鋁合金鑄造技術，起底環保材料 |
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| 發布者：admin 點擊數：1021 錄入時間：2020/6/16 |
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零部件的輕量化要求，使得鋁合金鑄造得到了長足的發展，但是日益嚴格的環保標準也使得鑄造企業面臨著嚴峻的考驗。實現綠色鑄造的一個重要切入點是開發和應用環保的鑄造材料與技術。本文從鋁鑄造用熔煉材料、涂料等幾個方面就環保問題進行了詳細的概述。
面臨著日益嚴峻的能源和環境危機，輕量化已成零部件行業發展的一個重要方向。為此人們不斷致力于輕質高強材料的開發利用，如高強度鋼材或鋁鎂等合金材料。由于具有一系列的優良特性，鋁合金材料已成為汽車輕量化最理想的材料之一。近些年來，鋁鑄件得到了迅速的發展。
鋁鑄件需求的增長促進了鑄造企業的發展，但是環保和高能耗問題也成了其潛在的威脅。綠色鑄造是鑄造企業發展的必然方向，因此為了生存以及保持較高的競爭力，鑄造企業必須從多方面、多角度、全方位實現綠色化。
一、鋁合金環保精煉材料及技術
由于爐料和鋁合金液在熔煉、轉運、澆注過程中吸氣和產生夾雜物，使得熔體純度降低、流動性變差，從而導致澆注后鑄件缺陷的產生，影響力學性能、加工性能，以及抗腐蝕、氣密性、表面質量等。
（1）為獲得純凈的鋁液，一方面要“防”也即熔煉前充分準備。
爐料去水、去油污、預熱；熔煉工具的清理、涂刷涂料、烘干預熱；合理選擇回爐料及用量。如預防得當，可以簡化隨后的精煉過程，從而降低精煉對環境的污染。
（2）凈化鋁液，另一個方面是“除”，也就是精煉。
鋁熔體中的氫和氧化夾雜（主要為Al2O3）同時存在,而且有著很強的交互作用，鋁液中的含氫量受夾雜含量的影響很大，當夾雜含量為0.002%和0.02%時，相應的100g鋁含氫量分別為0.2cm3和0.35cm3。在含氫量相同的條件下，夾雜含量越高，針孔率也越高。因此，除氣和精煉兩個工序多合并在一起進行，故習慣將這兩個工序統稱為精煉。
精煉過程中存在的污染及應對方案：
氯氣是活性氣體，它對鋁液的除氣包括了物理和化學的雙重作用，因此除氣效果好，而且除Na的效果也比較好，但是氯氣有毒，而且對設備具有腐蝕作用，所以采用氯氣以及產生氯的鹽類（如六氯乙烷等）精煉時，會對環境帶來嚴重的污染。
氮氣為惰性氣體，對環境無污染，它的除氣原理主要是依靠物理的吸附作用。考慮到環保問題，人們采用氮氣代替氯，然而，單純的氮氣精煉效果并不如氯的效果好，為此人們采用混合氣體，如N2+Cl2+CO三氣精煉，既保證了精煉效果，同時又減輕環境污染。另外也采用以氮為載體的熔劑噴吹，以及目前廣泛應用的旋轉除氣方法。
對于Al-Mg合金，Mg容易與N發生反應形成氮化鎂夾雜，因此對于高鎂的鋁合金往往不采用氮精煉。采用六氯乙烷精煉時，配料計算合金成分時Mg取上限，經驗燒損值取上限，六氯乙烷量也需要增加。
對于精煉劑，主要有氯基和氮基兩種，因為HCl、Cl2等污染環境，惡化勞動條件，氯基精煉劑正在逐漸被禁用，因此無毒的氮基精煉劑越來越受歡迎。
