消除锌压铸件的缺陷


压铸者必须了解通常会在锌压铸时出现什么缺陷,找出问题的原因,提出可能的补救措施。

John Titley,英国坎诺克布罗克金属有限公司

锌锌压铸件可以制造成精确的近净成形零件,表面质量范围很广。它可以实现大批量生产且实现持续的高品质。
加上锌压铸件的物理和机械性能较宽,这使得锌铸件成为一些大批量零件的首选,如电子、锁具安全和门窗五金件、液压和气动的连接件和配件以及汽车行业的装饰件。

然而,对于高品质装饰面的追求使得表面质量标准更苛刻,这影响了铸造成本,增加了废品率。生产锌压铸件时,消除表面缺陷是关键要求。压铸者应考虑铸造缺陷的以下可能原因:

  • 合金的化学特性。过量的铁、铅、锡、镉、锰和金属间化合物/氧化物都是表面缺陷的原因。
  • 金属温度/金属处理。温度和温度的变化影响铸件质量。在错误的时间或在错误的条件下向炉子中加铸锭或废料也将影响铸件质量。
  • 铸造设计。断面厚度变化、无圆角、表面纹理和形貌都可能引发表面缺陷。
  • 模具设计。浇道和浇口尺寸计算、机器的性能、浇口相对铸件的位置、模具温度加热/冷却、使用过流井和出气孔都对减少缺陷起关键作用。
  • 顶出。足够的顶出力、顶杆的大小和位置、顶出部位的厚度、减少顶出时的机械损坏/ 剐蹭都是缺陷影响因素。
  • 模具润滑。压铸者必须控制润滑剂的量和类型,防止在模具表面产生沉积/碳化/结蜡。
  • 二次操作。缺陷可能在切除/折断、打磨、抛光和抛丸中产生。在铸件/模具设计阶段必须考虑这些因素。

压铸合金

冶金变化是最有可能在锌压铸件中产生严重的铸造问题或表面缺陷。然而,在锌合金中铝和镁含量的变化可以影响一些决定表面光洁度的因素,如在充型时的模具温度、金属温度、充型时间、充型模式和浇口速度。

铝含量低于规定的最低值会降低锌合金的流动性,改变充型条件,增加充型时间。当铝含量为4.5%~5.5%时,如果锌合金的力学性能恶化,可以将铝提高到8%,并带来热室压铸机下更高的抗蠕变性。

锌中添加镁可以提高硬度和控制某些杂质的腐蚀作用。过量的镁对表面光洁度有不利影响,降低流动性,阻碍充型。因此开发了低镁锌合金以克服这些问题。该合金在让铸件设计师铸造可以薄到0.5毫米的铸件的同时,保持了传统锌合金良好的表面质量。

铁是锌压铸过程中最常见的污染物。最热的热室压铸机用铸铁或黑色金属熔化/保温炉。铸造合金直接和炉子接触腐蚀其中的铁,时间长了就污染了合金。铝在合金中能防止过量吸收铁,密切控制熔体温度可以防止铁坩埚过分的侵蚀。然而,如果发生过热的情况,在温度高于450℃时腐蚀速度将大幅增加。

过量的铁污染将耗尽锌合金中的铝含量,进一步加剧铁的吸收,导致金属间化合物颗粒的形成。在严重的情况下,抛光后在表面出现星星状的印迹。缺陷通常被称为硬点或夹杂,并且几乎不可能通过打磨或抛光消除。在电镀或喷漆后也会出现这种现象,经常在铸件表面呈现为尖状、砂砾状。重熔有缺陷的铸件时,应当谨慎行事。熔化后,关掉热源,并让熔体静置,然后去除渣滓和表面上的氧化物。连续加热将使坩埚内的金属运动,造成颗粒在流动中循环,并使金属间化合物颗粒增大。它们“枞树”状的形貌使得它们和熔体中的铁和铝连接在一起,进一步消耗铝,增加了熔体对铁坩埚的腐蚀速度。

少量的铅、锡、镉也会对锌铸件质量有严重影响,必须控制在50 ppm以下。这些元素会聚集在锌合金的晶界上,通过微弱的电镀电池使锌在晶界消耗,促进晶间腐蚀。这可能会导致铸件的彻底崩溃,化为氧化物粉尘。在不太严重的情况下,形成腐蚀应力裂纹,促进零件过早失效。这些杂质的存在往往表明铸造过程中的热脆裂纹。然而,这些裂缝也可其它工艺问题引起。

