鑄造是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，但鑄造 過程的控制、設(shè)計(jì)及工藝流程往往依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷， 因而鑄件的質(zhì)量不易保證，廢品率較高。壓力鑄造 是特種鑄造的一種，其實(shí)質(zhì)是液態(tài)或者半液態(tài)金屬 在高壓力作用下，以較高的速度充填型腔，并在壓力 作用下凝固而獲得鑄件的一種方法。要獲得高質(zhì) 量、高水平壓鑄件，使壓鑄件達(dá)到光潔、輪廓清晰、組 織致密、強(qiáng)度高的要求，需要對壓鑄過程中各影響因 素進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對于鋁合金壓鑄件，從生產(chǎn)準(zhǔn)備 到批量生產(chǎn)，牽涉的環(huán)節(jié)很多，影響因素也很多，包 括材質(zhì)、模具、設(shè)備、工藝等各方面。

1 壓鑄鋁合金的分類及性能

壓鑄鋁合金有良好的使用性能和工藝性能，因 此鋁合金的壓鑄發(fā)展迅速，在各個(gè)工業(yè)部門中得到 廣泛的應(yīng)用，用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他有色合金，在壓鑄生 產(chǎn)中占有極其重要的地位。按所含基本元素可將鑄造鋁合金分為Al－Si合金、Al－Cu合金、Al－Mg 合 金、Al－Zn合金。

1. 1 Al－Si合金

由于共晶Al－Si合金具有結(jié)晶溫度間隔小、合 金中硅相有很大的凝固潛熱和較大的比熱容、其線 收縮系數(shù)也比較小的特點(diǎn)，因此其鑄造性能一般要 比其他鋁合金的好，其充型性能也好，熱裂、縮松傾 向比較小。Al－Si共晶體中所含的脆性相(硅相) 數(shù)量最少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為 10% 左右，因而其塑性比 其他鋁合金好，組織中僅存的脆性相還可通過變質(zhì) 處理降低其脆性。實(shí)驗(yàn)表明Al－Si共晶體在其凝 固點(diǎn)附近溫度仍保持良好的塑性，這是其他鋁合金 所沒有的。

鑄造合金組織中常要有相當(dāng)數(shù)量的共晶體，以 保證其良好的鑄造性能;共晶體數(shù)量的增加又會使 合金變脆而降低力學(xué)性能，兩者之間存在一定的矛 盾。但是由于Al－Si共晶體有良好的塑性，能較好地兼顧力學(xué)性能和鑄造性能兩方面的要求，所以Al－Si合金是目前應(yīng)用最為廣泛的壓鑄鋁合金。

我國壓鑄鋁合金品種中，絕大多數(shù)以Al－Si合 金為主，這類合金存在強(qiáng)度較低、切削性能不夠好、 螺紋加工困難等現(xiàn)象，所以近年來我國正在開發(fā)高 強(qiáng)度合金。

在美國的高強(qiáng)度Al－Si－Cu合金(SC84A、SC114A、SC84B、SC102A)中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.0% ～4.0%，鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過3%，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為7.5% ～12.0%(具體見表1)，具有較高的力學(xué)性 能、良好的壓鑄工藝性能和機(jī)械加工性能。近年 來我國研究的Al－Si－Cu新型高強(qiáng)度鋁合金有 YL112、YL113、YL117 等。

1. 2 Al－Mg合金

Al－Mg合金的性能特點(diǎn)是:室溫力學(xué)性能好; 抗蝕性強(qiáng);鑄造性能比較差;力學(xué)性能的波動(dòng)和壁厚 效應(yīng)都比較大;長期使用時(shí)，有因時(shí)效作用而使合金 的塑性下降，甚至壓鑄件出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象;壓鑄件產(chǎn) 生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向也較大等。Al － Mg 合金的 缺點(diǎn)部分抵消了它的優(yōu)點(diǎn)，使其在應(yīng)用方面受到一 定的影響。

1. 3 Al－Zn合金

Al－Zn合金壓鑄件經(jīng)自然時(shí)效后，可獲得較高 的力學(xué)性能。當(dāng)其鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10% 時(shí)，強(qiáng)度顯 著提高。此合金的缺點(diǎn)是耐腐蝕性差，有應(yīng)力腐蝕 的傾向，壓鑄時(shí)易熱裂。常用的Y401合金流動(dòng)性 好，易充滿型腔，缺點(diǎn)是形成氣孔的傾向性大，硅、鐵 含量較少時(shí)，易熱裂。

1. 4 特殊性能的壓鑄鋁合金

國內(nèi)外研制的特殊性能的壓鑄鋁合金有:

裝飾型Al－Mn合金:適用于陽極氧化處理和 著色處理，伸長率高，還具有相當(dāng)?shù)哪臀g性。但其強(qiáng) 度不高，收縮率大，易粘模。

熱處理型Al－Si－Cu合金:可進(jìn)行淬火后不完 全人工時(shí)效和淬火后完全人工時(shí)效至最大硬度。

此外還有表面處理和熱處理復(fù)合型的Al－Mn－Zn合金、耐磨型過共晶Al－Si合金和防爆防振型Al－Zn合金等。另外還有壓鑄鋁合金復(fù)合材料，目 前尚未普遍生產(chǎn)與應(yīng)用。

2 壓鑄件的氣孔缺陷及產(chǎn)生原因

鋁合金壓鑄生產(chǎn)的工件常因氣孔存在而導(dǎo)致報(bào) 廢，產(chǎn)生氣孔的原因很多，在解決這一產(chǎn)品質(zhì)量問題 時(shí)常常無從下手，如何快速、正確地采取措施減少因 氣孔而造成的廢品率，這是各鋁合金壓鑄廠家所關(guān) 注的問題。

在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中，依氣孔產(chǎn)生的原因，常有 如下幾類。

2. 1 精煉除氣質(zhì)量不良產(chǎn)生的氣孔

在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中，熔化了的鋁液澆注溫度 一般常在610～660℃，在此溫度下，鋁液中溶解有 大量的氣體(主要是氫氣)，鋁合金氫氣的溶解度與 鋁合金的溫度密切相關(guān)，在660℃左右的液態(tài)鋁液 中約為0.69cm3/100g，而在660℃左右的固態(tài)鋁合 金中僅為0.036cm3/100g，此時(shí)液態(tài)鋁液中含氫量 約為固態(tài)的 19 ～20 倍。所以當(dāng)鋁合金凝固時(shí)，便有 大量的氫析出以氣泡的形態(tài)存在于鋁合金壓鑄件 中。

減少鋁液中的含氣量，防止大量的氣體在鋁合 金凝固時(shí)析出而產(chǎn)生氣孔，這就是鋁合金熔煉過程 中精煉除氣的目的。如果在鋁液中本來就減少了氣 體的含量，那么凝固時(shí)析出氣體量就會減少，因而產(chǎn) 生的氣泡也顯著減少。因此，鋁合金的精煉是非常 重要的工藝手段，精煉質(zhì)量好，氣孔必然少，精煉質(zhì) 量差，氣孔必然多。保證精煉質(zhì)量的措施是選用良 好的精煉劑，良好的精煉劑是在660℃ 左右可以起 反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，所產(chǎn)生氣泡不太劇烈，而是均勻不斷 的產(chǎn)生氣泡，通過物理吸附作用，這些氣泡與鋁液充 分接觸，吸附了鋁液中的氫將其帶出液面。因此冒 泡時(shí)間不宜過短，一般要有6～8min的冒泡時(shí)間。

當(dāng)鋁合金冷卻到300℃時(shí)，氫在鋁合金中的溶 解度僅為0.001cm3/100g以下，此時(shí)僅為液態(tài)時(shí)的1/700，這種凝固后氫氣析出而產(chǎn)生的氣孔是分散 的，細(xì)小的針孔，這不影響漏氣和加工表面，肉眼基 本看不見。

在鋁液凝固時(shí)因氫氣析出所產(chǎn)生的氣泡比較 大，多在鋁液最后凝固的心部，雖然也分散，但這些 氣泡常常導(dǎo)致滲漏，嚴(yán)重時(shí)常導(dǎo)致工件報(bào)廢。

2. 2 因排氣不良產(chǎn)生的氣孔

在鋁合金壓鑄中，因模具的排氣通道不暢，模具 排氣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不良，壓鑄時(shí)型腔內(nèi)的氣體無法完全 順暢排出，造成在產(chǎn)品某些固定部位存在氣孔。這 種由模具型腔中氣體形成的氣孔時(shí)大時(shí)小，氣孔的 內(nèi)壁呈鋁與空氣氧化的氧化色，與氫氣析出產(chǎn)生的 氣孔不同，氫氣析出氣孔內(nèi)壁不如空氣孔光滑，沒有 氧化色，而是灰亮的內(nèi)壁。對于因排氣不良而產(chǎn)生 的氣孔，應(yīng)改進(jìn)模具的排氣通道，及時(shí)清理模具排氣 通道上的殘留鋁皮就可以避免。