通常來說，無毒精煉劑是靠NaNO3、KNO3和C等反應放出N2、CO2、NO氣體起凈化作用，另外附帶冰晶石和氟硅酸鈉等，既起緩沖作用又起精煉作用。無毒精煉劑的環保優勢使得該類精煉劑得到了良好的發展空間，涌現出了各種新產品。如DEGAFFEX A是一種新型的氮基除氣片，用量小，煙量少，對環境的沖擊性小。
熔劑精煉，通常是采用堿或堿土金屬的氯化物、氟化物的混合鹽吸附熔體中的氧化物，破碎疏松表面膜，促使氫逸出。其按主要作用通常分為覆蓋劑、除渣劑、打渣劑、清爐劑等。上述鹽類通常包括NaCl、KCl、Na3AlF6、K3AlF6、Na2SiF6、NaF、CaF等。NaCl與KCl可形成低熔點共晶混合熔劑，Na3AlF6、K3AlF6、Na2SiF6可以進一步提高混合鹽吸附氧化物的能力，CaF等氟鹽可以提高熔劑與鋁液間的界面張力，使熔渣呈粉狀易撇清。需要注意的是，為防止“鈉脆”，含高Mg的鋁合金不采用含Na的熔劑精煉。
大多數熔劑是呈粉狀，使用時容易產生粉塵，不但造成損失，而且惡化工作條件，對操作人員有很多的危害性。因此，人們開發出顆粒狀熔劑，不但用量小，成分均勻，而且生態環保。如圣泉公司的SCOREX GR 170和不含Na、Ca的SCOREX GR 800。
另外，一些環保的精煉技術還有稀土精煉、真空、電磁攪拌、過濾凈化等技術，其中過濾凈化技術是目前發展快速的先進凈化技術，應用越來越廣泛。
二、壓鑄技術及涂料
壓鑄，通常是指高壓鑄造技術，其優點是獲得鑄件的尺寸精度高、表面粗糙度值低，鑄件的強度和表面硬度高，生產率高。其缺點是液體合金充型速度極快，型腔中的氣體難以排除，使鑄件內部致密性差，不易熱處理。壓力鑄造由于壓射比壓高，需采用金屬型芯，所以鑄件結構和尺寸受到一定的限制。壓鑄相對于砂型鑄造來講污染小，壓鑄件在鋁鑄件中的產量****，因此克服壓鑄的缺點，進一步推廣其應用具有重要的環保意義。
在壓鑄過程中，需要對型腔內壁、型芯表面、模具和壓鑄機的摩擦部分（如滑塊、推出元件、沖頭及壓室）等噴涂的潤滑材料和稀釋劑的混合物，通稱壓鑄涂料。壓鑄涂料種類很多，按大類可分為油基、水基和粉體涂料。油基涂料潤滑性好，多用于沖頭；而水基涂料（又稱脫模劑）除潤滑、脫模作用外，可以調節模溫，提高生產率，在壓鑄中得以廣泛應用。脫模劑在提高鑄件質量和成品率等方面有著重要的作用，下面進行詳細介紹。
噴涂脫模劑是為了在型腔表面形成一層膜與液態金屬隔離。因此，對脫模劑的謹慎選用與合理的噴涂操作是保證鑄件質量、壓鑄模壽命、生間效率的一個重要因素。
1. 壓鑄脫模劑的作用
（1）使液態金屬充填流暢，有利于成形，防止粘模、焊合，使鑄件獲得光亮、光滑、平整的表面質量。
（2）保護模具，避免液態金屬對模具表面的沖刷，降低模具的熱導率和模溫，延長模具的使用壽命。
（3）開模時，有利于鑄件順利脫模，減少對沖頭、頂桿、活動部位的摩擦和磨損。
（4）通過傳遞散熱調節模具溫度。
2. 對壓鑄脫模劑的總體要求
（1）高溫時，能保持良好的潤滑性能。
（2）揮發點低，在100～150℃時，稀釋劑能很快地揮發。
（3）對模具及壓鑄件材料沒有腐蝕作用。
（4）性能穩定，在空氣中不會因稀釋劑很快揮發而變濃。
