分享：ADC１２铝合金压铸缸体硬质点分析及改进措施
印小松,刘宏庆,柯 研,康忠臣
(重庆秦安铸造有限公司,重庆 ４０２２４７)
摘 要:某厂生产的一批 ADC１２铝合金压铸缸体出现硬质点,在机加工时出现打刀现象,并使产品形成微裂纹.通过硬度检测、化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析和能谱分析等方法,对ADC１２铝合金压铸缸体出现硬质点的原因进行了分析.结果表明:由于氮气纯度较低、铝液不纯净、未及时扒渣,造成杂质进入铝合金压铸型腔后形成硬质点,从而在机加工时出现打刀现象.最后提出了相应的改进措施
关键词:ADC１２铝合金;硬质点;压铸缸体
中图分类号:TG１４６．１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３３９Ｇ０４
汽车发动机缸体以前多采用传统灰铸铁材料砂型铸造,具有缸体质量大、制造过程对环境污染大等缺点.用铝合金替代钢铁,符合汽车轻量化要求,可使汽车零件质量减轻６５％[１].某厂结合国际和国内现有的条件和经验,建成了多条先进的缸体压铸生产线,主体材料为 ADC１２铝合金,批量生产了多种规格的压铸缸体.具体生产工艺为:熔炼(配料→加精炼剂、覆盖剂、通氮气除气除杂→倒入转运包→加精炼剂、覆盖剂、通氮气除气除杂→保温炉)→保温炉保温→模具安装→开模→喷离型剂吹气→合模→压铸→开模→取件.正常的铝合金压铸缸体由于其本身的硬度普遍较低,机加工时一般不发生打刀现象.但最近生产的一批压铸缸体出现很多硬质点,在机加时发生打刀现象,并使产品形成微裂纹.为了分析该批铝合金压铸缸体硬质点产生的原因,笔者采用硬度检测、化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析等方法对其进行了检验和分析,并提出了相应的预防改进措施.
１ 理化检验
１．１ 硬度测试
在 ADC１２铝 合 金 压 铸 缸 体 出 现 打 刀 的 部 位(含微裂纹)取硬度试样,采用维氏硬度计进行检测,结果表明试样局部硬度达１６０~１８０HV,远高于缸体的硬度要求７０~１２０HV.
１．２ 化学成分分析
采用直读光谱仪对缸体微裂纹附近区域进行化学成分分析,结果见表１,可见该压铸缸体的化学成 分符合日本工业标准JISH５３０２:２００６技术要求.
１．３ 金相检验
分别在缸体未出现硬质点、出现硬质点及微裂纹处制取金相试样,经砂纸打磨、抛光后,用０．５％(体积分数)氢氟酸水溶液侵蚀,采用奥林巴斯 GXＧ５１金相显微镜观察试样的显微组织,如图１所示.可见正常区域的显微组织为铝硅亚共晶组织,其中细小的黑色夹杂相在基体上均匀分布;异常区域的黑色夹杂聚集呈大块或大条状分布.
１．４ 扫描电镜和能谱分析
取缸体裂纹区域,将裂纹打开,制取扫描电镜试样,采用 TESCAN VEGA３LMH 扫描电镜(SEM)进行微观形貌分析和微区成分分析,用扫描电镜在试样不同位置选取具有代表性的 A,B,C,D 视场,各视场的 SEM 形貌如图２所示,其微区化学成分
见表２.图２a)中 SEM 形貌显示显微组织呈多孔 状,结合表２中的化学成分可知组织中含有 Al２O３ (多孔)夹杂相;图２b)中显微组织存在大量的光滑 面,含有许多白色夹杂物,结合表２中的化学成可知 组织中 含 有 Al２O３ (无 孔),AlSiMnFe,硅 酸 铝 和 Al３C４ 夹杂组;图２c)中显微组织有灰色近球形颗粒 物和白色夹杂,结合表２中的化学成分可知颗粒物 为 Al２Cu,其 显 微 组 织 中 也 含 有 Al２O３ (无 孔 ), Al３C４ 和 MgO??Al２O３ 夹杂相;图２d)中显微组织表 面粗糙呈灰白色,结合表２中的化学成分,可知组织 中含有 AlN,Al２O３(无孔)和 MgO??Al２O３ 夹杂物. 通过图２和表２可知硬质点夹杂相包含 Al２O３(多 孔或无孔),硅酸铝,MgO??Al２O３,AlSiMnFe,AlN, Al３C４ 等夹杂相.