在所有情况下都要训练有素的工作人员,从而控制金属化学成分、定期的炉前分析和作业程序,这将降低产生缺陷的风险。

熔化实践

所有方面都保持连续性时,锌压铸过程进行就能在较优的条件下运行。这尤其适用于熔融温度。低的熔融温度、温度大的波动、炉中液面过低都是缺陷的潜在来源,这些缺陷通过工序控制就能消除。

压铸者应努力为正在使用的合金保持尽可能低的坩埚温度。为了避免过分的波动,压铸者应使用适当的炉子技术,避免铸锭直接加入熔体,并确保铸造时使金属液处于最高水平。这可以防止渣滓进入鹅颈,并有助于保持温度的稳定。
合金熔体水平面低会使坩埚内温度升高,这就要求必须加入大量的冷的材料。这将使铸造过程不稳定、不一致。两室炉的使用消除了这个问题,但是压铸人员应该认识到与炉子操作相关的问题。

当使用单坩埚炉时,压铸人员应避免直接在熔体中加废料、直浇道和横浇道。直浇道和横浇道可能有一层压铸模的润滑剂残留,这将提高渣滓量并引发烟气。熔体中加入直浇道也将增加氧化,因为其表面面积-体积比大。产生的一些氧化物可能被卷入到熔体中,使得铸件产生缺陷、失效或断裂的风险增加。卷入的氧化物会以氧化褶皱的形式出现在铸件表面,且不能通过抛光去除掉,将通过表面镀层显示出来。这些褶皱和铸造合金结构之间的界面在电镀过程中可吸收电镀液,并在电镀后释放出来造成表面起泡和剥落。剥落的泡通常会显示出干净的锌铸件表面,泡的底部呈现出铜一样的光亮表面。

铸造设计

建立完好的作业指导书可以协助铸造人员避免光洁度和与铸件几何有关的缺陷。其中包括以下内容:

  • 使用适当的圆角半径和外部软边缘。内部和外部的圆角半径提高充型流动,减少紊流,并改善抛光,改善大尺度加工的有效性。还能延长刀具的使用寿命,减少模具维修,通过消除缺口与应力集中从而提高铸件的强度,减少断面突变的影响。
  • 控制断面变化。设计者应该使用三个圆规则,以控制断面的变化。最薄的断面控制在1.5mm以上。毗邻断面的厚度差应控制在4.5mm,要逐步递增到不允许修改的断面。
  • 采用曲面和其它设计补贴掩饰电镀和抛光的瑕疵。大平面将放大电镀和粉末涂料在棱边上的堆积。小的曲率面容易打磨,也能提高型腔的充型,减少紊流和流动缺陷。
  • 避免深盲孔。电镀不会进入这些地方。它们也往往被抛光碎片或电镀溶液堵塞,需要在处理后进行清洗。作为铸造的特征,孔和槽对于电镀时的夹持是有用的。但是,这可能留下疤痕,就会引起腐蚀缺陷,也有碍观瞻。
  • 避免浇口疤痕和分型线缺陷。切断和折断、机加工、抛光往往在浇口疤痕或沿分模线处发现缩松和断裂缺陷。这些缺陷是在铸造过程中产生的或在铸造阶段由于温度不均匀造成的。即使压铸模设计良好,这些缺陷也会发生,零件设计师应指出那些面上不能开浇口或设置溢流井。
  • 避免垂直分型线的变化。铸造工艺师应该总是指定允许的最大的拔模斜度以防止铸件粘模。大拔模斜度使得易于脱模,低的压铸模表面磨损和高效的压铸循环。最大拔模斜度也应跨分型线,如果是零拔模斜度将造成严重的后果。通常情况下,锌压铸件的最低拔模斜度为每边10度,但如果用于压铸模面分型线,这是不够的。建议在模具分型线出采用超过50度的拔模斜度。
  • 遵守适当的涂料固化温度。确定在低固化温度下的表面光洁度,以减少起泡、缩松和放大铸造缺陷。高光泽涂料也将放大表面缺陷,亚光或半哑光饰面对压铸人员有利。

在某些情况下,审美因素和零件的机械功能参数掩盖了良好的设计经验。

压铸模和顶杆设计

品质压铸件来源于高质量的模具。表面痕迹的数量、压铸模循环周期和最小的废品率受压铸模设计阶段的决定的影响。重要的是要建立每年或批处理所需的零件数量,因为这会影响机器的大小和制造成本,这些也用于压铸模设计。
铸件质量标准、光洁度、精度和其它因素等影响压铸模设计。在报价阶段,压铸模设计师可以计算浇注系统和浇口的大小以实现表面光洁度、生产周期和需要的机器尺寸,并预测熔融金属在型腔内的流动路径。

