鋁合金壓鑄件的氣孔缺陷及壓鑄技術新發(fā)展

鑄造是國民經(jīng)濟重要的基礎工業(yè)之一，但鑄造 過程的控制、設計及工藝流程往往依賴于經(jīng)驗判斷， 因而鑄件的質量不易保證，廢品率較高。壓力鑄造 是特種鑄造的一種，其實質是液態(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 量、高水平壓鑄件，使壓鑄件達到光潔、輪廓清晰、組 織致密、強度高的要求，需要對壓鑄過程中各影響因 素進行協(xié)調統(tǒng)一。對于鋁合金壓鑄件，從生產(chǎn)準備 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、模具、設備、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，在各個工業(yè)部門中得到 廣泛的應用，用量遠遠高于其他有色合金，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，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，質量分數(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 處理降低其脆性。實驗表明Al－Si共晶體在其凝 固點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，能較好地兼顧力學性能和鑄造性能兩方面的要求，所以Al－Si合金是目前應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 強度合金。

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

1. 2 Al－Mg合金

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

1. 3 Al－Zn合金

Al－Zn合金壓鑄件經(jīng)自然時效后，可獲得較高 的力學性能。當其鋅質量分數(shù)大于10% 時，強度顯 著提高。此合金的缺點是耐腐蝕性差，有應力腐蝕 的傾向，壓鑄時易熱裂。常用的Y401合金流動性 好，易充滿型腔，缺點是形成氣孔的傾向性大，硅、鐵 含量較少時，易熱裂。

1. 4 特殊性能的壓鑄鋁合金

國內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?shù)哪臀g性。但其強 度不高，收縮率大，易粘模。

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

此外還有表面處理和熱處理復合型的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合材料，目 前尚未普遍生產(chǎn)與應用。

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致報 廢，產(chǎn)生氣孔的原因很多，在解決這一產(chǎn)品質量問題 時常常無從下手，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 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，在660℃左右的液態(tài)鋁液 中約為17.25px3/100g，而在660℃左右的固態(tài)鋁合 金中僅為0.8999999999999999px3/100g，此時液態(tài)鋁液中含氫量 約為固態(tài)的 19 ～20 倍。所以當鋁合金凝固時，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，精煉質量好，氣孔必然少，精煉質 量差，氣孔必然多。保證精煉質量的措施是選用良 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 泡時間不宜過短，一般要有6～8min的冒泡時間。

當鋁合金冷卻到300℃時，氫在鋁合金中的溶 解度僅為0.025px3/100g以下，此時僅為液態(tài)時的1/700，這種凝固后氫氣析出而產(chǎn)生的氣孔是分散 的，細小的針孔，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 氣泡常常導致滲漏，嚴重時常導致工件報廢。

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 排氣設計結構不良，壓鑄時型腔內的氣體無法完全 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大時小，氣孔的 內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，氫氣析出氣孔內壁不如空氣孔光滑，沒有 氧化色，而是灰亮的內壁。對于因排氣不良而產(chǎn)生 的氣孔，應改進模具的排氣通道，及時清理模具排氣 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，鋁液壓鑄充 型速度過快，使型腔中氣體不能完全及時平穩(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。對于這種氣孔應調整充型速度， 使鋁合金液流平穩(wěn)推進，不產(chǎn)生高速流動而卷氣。

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，嚴重時呈網(wǎng)狀。往往在產(chǎn)品中，它與凝 固時因氫氣析出的氣孔同時存在，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)品的形狀在設計時就應考慮盡量減少壁厚 不均勻，或過厚的問題，采取空心結構，在模具設計 上應考慮增設抽芯或冷鐵，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，必須找出原因對癥下藥 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量，選用好 的精煉劑、除氣劑，減少鋁液中的含氣量，及時清除 液面浮渣、泡子之類氧化物，防止再次帶入氣體進入 壓鑄件中。

(2)選擇良好的脫模劑，所選用的脫模劑應是 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)品設計和模具設計中應注意抽芯和冷卻 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，應從模具和 設計上改善。

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