2. 3 因壓鑄參數(shù)不當(dāng)造成卷氣產(chǎn)生的氣孔

在壓鑄生產(chǎn)中壓鑄參數(shù)選擇不當(dāng)，鋁液壓鑄充 型速度過快，使型腔中氣體不能完全及時(shí)平穩(wěn)的擠出型腔，而被鋁液的液流卷入鋁液中，因鋁合金表面 快速冷卻，被包在凝固的鋁合金外殼中，無法排出形 成了較大的氣孔。這種氣孔往往在工件表面之下， 鋁液進(jìn)口比最后匯合處少，呈梨形或橢圓狀，在最后 凝固處又多又大。對于這種氣孔應(yīng)調(diào)整充型速度， 使鋁合金液流平穩(wěn)推進(jìn)，不產(chǎn)生高速流動(dòng)而卷氣。

2. 4 鋁合金的縮氣孔

鋁合金同其它材料一樣，在凝固時(shí)產(chǎn)生收縮，鋁 合金的澆鑄溫度愈高，這種收縮就愈大，單一的因體 積收縮產(chǎn)生的氣孔是存在于合金最后凝固部位，呈 不規(guī)則形狀，嚴(yán)重時(shí)呈網(wǎng)狀。往往在產(chǎn)品中，它與凝 固時(shí)因氫氣析出的氣孔同時(shí)存在，在氫析出氣孔或 卷氣孔的周圍存在縮氣孔，在氣泡周圍有伸向外部 的絲狀或網(wǎng)狀氣孔。

對于這種氣孔，應(yīng)從澆鑄溫度著手解決，在壓鑄 工藝條件允許的情況下，盡量降低壓鑄時(shí)的鋁液澆 鑄溫度。這樣可以減少鑄件的體積收縮，減少縮氣 孔及縮松。如果常在加熱部位出現(xiàn)這種氣孔，可以 考慮增加抽芯或冷鐵，使其改變最后凝固部位，解決 滲漏缺陷問題。

2. 5 因產(chǎn)品壁厚差過大而引起的氣孔

產(chǎn)品形狀常有壁厚差過大問題，在壁厚中心是 鋁液最后凝固的地方，也是最易產(chǎn)生氣孔的部位，這 種壁厚處的氣孔是析出氣孔和收縮氣孔的混合體， 不是一般措施所能防止的。

對產(chǎn)品的形狀在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮盡量減少壁厚 不均勻，或過厚的問題，采取空心結(jié)構(gòu)，在模具設(shè)計(jì) 上應(yīng)考慮增設(shè)抽芯或冷鐵，或水冷，或增加模具此處 的冷卻速度。在壓鑄生產(chǎn)中，要注意厚度大部位的 過冷量，適當(dāng)降低澆注溫度等。

從上述氣孔的分類可知，在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中 產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔的原因很多，必須找出原因?qū)ΠY下藥 才能解決問題。防止氣孔的措施和途徑主要有:

(1)保證鋁合金熔煉的精煉除氣質(zhì)量，選用好 的精煉劑、除氣劑，減少鋁液中的含氣量，及時(shí)清除 液面浮渣、泡子之類氧化物，防止再次帶入氣體進(jìn)入 壓鑄件中。

(2)選擇良好的脫模劑，所選用的脫模劑應(yīng)是 在壓鑄中不產(chǎn)生氣體的，又有良好脫模性能的。

(3)保證模具排氣通暢不堵死，排氣順暢，保證 模具中的氣體完全排出，尤其是在鋁液最后聚合處 排氣通道必須通暢。

(4)調(diào)整好壓鑄參數(shù)，充型速度不可過快，防止卷氣。澆鑄溫度也要控制好。

(5)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)中應(yīng)注意抽芯和冷卻 的使用，盡量減少壁厚差過大。

(6)對常在固定部位出現(xiàn)的氣孔，應(yīng)從模具和 設(shè)計(jì)上改善。

3 鋁合金壓鑄技術(shù)的新發(fā)展

近年來，人們?yōu)榱私鉀Q壓鑄件內(nèi)部存在的氣孔 和縮孔問題，使之能生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高致密性、可焊 接、能進(jìn)行熱處理、可扭曲等各種性能的壓鑄件，在 繼續(xù)完善真空壓鑄以外又發(fā)展了擠壓鑄造和半固態(tài) 壓鑄等新技術(shù)，并概括地稱之為“高密度壓鑄法”。

3. 1 真空壓鑄技術(shù)