顶杆的大小、固定和滑动型芯的位置对压铸模的工作性能是至关重要的。这些因素都受铸件的轮廓、断面厚度、审美功能和限制的影响。在铸造厚大足以支持顶出力的部位布置顶杆就会降低表面的鼓包。在铸件凸台处布置顶杆可以解决这个问题,就像在铸件棱边外面使用垂直的浇口顶杆凸台。然而,这些措施增加了铸件的重量和成本。套状顶杆可用于将力直接加在芯子或采用零拔模斜度的铸造特征处。

设计者应引入一些压铸模特征,使得可以调整压铸模面用来消除飞边,如耐磨垫和溢流井,这些将改变充型方式,消除卷气和烟气。如铸造性能要求缩松控制到最低水平,可采用真空技术。也要在设计中加以考虑使用机器人,这将可能降低铸件-压射金属产出比。

任何锌合金压铸件的表面光洁度依赖于模具表面温度,这通过在压铸模中设计的水或油管道控制。在压铸模设计阶段就要确定管道的大小和位置,这和重量/体积、型腔个数、周期和光洁度要求相关。这也影响了型腔充型时间和浇口速度,从而影响压铸机的性能。需要优化浇口和浇道的尺寸实现高效运行和产出。

模具表面温度要求具有一致性和受控。为了实现以最小的抛光实现无缺陷哑光表面,压铸模温度必须控制在最佳值180℃。如果铸件有较长的流动距离或有小于1.25毫米的超薄断面,可能需要较高的温度。在这些情况下,实现所需的表面光洁度要良好的压铸模和金属压射温度控制,以及充型时间少于20毫秒。这些参数应该使得充型结束时在型腔中的金属温度大于405℃,以防止表面氧化缺陷和铸件内冷隔的形成。

消除这种类型缺陷也需要平稳的充型,以减少充型中的紊流产生的氧化物。为了保持这些条件,压铸者必须建立一致的工艺条件、循环周期和无中断运行。

压铸模润滑

在锌合金压铸中,压铸模喷涂的是润滑剂,而不是冷却剂。它通常是溶于水的油(出于健康、安全和环保等原因),并以雾状喷到压铸模表面,喷量要充足,在喷雾中水分蒸发后就能保持模具温度。

在理想的条件下,喷雾蒸发后在压铸模表面覆盖一薄层润滑油。控制喷雾量和使用正确的润滑剂类型是关键,这将对保持良好的铸造表面光洁度很关键。

由于沉积到压铸模表面的油迹的燃烧形成很细的碳也会引起铸件表面缺陷。这通常是超过规定的压铸模温度(超过200℃)、喷雾中富含油脂、润滑油的不当选择或过量使用润滑剂的结果。在太冷(低于160℃)的压铸模上使用润滑剂将导致冷隔缺陷、由烟气和蒸汽引起的大量气孔以及生产中断,生产中断将进一步加剧这些问题。

铸造后缺陷

为了实现锌合金压铸件达到更高的表面质量,在铸造完成后必须考虑多个阶段的影响。这些阶段大部分是在铸件处理完后识别、产生或拒收有缺陷的铸件。

二次操作包括剪断、去浇口、打磨和抛光、振动或抛丸、机加工和电镀/喷漆等等。在这些操作中都可能会出现废品,但是从一个最终角度考虑,某些形式的废品可以忽略不计(如由于尺寸误差造成的加工废料)。

铸件的搬动和铸造过程一样通常也会产生相同数量的废品或表面缺陷的铸件。多个装卡点也会使铸件损伤,除非在铸件运输过程中非常小心。通常情况下,抛光或抛丸不足以消除边缘割伤、小凹坑和搬运中产生的夹伤。

一个铸造周期完成后,顶出铸件。在某些情况下,铸件落到输送机或托盘上和不锈钢或塑料储存盘内。在铸件落下的过程中,由于钢盘边角和铸件可能发生轻微碰击,这会在敏感面或边上造成凹痕或凹坑。压铸模设计者在设计铸件在压铸模中的定位时应考虑这一因素。当铸件被向前顶出时,顶杆、面顶杆和砂芯滑动边要相适应。同样的原则在剪断过程中也适用。假设相同的预防措施到位,使用机器人挑选和放置可以减少在许多情况下撞击损伤的风险。■

Leave a comment

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

*