微车制动产品铝合金重力铸造缺陷分析及改进

葛 勤

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州 545007）

微车制动产品铝合金重力铸造缺陷分析及改进

葛 勤

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州 545007）

采用铸造专用软件Pro Cast2004对现有铝合金铸件铸造工艺进行充型过程、凝固过程和疏松、缩孔位置等方面的分析，同时结合实际工艺试验的结果分析，模拟预测出可能产生的缺陷（气孔、缩孔和缩松），从而判断浇注系统的浇冒口设置、浇铸工艺和操作程序等的合理性，并通过工艺验证进行验证，从而提供现有铸造模具和工艺对产品品质影响的关系，并制定了改进措施。

铝合金;铸造;软件Pro Cast2004；DJB-1熔剂；保温温度

汽车制动系统，是保证汽车安全行驶的重要保障，制动缸（制动主缸和制动轮缸）是汽车制动系统液压传动装置中的重要安保零件。在制动缸的制造过程中，其毛坯铸造缺陷占到总缺陷比重的85%以上，姑且不论铸造缺陷造成的售后品质损失，按年产100万套计，铸造缺陷造成的内部品质损失可达80万元，可见对铸造缺陷进行分析和改进具有重要意义。

国内汽车铝合金铸造的主要工艺有:砂型重力铸造、金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造、熔模铸造、液态模锻等。这里仅对微型汽车制动产品铝合金金属型重力铸造的缺陷，展开分析并采取改进措施。

产品主要性能：材质为ZL111，强度 σb≥275 MPa，塑性δ≥1%，T6热处理后硬度HB≥100，在规定时间内用13MPa气压试验，泄漏量不能超过规定值。

1 制动产品铸造缺陷数据统计

微型汽车制动产品铝合金金属型重力铸件常见铸造缺陷如表1所列。

由表1可见，气孔是LZ111、N1车型主缸立式铸件、后缸、左右前缸最主要的致废原因，而缩松、缩孔是LZ111、N1车型主缸卧式铸件最主要的致废原因。

2 常见缺陷成因及预防措施

铝合金金属型重力铸件常见铸造缺陷成因及预防措施如表2所列。

表2 铝合金金属型重力铸件常见铸造缺陷成因及预防措施表

3 缺陷原因分析及改进措施

3.1 模具结构

（1）根据实际铸造缺陷的统计数据和部位，分析模具产生缺陷的原因并采取改进措施。

（2）采用铸造专用软件Pro Cast2004对现有的几种铸件浇注方案进行充型过程、凝固过程和疏松、缩孔位置等方面的分析，并在电脑上重构生产现场状况（包括铝液的浇注过程和凝固过程及在该过程中产生的卷气、冷隔、夹杂、气孔以及疏松、缩孔）。

