cu3</TD>
<TD align=middle width="6%">2.0～3.5</TD>
<TD align=middle width="6%">0.2～0.5</TD>
<TD align=middle width="7%">1.2</TD>
<TD align=middle width="7%">0.1</TD>
<TD align=middle width="7%">0.3</TD>
<TD align=middle width="7%">0.2</TD>
<TD align=middle width="7%">0.15</TD>
<TD align=middle width="7%">0.15</TD>
<TD align=middle width="7%">310</TD>
<TD align=middle width="7%">3.0</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="6%">英国 LM24-M</TD>
<TD align=middle width="6%">3.0～4.0</TD>
<TD align=middle width="6%" rowSpan=2>0.5</TD>
<TD align=middle width="7%">3.0</TD>
<TD align=middle width="7%">0.2</TD>
<TD align=middle width="7%">0.5</TD>
<TD align=middle width="7%">0.3</TD>
<TD align=middle width="7%">0.2</TD>
<TD align=middle width="7%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">320</TD>
<TD align=middle width="7%">2.0</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="6%">中国 Y112</TD>
<TD align=middle width="6%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">1.2</TD>
<TD align=middle width="7%">1.2</TD>
<TD align=middle width="7%">0.1</TD>
<TD align=middle width="7%">0.5</TD>
<TD align=middle width="7%">0.1</TD>
<TD align=middle width="7%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">　</TD>
<TD align=middle width="7%">240</TD>
<TD align=middle width="7%">1.0</TD></TR></TBODY></TABLE>

　　对铝硅铜合金力学性能和填充性能影响较大的主要元素有： 　　(1)硅元素的含量很高，一般在7%～18%之间。高温时，形成的共晶体，能改善合金高温时的造型性［1］。外国学者也认为，高的结晶潜热对应着高的流动性，在所有能和铝熔化成合金的元素中，硅具有最高的潜热值，铍是具有比硅潜热更高的唯一合金元素，但铍的使用量很小，以致它对合金系的潜热影响不明显［2］。 　　(2)铜元素的含量也很高，各种不同牌号的铝硅铜合金的铜含量基本上都在1.5%～5.0%的范围内。在合金内以共晶体(α＋CuAl2)的形式存在，可以提高合金液的流动性。 　　(3)不同牌号的铝硅铜合金多少都含有锌，有的甚至高达3%。由于铜的含量较高，因此允许适当提高锌的含量［1］。锌本身的流动性也特别好。 　　(4)压铸过程中，为了减少合金液对模具的粘附，可允许存在一定量的铁元素，为减少铁的有害影响，可加入少量的锰元素与铁中和，将合金中铁的晶体形状从片状或针状变成细密的晶体形状(汉字字形的组织)［1］。 　　正因为铝硅铜合金含有以上多种可改善合金填充性和力学性能的元素，理论上其填充性和抗拉强度就应该很好，实践也证明了其具有优良的填充性和高的强度，所以才被广泛用于压铸生产。 　　针对铝硅铜合金所具有的更好填充性，在压铸模设计时，对其成形零件(所谓模具成形零件是指模具在工作中与高温合金液发生接触的部分，除了成形铸件的型腔和型芯外，它还包括浇排系统、顶出元件和抽芯元件等，按开合模时是否活动，又可分为活动成形零件和固定成形零件)配合间隙的选用，就不能盲日照搬有关文献的推荐值［1、3］。有关文献的推荐值对铝硅合金基本适用，但铝硅铜合金的填充性非常好，0.7mm的薄壁件都能压铸出来，压铸模成形零件配合间隙就一定得严格控制。这是因为压铸模成形零件配合间隙对压铸模使用寿命和压铸件质量的影响都很大。在工作时，若让高温合金液窜入这些配合间隙，将会造成铸件脱模、顶出困难，而且没被清除干净的飞边和毛刺，残留在模具间隙中，阻碍了模具的弹性回复，更是增加了合金液窜入间隙的可能。这些飞边时而残留，时而被铸件带出，如此恶性循环，最终导致模具的局部变形、瘪塌，无法进行正常生产而不得不报废模具；而且压铸模成形零件的配合间隙相对过大，飞边和毛刺就多，既影响压铸件外观质量，又增加后序加工工序的工作量。基于减少高温合金液窜入模具成形零件配合间隙的可能性，减轻后序加工工序去除飞边、毛刺的工作量，和延长模具使用寿命的考虑，笔者推荐：无论模具成形零件公称尺寸是否比较大，也无论它是否属于活动成形零件，它们的单边配合间隙值都应控制在 0.06mm(此数值已考虑过模具处在600℃的高温下，模具的热膨胀值对配合间隙的影响)的范围内，只有这样，合金液才不易窜入这些间隙中。 　　在生产实践中，开合模时可能会发生顶杆顶出困难和抽芯困难的情况，这是由于成形零件形状误差大，顶出、抽芯着力点不平衡造成的。形状误差太大，或顶出、抽芯着力点不平衡，均会造成成形零件向一边歪斜，这样一边间隙减少，而另一边的间隙扩大，使得合金液窜入的机会增大。合金液一旦窜入间隙，成形零件受到挤压，活动成形零件被卡死，开合模自然就不灵活，这种现象人们往往误认为是配合间隙太小的缘故。 　　如何控制、稳定合理的模具配合间隙呢?笔者认为需从以下几方面入手： 　　(1)对压铸模设计师而言，由于压铸模一般是单件生产，对互换性的要求不高，因此应从铝硅铜合金的工艺特性出发，以保证成形零件合理的配合间隙为前提，并兼顾制造加工的合理性和经济性，按基孔制原则，通过轴类零件的制造公差来保证其配合间隙。 　　(2)因为在压铸生产过程中，模具不但处于高温下，而且温度变化大。尽管模具材料(H13、3Cr2W8V)的线膨胀值不大，但也不应完全忽视。所以应采用模具温控装置来稳定模具成形零件的配合间隙，同时还可以减缓因温度变化频繁而造成的龟裂和提高生产率。 　　(3)为了延长压铸模使用寿命，消除内应力、稳定成形零件的尺寸，建议采取中间退火，其中间退火工艺［4］如下： 　　新模压射到一定次数，即1 000～3 000次后，进行退火； 　　又压射了5 000次后，再进行退火； 　　又压射了10 000次后，再一次退火； 　　当压射了50 000次后，模具较稳定。 　　中间退火工艺：540 ℃，5h，随炉冷却。 　　铝硅铜合金是当今公认的一种高强度压铸铝合金，国外已广泛应用于外壳、家用电器、马达壳、汽车、摩托车零件。我国应用起步较晚，还有许多特性等待研究和开发。<A href="http://www.mechnet.com.cn" >【MechNet】</a>

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