（5）無特殊味道，熱分解溫度要高于成形的模具溫度，在高溫時不析出或分解出有害氣體，發生炭化結詬現象。
3. 壓鑄脫模劑的成分
一般來講，水基脫模劑基本成分是礦物油、石蠟、添加劑等十幾種原料經乳化制成。脫模劑的成分選擇與配比對其使用性能影響很大，微量的成分改變可能會造成性能的巨大差異。特別是很多鋅合金產品，由于要作表面處理，因此需選擇不含硅、蠟的脫模劑。
目前，由于合成、半合成的脫模劑具有優異的綜合性能和環保性，因此表現出很好的市場前景。例如，圣泉Luburax z產品是基于高分子聚合物和有機改性硅氧烷乳液的合成脫模劑，不含甲醛、苯酚，不析出和分解出有毒氣體，對環境污染小，耐高溫（340~390℃），無結垢，具有優異的脫模性能。Luburax colate 351是基于礦物油和聚合物的半合成乳液脫模劑，具有優異的脫模性能，化學穩定性好，不產生污垢，對環境影響小。
4.脫模劑使用效果的影響因素
（1）濃度（稀釋比例） 每種脫模劑都有一定的稀釋比例范圍，如兌100~200倍水。涂料的的稀釋比例是一個重要的工藝參數，可根據鑄件的大小、復雜程序、厚度進行選擇。生產大件及薄壁、復雜件時，稀釋倍數要低些；小件、簡單件，稀釋倍數要高些，可通過試壓時來確定最適當的稀釋倍數及噴霧量，用比色計定期對濃度進行檢查。脫模劑濃度過低，皮膜太薄，不足以抵抗液態金屬熱應力的沖刷，結果導致粘膜，脫膜不順；而濃度太高，又令皮膜太厚，影響鑄件表面粗糙度，并會造成型腔中涂料堆積，脫落后進入液態金屬中導致氣孔產生，多余的涂料還會堵塞排氣通道。
（2）霧化效果 良好的霧化好比是“微液滴”的細霧，霧化良好的涂料比霧化不足的涂料能更有效地鋪散在型腔表面。霧化效果取決于噴射裝置管路壓力的控制。
（3）模具溫度 這是影響涂料吸附在型腔表面效果的一個參數。模具溫度太低時（低于150℃），噴入的涂料迅速降溫到水的汽化點以下時，涂料就無法沉積在模具的表面，從模具表面流淌，無法形成皮膜，而且過多的水汽還會使鑄件產生氣孔。模具溫度太高時（超過398℃），噴入涂料則被模具表面蒸發汽化、反彈，沒有潤濕效果，即溫度尚未降到潤濕溫度。因為只有達到潤濕溫度時，霧狀涂料滴才能真正與壓型表面接觸而最終形成皮膜。模具溫度以控制在180~200℃為好，模具溫度在270℃以下時，噴涂1s內即形成皮膜。
（4）噴射距離、噴射時間 為了保證模具表面形成均勻皮膜，涂料要霧化超細，均勻分散，附著力強。同時要優化噴射距離，距離過小時，由于噴射流速過高，會使脫模劑反彈造成流失；但距離過大時，霧狀涂料將融合成大的液滴，下落時的沖擊力可能會破壞皮膜的均勻性。理想的噴射距離為100~200 mm。 噴射時間在1.0~2.0s，可足以形成足夠厚的隔離膜。采用自動噴涂時，如果模具形狀復雜,需注意噴射不到的地方,控制噴射角度。如果采用手工噴涂,則要求操作者熟練地按規范操作,以免因為噴涂操作的隨意性,而造成壓鑄件質量不同。
三、金屬型鑄造及涂料
金屬型鑄造是在重力或低壓下將鋁液澆入金屬鑄型中凝固成形的工藝方法，既可以采用金屬芯，也可以用砂芯，具有較好的尺寸精度，以及較低的表面粗糙度值，采用砂芯可以鑄造結構比較復雜的鑄件，且可以進行熱處理。