根据模拟的分析，预测出可能产生的缺陷有气孔、缩孔和缩松，从而判断浇注系统的浇冒口设置、浇铸工艺和操作程序等是否合理；提供现有铸造模具对产品品质影响的关系。

图1 金属液充型过程第4.11 s

图2 金属液充型过程第7.49 s

图3 铸件凝固时间图

图4 铸件缩松缩孔位置预测图

（3）改进措施及效果。如图5至图8所示。

图5 改进前

图6 改进后增加暗冒口

图7 改进前浇口

图8 改进后浇口

3.2 原材料化学成分和预处理

（1）原材料化学成分。原材料化学成分如表3所列。

表3 原材料化学成分表（%）

由化学成分的分析结果可知，回炉料中Cu、Mg和Fe的含量，分别超出标准。

为保证机械性能的要求，应适当降低原铝锭中Cu、Mg的含量，Cu的含量可略高于1.8%，而Mg的含量，应尽量接近国家标准规定的下限0.4%。

另外，鉴于Fe超标的有害作用，应严格控制原材料成分，适当降低回炉料比例，将铸件中Fe的含量控制在0.4%以下。

采用回炉料为新料的40%～60%是安全的添加比例，即回炉料不超过总投入料的37.5%。如果采用非常有效的精炼手段，这个比例也可提高到50%以上。

（2）回炉料的预处理措施不当。浇冒口、浇道等浇注系统，在用锯床切割时，表面沾有少量冷却液，对机加工报废零件虽然会提前进行500℃预热处理，但是堆放一段时间后，表面的燃烧残余物及灰尘容易回潮，成为熔化过程中增氢的一个主要因素；余水和氧化皮在收集后回用，但是氧化皮的主要成分是氧化铝夹杂，不宜直接回用。

改进措施：机加工零件废品，应采用高温加热烧掉油性物质和水分；所有经过处理的回炉料应及时回炉熔化，如果在库房堆放时间超过24 h，则应在熔化前加热到250℃以上预热去除水分。余水和不带切削液的流道、浇冒口等，可不作如上处理，但是氧化皮含量较多的余水及炉边铝屑，应集中后另行处理，以过滤方式去除氧化夹渣。

3.3 精炼工艺

（1）精炼剂的化学成分分析。如图9、图10所示。

图9 点扫描图谱

图10 区域面扫描图谱

DJB-1熔剂中不含稀土元素和其他活性元素，以氟盐为主的活性成分较少，不能达到有效的精炼除氢效果。

根据熔剂各组分的熔点可知，该熔剂的最佳使用温度700～740℃，如果温度太低，或使用时间短，都不能充分发挥其精炼作用。

（2）精炼过程。精炼温度为630～660℃，低于其最适宜的使用温度（700～740℃），精炼剂的热分解较慢，与渣、气的反应不充分，同时由于熔体黏度大，产生气泡大，不利于气泡吸附除氢和氢的扩散，因此除氢效果不佳。

另外，造渣时渣内带铝量大，导致熔损增大。采用人工搅拌的精炼方式，精炼过程无法得到有效控制。

（3）改进措施。在没有更换精炼剂的情况下，将精炼温度由630～660℃提高到700～740℃的最佳精炼温度范围。

更换优质精炼剂，同时采用氮气除气旋转精炼机进行精炼除气，可达到良好的精炼效果。

3.4 保温温度对过程品质的影响

（1）保温温度对氢含量的影响。不同精炼/保温温度的含氢量的对比试验数据（DJB-1精炼剂精炼）如表4所列。

表4 不同精炼/保温温度含氢量的对比试验数据表

由表4数据可见，虽然采取了用DJB-1精炼剂进行精炼的措施，铝熔体中的氢含量在精炼前后的变化不大，且随保温温度的升高，呈上升趋势。

（2）保温温度和保温时间的影响（如图11）。精炼之后的保温温度如果太低，则熔体黏度较高，同时缺乏足够的保温和静置时间，不利于比重大的夹渣沉降和比重小的夹渣和熔剂残渣上浮，导致熔体中夹渣含量偏高。

图11 氢含量随保温温度的变化图

（3）通过工艺试验和验证，确定合理的铝水保温温度和静置时间。

3.5 坩埚和熔炼工具的涂料

铁质坩埚和舀勺、压罩等熔炼工具，使用一段时间后，表面涂料会局部脱落，这时应及时补喷涂料，否则会导致铝液增Fe，影响产品品质。

3.6 过包和保温过程

（1）人工过包不利于对铝液的保护。人工过包过程，对保温炉内铝水的搅动太大，导致铝水吸气和氧化严重，品质下降；而且这种操作方式，工人的劳动强度很大，员工规范操作难以有效控制。

（2）对保温炉中铝液的保护措施不足。精炼前熔化炉内及过包后保温炉内，铝液表面均无覆盖保护。保温时间较长时，即使铝液表面有一层氧化膜，由于这层氧化膜在600℃以上温度下并非致密，敞炉状态的铝液，仍然会持续从空气中吸气增氢，特别是梅雨季节，空气湿度较高，铝液吸气愈加严重，铸件品质波动大。

