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鋁合金鑄件中產生氣孔的機理及其未來發展分析
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鋁合金鑄件中產生氣孔的機理及其未來發展分析
   以其良好的力學性能和優良的鑄造性能,在工業中被廣泛使用,是汽車、造船、航空航天及其他制造業的重要結構材料。生產中對鋁合金鑄件的品質要求也越來越高,除了保證化學成分、力學性能和尺寸精度外,不允許鑄件有縮孔、縮松、氣孔和夾渣等鑄造缺陷。實際生產中,鋁合金鑄件會出現多種缺陷,氣孔缺陷是砂型鑄造中經常產生的缺陷,是影響鋁鑄件質量的重要問題。氣孔缺陷常出現在大型鋁鑄件的厚大部位,以及中小型鋁鑄件的冒口根部和加工端面。氣孔的產生除與型砂的水分、透氣性有關外,還與合金的熔煉質量及合金的原材料有關,消除該缺陷值得鑄造工作者重視。
  鋁合金鑄件工藝性能,通常理解為在充滿鑄型、結晶和冷卻過程中表現最為突出的那些性能的綜合。流動性、收縮性、氣密性、鑄造應力、吸氣性。鋁合金這些特性取決于合金的成分,但也與鑄造因素、合金加熱溫度、鑄型的復雜程度、澆冒口系統、澆口形狀等有關。
  1、流動性。流動性是指合金液體充填鑄型的能力。流動性的大小決定合金能否鑄造復雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動性最好。影響流動性的因素很多,主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、金屬化合物及其他污染物的固相顆粒,但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力的高低。
  2、收縮性。收縮性是鑄造鋁合金的主要特征之一。一般講,合金從液體澆注到凝固,直至冷到室溫,共分為三個階段,分別為液態收縮、凝固收縮和固態收縮。合金的收縮性對鑄件質量有決定性的影響,它影響著鑄件的縮孔大小、應力的產生、裂紋的形成及尺寸的變化。通常鑄件收縮又分為體收縮和線收縮,在實際生產中一般應用線收縮來衡量合金的收縮性。
  鋁合金鑄件的內部裂痕怎樣檢測:
  1、超聲波探傷,各類金屬管材、板材、鑄件、鍛件和焊縫的超聲波檢測和超聲波測厚。當超聲波在傳播中遇到裂縫、空洞、離析等缺陷時,超聲波的聲速、振幅、頻率等聲學參數會因此改變。根據儀器測量這些改變,可以判斷缺陷的存在,并能確定其具體位置。超聲波脈沖從探頭射人被檢測物體,如果其內部有缺陷,缺陷與材料之間便存在界面,則一部分人射的超聲波在缺陷處被反射或折射,則原來單方向傳播的超聲能量有一部分被反射,通過此界面的能量就相應減少。這時,在反射方向可以接到此缺陷處的反射波;在傳播方向接收到的超聲能量會小于正常值,這兩種情況的出現都能證明缺陷的存在。在探傷中,利用探頭接收脈沖信號的性能也可檢查出缺陷的位置及大小。前者稱為反射法,后者稱為穿透法。
  2、磁粉探傷。適宜于鐵磁性材料如鑄造、鍛造和其它機加工部件的無損檢測。
  3、紫外線燈。價格低廉、可靠高和操作簡單,各種管道的泄漏探查、涂鍍層是否均勻的檢驗、雜質或污點的檢測、半導體和生物領域、醫療、舞臺特除藝術效果。
  4、射線探傷。射線探傷可以分為X射線、γ射線和高能射線探傷三種。X射線照相法探傷是利用射線在物質中的衰減規律和對某些物質產生的光化及熒光作用為基礎進行探傷的。從射線強度的角度看,當照射在工件上射線強度為J0,由于工件材料對射線的衰減,穿過工件的射線被減弱至Jc。若工件存在缺陷時,因該點的射線透過的工件實際厚度減少,則穿過的射線強度Ja、Jb比沒有缺陷的點的射線強度大一些。從射線對底片的光化作用角度看,射線強的部分對底片的光化作用強烈,即感光量大。感光量較大的底片經暗室處理后變得較黑。因此,工件中的缺陷通過射線在底片上產生黑色的影跡,這就是射線探傷照相法的探傷原理。