真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽空或部分抽 空，降低型腔中的氣壓，以利于充型和排除合金熔體 中的氣體，使合金熔體在壓力作用下充填型腔，并在 壓力下凝固而獲得致密的壓鑄件。

3. 2 充氧壓鑄技術(shù)

壓鑄件中的氣體絕大部分為 N 2 和 H 2 ，幾乎沒 有 O 2 ，主要原因是 O 2 與活性金屬發(fā)生反應(yīng)生成了 固體氧化物，這為充氧壓鑄技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。 充氧壓鑄是在壓鑄前將氧氣充入型腔，取代其中的 空氣。當(dāng)進(jìn)入型腔時(shí)，一部分氧氣從排氣槽排出，殘 留的氧與金屬液發(fā)生反應(yīng)，生成彌散狀的氧化物微 粒，在鑄型內(nèi)形成瞬間真空，從而獲得無氣孔的壓鑄 件。

3. 3 半固態(tài)壓鑄技術(shù)

半固態(tài)壓鑄是在液態(tài)金屬凝固時(shí)進(jìn)行攪拌，在 一定冷卻速度下獲得約 50% 甚至更高固相組分的 漿料，然后通過壓鑄使?jié){料成形的技術(shù)。目前，半固 態(tài)壓鑄有兩種工藝:即流變成形工藝和觸變成形工 藝。前者是將液態(tài)金屬送入特殊設(shè)計(jì)的壓射成形機(jī) 筒中，由螺旋裝置施加剪切使其冷卻成半固態(tài)漿料， 然后進(jìn)行壓鑄。后者是將固態(tài)金屬粒或碎屑送入螺 旋壓射成形機(jī)中，在加熱和受剪切的條件下使半固 態(tài)金屬顆粒經(jīng)壓鑄成形。

3. 4 擠壓壓鑄技術(shù)

擠壓壓鑄又稱“液態(tài)金屬模壓”。其鑄件致密 性好，力學(xué)性能高，且無澆冒口。我國一些企業(yè)已將 其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。擠壓壓鑄技術(shù)具有極好的工 藝優(yōu)勢，它不僅能替代傳統(tǒng)的壓鑄、擠壓鑄造、低壓 鑄造、真空壓鑄工藝，還能對差壓鑄造、連鑄連鍛、半固態(tài)流變鑄造工藝進(jìn)行兼容。專家認(rèn)為，擠壓壓鑄 技術(shù)是一項(xiàng)前沿性的新技術(shù)，橫跨多個(gè)工藝領(lǐng)域，內(nèi) 涵豐富，創(chuàng)新性強(qiáng)，極具挑戰(zhàn)性。

3. 5 電磁泵低壓鑄造技術(shù)

電磁泵低壓鑄造是一種新崛起的低壓鑄造工 藝，同氣體式低壓鑄造技術(shù)相比，在加壓方式方面與 其完全不同。其采用非接觸式的電磁力直接作用于 液態(tài)金屬，大大降低了由于壓縮空氣不純及分壓過 高所帶來的氧化和吸氣等問題，實(shí)現(xiàn)了鋁液的平穩(wěn) 輸送和充型，可防止由于紊流造成的二次污染。另 外電磁泵系統(tǒng)完全采用計(jì)算機(jī)數(shù)字元控制，工藝執(zhí) 行非常準(zhǔn)確、重復(fù)性好，使這種工藝在成品率、力學(xué) 性能、表面質(zhì)量和金屬利用率等方面都具有明顯優(yōu) 勢。隨著研究的不斷深入，這項(xiàng)工藝也愈來愈成熟。

4 結(jié) 語

鋁合金圓盤、圓筒壓鑄件由于其壁厚不均勻，容 易產(chǎn)生氣孔和縮氣孔等壓鑄質(zhì)量缺陷。通過不斷的 澆注試驗(yàn)，工程師可以尋求更優(yōu)化的壓鑄工藝參數(shù)。 這樣既能選擇合理的工藝參數(shù)，又能避免實(shí)際澆鑄 的成本浪費(fèi)，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。希望通 過本課題能對實(shí)際生產(chǎn)有一定幫助，最終的目的是 生產(chǎn)出合格的壓鑄件，滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的需求。 從近年來的國內(nèi)外壓鑄研究來看，隨著理論研究方 面工作的更加深入，尤其是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展， 使金屬在填充型腔的流動(dòng)形態(tài)、金屬在型腔中的凝 固過程、型腔內(nèi)金屬液體的流動(dòng)壓力、模具的溫度梯 度、模具的變形等方面有很大的理論突破。

本文出自輕 金 屬 2012年11期  作者：向 東，陳 晉