氢在纯铝熔体中的溶解度，随温度而变化，当温度超过纯铝的熔点660℃以后，氢的溶解度急剧上升，远远超过0.1～0.2mL/100g Al的控制量，说明铝液在熔化状态的任何温度下，都容易吸氢。仅仅通过降低铝液保温和浇铸温度，并不能从根本上截断吸氢的源头。

因此，为保证铝合金铸件的品质，就必须对处于长时间保温状态的铝液，进行必要的保护和必要的持续除氢措施，使铝液中的含氢量处于较低水平。

3.7 浇铸过程

（1）浇铸温度过低。ZL111合金含Si量8%～10%，从相图上看，该合金液固两相温度区间很窄，宜采用凝固速度较快的压铸和重力铸造工艺，其适宜的浇铸温度是680～720℃，超过液相线约100℃既有利于排气，又可为顺序凝固创造条件、利于补缩（注：ZL111合金的固相线及液相线温度在538～596℃范围内，亦即合金液温度降至596℃左右就开始析出固相凝固，降至538℃完全凝固）。

在浇铸温度为630℃左右的条件下，铝液黏度增大，流动性变差，在铸型中极短时间内就会发生凝固，不利于卷入气体的排出。因此，浇铸温度偏低，是铸型中局部区域卷气无法排出而形成皮下气孔，同时补缩不足、产生缩孔缩松的主要原因。

（2）人工浇铸过程工艺参数不稳定，受主观因素影响大。采用人工浇铸和开模的操作方式，不能确保稳定的浇铸速度、开模时间。一方面，浇铸速度过快，是导致卷气产生气孔的主要原因，另一方面，开模时间短、铸件温度高、强度不足，是导致裂纹和铸件变形等缺陷的主要原因之一。

（3）浇铸工的不规范操作。除了浇铸速度不稳定、手动开模等因素外，浇铸工用舀勺直接舀时的动作，有时存在不规范现象。正确的操作，是先用勺底撇开铝液局部表面的氧化膜，再舀取铝水。铝液表面的氧化膜能够在一定程度上隔离空气、减缓吸氢。因此，如果对保温炉内整个铝液表面形成的氧化膜实施撇除处理，则会破坏铝液的保护层，导致其中的氢含量升高。

（4）改进措施。短期措施，是确定合理的工艺参数，完善标准化操作单，规范和有效控制员工的操作；长期措施，是采用机械手自动舀取铝水和倾转式自动浇注机的自动化生产线，有效保证浇注过程的稳定性。

4 结束语

通过对微型汽车制动产品铝合金金属型重力铸造缺陷的原因分析，根据自身条件采取相应的改进措施，经过一年多的实践运行，各种铝铸件的毛坯年平均废品率由7.26%降至4.91%，年减少内部品质损失约38万元（2007年统计），有效地提升了铝合金铸件毛坯品质，同时也取得良好的经济效益。

[1]黄恢元，杨长贺，舒 震，赵九夷，曾纪德，周光垓.铸造手册·铸造非铁合金[M].北京：机械工业出版社，1993.

Analysis and Improvement on Gravity Casting Defects of Micro Vehicle Brake Products

GE Qin
(Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi545007,China)

The possible defects(hole,shrinkage cavity and loose)can be simulated Bymeans of the special software of Pro Cast 2004 to analyse the filling process,solidification process,the position of loose and shrinkage cavity,and combined with analysis of the process test results.The rationality of the setting of pouring cap mouth,the pouring process and operating procedures can be judged.The relationship between casting mould,process and the quality of products can also be provided by means of process validation,meanwhile,the improvement measures can be established.

aluminium alloy;cast;pro cast2004 software;DJB-1 solvent;insulation temperature

TG21+3

B

1672-545X（2011）09-0156-04

2011-06-25

葛 勤（1967—），男，江苏溧阳人，工程师，研究方向为微型汽车制动系统制造工艺。