   具是指為了獲得零件的結構外形,預先用其他輕易成型的材料做成零件的結構外形,然后再在砂型中放入模具,于是砂型中就形成了一個和零件結構尺寸一樣的空腔,再在該空腔中澆注流動性液體,該液體冷卻凝固之后就能形成和模具外形結構完全一樣的零件了。
  鋁合金鑄件中產生氣孔的機理:
  鋁合金鑄件形成氣孔的主要原因是合金中含有過量的H2,氫含量占所含氣體總含量的80%~90%,其余是N2、O2、CO等,而H2則來源于大氣及各種金屬原材料、熔劑和涂料中的水分受熱分解,在高溫條件下發生H2O=2H++O2ˉ反應,這是一個可逆反應。分解出來的氧又容易與金屬液生成熔點較高的Al2O3,反應方程式為:2Al3++3O2ˉ=Al2O3,這樣就促進了水蒸氣的高溫分解,氫離子便不斷向合金液中擴散。氫以兩種方式存在于鋁液中:第一種是分解為原子狀態溶解在鋁液中,稱為溶解型,約占90%;第二種氫則以分子狀態氣泡形式吸附于夾雜物的表面或縫隙中,稱為吸附型。由于氫在鋁合金液中的溶解度是隨溫度上升而增大的,所以在熔煉過程中合金液將吸入大量的H2。而在結晶凝固的過程中,由于溫度降低,合金液表層首先凝固且合金的粘度增大,雖然氫的溶解度降低需從金屬液中析出,但是已經很困難了,這樣滯留在合金液中便形成了氣孔缺陷。熔化、保溫時間越長,氫含量越高。而氫在合金液中的溶解度除與溫度成正比外,還與壓力及空氣的濕度即氫分壓成正比。合金元素及其含量對溶解度也有一定的影響,硅、銅含量增加則氫的溶解度降低,鎂含量增加則氫的溶解度增加。合金成分不同,合金液中氫的臨界含量也不同,ZL104鋁合金為亞共晶型鋁硅合金時吸氫量最大。
  要防止砂型鑄造中鋁合金鑄件氣孔缺陷的產生,就要采取有效措施盡量減少原材料的水分,強化熔煉質量管理,合理選擇鑄造工藝,提高鑄型的排氣能力。具體有以下幾個方面:
  1、所有原材料及熔煉用工具都要仔細清除表面的銹跡、油污及熔渣等,中間合金和回爐料的質量也要控制好,質量差的回爐料如碎金屬屑、澆冒口不宜大量使用。金屬原材料、變質劑、精煉劑、澆包和攪拌勺等在使用前都應烘干,而坩堝則應預熱至暗紅色方可加入熔料。通常在金屬表面除了凝聚水外,還有與金屬氧化膜作用形成的結晶水,在200~300℃低溫烘烤只能去除部分凝聚水和溶解水,只有在500℃以上才能較容易除去大部分結晶水。
  2、操作中應盡量縮短熔煉時間,減少合金的吸氣量。熔煉溫度不宜過高,溫度越高,吸氣量越大,一般不超過800℃,熔煉過程要有測溫裝置控制。另外,還要控制變質時間,變質時間越長,變質溫度越高,氧化與吸氣越嚴重。由于鋁合金液面的氧化膜有保護作用,可以防止金屬液直接與大氣中的水分反應。在熔煉、澆注過程中要盡量避免破壞液面的氧化膜,精煉、變質時攪拌勺在液面下平穩攪動,特別是精煉操作要細心,精煉工序是防止氣孔重要的一環。金屬液澆注時應平穩,速度均勻,澆包和鑄型之間保持最小的垂直距離。
  鋁合金鑄件未來發展分析:
  降低能耗,減少環境污染以及節約有限資源是當今各國面臨的一個十分重要而緊迫的任務。在汽車等產品輕量化的總趨勢的推動下,可以預計,今后10年,我國輕金屬鑄件市場將會有大幅度的發展。各鑄件生產大國的鋁、鎂合金鑄件所占比例在13%~19%之間,有些國家更是高達30%~40%,而我國的鋁、鎂合金鑄件所占的比例不到10%。發達國家90%以上的鋁鑄件用于汽車零件制造業,在我國,鋁合金鑄件要形成規模化生產并滿足汽車輕量化的要求要解決的問題還很多:汽車對 的要求向薄壁、形狀復雜、高強度、高質量的方向發展。為適應這種要求,應進一步優化鑄造工藝并進行新合金材料的開發。應從設計和工藝的角度降低生產成本,如使用一模多件技術和自動化技術以提高生產率、延長模具使用壽命,并采用一體化的設計減少零件數量。采用計算機模擬技術,縮短工藝方案的開發周期。第四,加大鋁的回收力度。再生鋁是鋁鑄造的主要原料,我國在發展鑄造業的同時應重視再生鋁資源的利用,開發從復合材料和異種材料組合的廢料中的有效分離鋁的技術,并建立廣泛的廢料回收體系。
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