在金屬型重力/低壓鑄造過程中，金屬型涂料的使用必不可少。鋁合金砂型鑄造時通常是采用醇基涂料，相對來說金屬型采用水基涂料表現出更好的環境友好性。合適的選擇與應用金屬型涂料，或將涂料進行合理的組合，與鑄造工藝設計、合金的熔煉同等重要，是獲得優質鑄件的一個必要條件。
１．金屬型涂料的基本作用
（1）保護金屬模具，延長模具壽命。
（2）利于鑄件脫模，防止粘結和氧化物堆積。
（3）控制鑄造合金與金屬型間的熱傳遞。
（4）改善鑄件表面粗糙度。
2. 金屬型涂料的分類
目前，金屬型涂料按功能可以分為三個類別：絕熱涂料、半導熱涂料、導熱涂料。
（1） 絕熱涂料 涂料的絕熱性能主要取決于涂料成分、厚度、涂層的空隙率。涂料通常以水為載體，以水玻璃等為粘結劑，耐火骨料包括滑石粉、云母、硅藻土及氧化鈦等。耐火骨料導熱系數越低，保溫性能越好；涂料顆粒相對較粗，在熔體和涂層間形成氣隙，減小了熔體與涂料的接觸面積，從而提高了絕熱性能，同時相對粗糙顆粒形貌可以破壞鋁液表面形成的氧化膜，改善金屬的流動性，防止鑄件的缺肉和冷隔。
基于以上信息，根據不同要求，可以研制出不同功能的涂料。如VERNIX Al 14具有高的保溫性能和中等的表面粗糙度值，可用于澆注系統的保溫；VERNIX Al 280能夠保證鋁液較好的流動性；VERNIX Al 64主要用于鑄件表面質量要求高的情況，如汽車鑄件，尤其是輪轂。
（2） 導熱涂料 通常含有石墨、氮化硼等骨料，以提高脫模性能，主要是用于脫模要求高的情況，也用于模具的活動部位的潤滑。如VERNIX Al 11。
（3） 半導熱涂料 半導熱涂料以石墨和其他絕熱耐火材料為骨料，因此具有綜合的絕熱和脫模性能，而且粘結強度高，使用壽命長。如VERNIX Al 36。
3. 金屬型涂料的應用
（1）涂料施涂前清理金屬型 對于新鑄型，仔細清理潤滑油污和機加工時粘附的碎屑。對于已用過的鑄型，需要去除以前的涂層，尤其是注意一些難清理的深孔和角處。清理完畢后，避免模型腔表面接觸油脂等污物。
（2）模具預熱 模具預熱到250～280℃，重力鑄造為了使模具加熱均勻，推薦模具加熱在預熱爐內進行，如果采用火焰預熱，火焰不要正對模具內表面，而是背面。注意模具不能過熱太高，否則涂料內水分揮發過快，影響涂層結構的均勻性和粘結強度；模具溫度也不能太低，否則涂料會流淌，造成涂層厚度不均。
（3）施涂涂料 當預熱到制定溫度后，降溫至200℃左右，然后涂敷涂料（通常為噴涂），涂層厚度通常為200μm左右。噴涂壓力一般為200～300kPa（2~3 bar），噴槍與待涂面的距離保持在20~30cm，距離太近時，涂料會有沉積趨勢，干燥速度慢，造成鑄件表面出現條痕，距離太遠時，涂料中水分提前揮發，犧牲了涂料的粘結力。噴涂時，注意快速移動噴槍，從不同角度噴涂，噴涂多而薄的涂層，而不是較厚的一兩層。
四、展望
中國已經成為鑄造大國，但并不是強國，相對于發達國家，鑄件質量總體不高，出品率較低，鑄造企業能耗高，污染嚴重，行業發展還面臨著嚴峻的考驗。因此，在不斷加強管理，增強意識的同時，提高鑄造技術水平，開發先進的綠色鑄造技術及材料，是鑄造行業當今的主要任務。
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