２ 分析及讨论
ADC１２属铝硅铜镁型铝合金,正常的的铸造组织可形成 Mg２Si,Al２Cu和 ω(Alx Mg５Si４Cu４)等强化相和耐热相以及少量的初晶硅[２].但从该缸体出现硬质点位置的硬度测试和金相检验结果可知,加工异常部位出现了异常的黑色夹杂,聚集呈大块或大条状分布,其硬度也远高于正常位置的,化学成分符合要求.通过扫描电镜微区成分分析可知硬质点夹 杂 相 包 含 Al２O３ (多 孔 或 无 孔 ),硅 酸 铝,MgO??Al２O３,AlSiMnFe,AlN,Al３C４ 等夹杂相.一般来说铝Ｇ硅压铸合金中测定铝基体平均显微硬度为７０ HV,共晶平均显微硬度为 １１８ HV,夹杂相Al２O３(多 孔)显 微 硬 度 为６８２HV,夹 杂 相 Al２O３(无孔)显微硬度为１３５４HV,夹杂相硅酸铝显微硬度为１３５１ HV,夹杂相 MgO??Al２O３ 显微硬度为１１２７HV,夹 杂 相 AlSiMnFe 显 微 硬 度 为６３０HV[３].可以看出,压铸缸 体 中 硬 质 点 夹 杂 相Al２O３ (多 孔 或 无 孔 ),硅 酸 铝,MgO??Al２O３,AlSiMnFe的 硬 度 远 大 于 铝 合 金 基 体 和 共 晶 组 织的,硬质点的高硬度造成了机加工时打刀现象和微裂纹的产生.铝合金在熔化过程中会与 O２,N２,H２O,CO２,CO、Cm Hn,H２ 等气体以及溶质元素铜发生一系列的物理化学反应[４Ｇ６],如下所示
由于铝的活泼性强于铜的,一般在铝液中铝优先被氧化,但铜的氧化依然存在,特别是在铜富集区.另外熔 炼 炉 和 保 温 炉 炉 壁 及 过 滤 板 中 含 有SiO２,在高温下也易发生还原反应,铝氧化后一般先形成 γＧAl２O３,长时间保温后 γＧAl２O３ 又会转变为αＧAl２O３[６],反应过程如下所示。
铝液中的 Al２O３ 就是 γＧAl２O３ 与αＧAl２O３(刚玉)的混合物,呈多孔状(硬度约为６８０HV)或深色无孔状(硬度约为１３５０ HV)[７Ｇ８].MgO??Al２O３ 为铝镁化 合 物 即 为 尖 晶 石,其 硬 度 约 为 １１２７ HV.
Al３C４ 和碳 氧 化 铝 属 碳 化 物,其 硬 度 与 刚 玉 的 相当[８].碳化物夹杂 Al３C４ 可能在铝熔炼过程中形成,经常由劣质铝锭造成,也可能是回炉料造成,由于尺寸较小,在１~１０μm,这些碳化物一般无害[５].
AlN 属金刚石氮化物,硬度很高,很多复合材料用AlN 颗粒增强,但 在 铝 件 中 为 硬 质 点.AlSiMnFe金属化合物,是由于铁、锰等元素有向铝液下部偏析的 倾 向,当 铁、锰 杂 质 元 素 含 量 较 高 时 就 形 成AlSiMnFe金属化合物,浇铸时混入铝液形成硬质点.铁含量和锰铁含量比影响着铝合金的切削性能,
当铁含量wFe＞０．４％(质量分数)时,必须调整相应比例的锰含量,以使铁相的针状形态改变为球面多面体形态,但要使其分布均匀,而且数量尽可能要少[９].
由于在转运包、保温炉中的精炼除气过程中,不断向铝液中通氮气以除去铝液中含有的氢和夹杂物.氮气在熔体排除过程中,根据气体分压定律,氮气气泡及氢分压为零.氮气气泡与气泡附近铝液中的氢气气泡形成的分压差,造成铝液中的原子氢从液体中带出液面而排除.由于表面张力的作用,液内的 Al２O３ 和其他夹杂物,吸附在气泡表面而随之带到液面,经清渣除去,达到除气、除渣的目的[１０].但实际 生 产 时 氮 气 的 纯 度 只 有 ９９．９７％ (体 积 分数),含有较多的杂质气体,会促使 Al２O３,碳,Al４C３等种类夹杂物产生.该压 铸 缸 体 中 含 有 非 金 属 夹 杂 物 (Al２O３,MgO??Al２O３,AlN,Al３C４,C,Cu２O 等),金属夹杂物,且合金中含有大量的杂质元素氧、碳、氮、钙等.由上述分析可知,压铸缸体的硬质点是由铝液的不纯净,熔炼过程中除气除渣的氮气浓度较低,配汤口内铝液面夹杂含量高,未及时进行扒渣,在浇铸过程中杂质混入铝液,在压铸成型时进入压铸型腔造成的.
３ 结论及建议
ADC１２铝合金压铸缸体硬质点区域存在大量的夹杂相,造成该区域硬度大幅升高,因此在机加工时出现打刀现象,甚至产生微裂纹.压铸缸体硬质点的形成与原材料的纯净度、熔炼过程和保温过程中的除气除渣以及人工扒渣有关.
建议如下:①控制原材料中杂质元素含量和原材料中元素配比在工艺要求范围内,控制回炉料的质量,保证回炉料清洁干燥,回炉料加入比例要严格控制;②定期清理熔炼炉、转运包、保温炉的炉壁和炉底的残渣,定期检查保温炉陶瓷过滤网是否破损,如破损需及时更换,做好除气除渣工作,严格控制除气机用氮气的纯度,保证在９９．９９％以上;③浇铸铝液停放时间不易过长,炉底的铝液不宜浇铸,每次浇铸之前将保温炉的配汤口内表面氧化物及杂质清除,及时进行表面扒渣,并充分搅拌铝液,使合金成分均匀.
