铝合金压铸件缺陷分析及对策和压铸技术新发展

1、铝合金压铸件缺陷分析及对策和压铸技术新发展韩恒恒1李晓棠1曹殿涛2吴海波1（1. 贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025；2. 中大贝莱特集团研究院研发三部，山东德州253000）摘要：铝合金压铸件生产中出现的各种缺陷会严重影响铸件的使用功能。文章简要阐述了近几年国内外学者对铝合金压铸件生产的研究，其中包括生产中出现的各种缺陷、缺陷形成原因和对铸件性能的影响，及提出的减小缺陷的对策。同时又对压铸技术的新发展做了简要介绍。关键词：铝合金；缺陷；对策；压铸技术新发展中图分类号：TG249.2文献标识码：A文章编号：1672-4801（2014）06-095-03压铸是近代金属加工工艺中发展较为

2、快速的一种高效、少无切削的金属成形精密铸造方法，已广泛地应用在国民经济的各行各业中。在压铸生产中，铝合金在使用性能和工艺性能上表现优越，因此，铝合金的压铸发展迅速，用量远远地高于其他有色合金，在压铸生产中占有极其重要的地位1。但铝合金压铸件在生产中也会出现很多的缺陷，这些缺陷严重影响着铸件的使用性能。本文主要介绍了近几年国内外相关研究关于铝合金压铸件生产出现的主要缺陷及其形成原因和对铸件性能的影响，及提出的相应对策，并就压铸技术的新发展做简要介绍。1压铸件的缺陷及其相关研究与对策1.1气孔气孔是铝合金压铸件常见的缺陷，它的存在不仅会减少铸件的有效面积，还会造成铸件局部应力集中而成为断裂的裂纹源

3、。一些不规则气孔的出现，还会使金属的强度下降，从而抗疲劳能力降低。同时也降低了铸件的抗腐蚀性能、抗裂纹扩展性能，影响铸件的表面粗糙度2。在铝合金压铸件生产中，气孔产生的原因可分为以下几类：精炼除气质量不良、排气不良、压铸参数不当造成卷气、产品壁厚差过大3。 文献4运用Flow 3D 软件对A365半固态浆料在压铸机压室内慢压射阶段的流动性进行数值模拟，阐述了卷气与压室充满度和慢压射速度的关系。得出：在不同的压室充满度和不同的压铸速度下，均存在卷气的可能，但数量和倾向有所不同5。文献2通过对不同的合金进行脱氢实验、附加不同的表面压力实验及采用不同的凝固速度观察铸件气孔的形成。得出：铝合金液中的含

4、氢量是导致铸件气孔形成的主要原因；在附加压力下，铝液的含氢量越大，形成的气孔越多；趋向于体积凝固方式的结晶温度范围较宽的合金比趋向于逐层凝固的结晶温度范围窄的合金更易形成缩孔缩松。文献6提出泵盖气孔缺陷产生的原因有：熔炼时金属液中所含气体过多、压铸速度过快。减少铸件气孔的措施有：合理的加入回炉料及铝液精炼（回炉料与新料的配比通常控制在21左右；铝液的精炼中通入惰性气体除气）、控制压射速度（充填速度偏低会造成铸件的轮廓不清晰，过高时型腔中的空气难以排除产生气孔）、选择合理的压室容积比（通常为0.250.6）。文献7研究了不同冷却速度对铝合金铸件中心截面气孔的影响。得出：冷却速度快时铸件形成的气孔

5、较少，分布比较集中并且呈规则的小圆形；冷却速度较慢时铸件形成的气孔分布在试样的界面上，数量多，而且大小、形状不同。文献8研究了铸造工艺参数如浇注温度、压射压力、一级压射速度等对ADC12铝合金支架压铸件缺陷的影响，得出可以通过改进工艺来降低其气孔缺陷，提高其性能。该铸件与浇注系统见图1所示，试验铸件断面见图2所示。由图2可以图1浇注系统示意图图2压铸件内部缺陷作者简介：韩恒恒（1989），女，硕士研究生，研究方向：计算机辅助创新设计与分析。看出压铸件内部有较多的气孔和针孔。通过进行大量的压铸试验得出：较低的浇注温度、压射压力和慢压射速度有利于减少气孔的形成，但是过慢的慢压射速度容易增加合金液与

6、空气的接触时间，导致气孔数量的增加。含量和尺寸，并使气孔趋于不规则。1.2缩孔、缩松缩孔、缩松是由于铸件在冷却凝固的过程中合金的体积收缩得不到补足而在铸件最后凝固的部位形成的一些空洞。其中大而集中的空洞称为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。缩孔、缩松的存在会减少铸件的有效承载截面积，还会引起应力集中，导致铸件力学性能下降，对于某些对性能要求高的铸件，在主要的加工配合面的部位出现的缩孔、缩松，则会使铸件成为废品10。文献11利用Anycasting 软件对4G93SD4气缸盖三维实体造型进行数值模拟，结果发现在铸件底部边缘容易产生缩松，此部位与实际铸件的缺陷部位一致。通过对铸件典型部位进行多次测温模

7、拟，综合分析后，得出把工艺参数定为浇注温度690、增压时间38s 、结晶压力0.7bar ，并添加冒口和改变浇口能够很好地消除缺陷。文献12介绍了一款新的大型铝合金动力系统部件的压铸技术开发要点及在开发过程中的品质控制对策。此压铸件经X 射线检测，发现铸件内部多处出现气孔、缩孔、缩松（见图3）。通过对该铸件的充型过程进行数值模拟，得出：模内喷涂，可降低厚壁处的模具温度；可以加大相关位置处的溢流槽体积，尽可能将含有气体、 氧化夹杂的图3铸件的主要缺陷位置冷料排入溢流槽，同时改善模具的温度分布，有利于缩松等缺陷的消除；在不影响产品外观及力学性能的前提下，优化产品的结构，减少壁厚，消除热节；对于无法

8、减轻壁厚的位置，可以通过实施局部加压，消除壁厚大的位置处的缩孔缺陷。1.3冷隔、流痕、夹渣等缺陷压铸件在高压下快速凝固，容易产生冷隔、流痕、夹渣等缺陷。冷隔是金属流对接但未熔合而形成的不规则线形缝隙，产生的原因有：金属液浇注温度低或是模具温度低；合金的流动性不好；金属液分股填充，熔合不良；浇口设计不合理，流程太长；填充速度低或排气不良；压射比压偏低。流痕是铸件表层上出现和金属液流动方向相同的，用手抚摸会察觉出部分往下凹陷的光滑纹路，产生的原因有：两股金属液体不是同时充满型腔而产生的痕迹; 模具温度比较低; 压铸合金液体填充模具的速度太快; 涂料使用量太多。夹渣是铸件中内部或表面上存在和集体金属

9、成分不同的质点，产生的原因有：浇注前金属液上面的浮渣没有扒干净，浇注时挡渣不好，浮渣随着金属液进入铸型；浇注系统设计不合理，挡渣效果差，进入浇注系统的渣子直接进入型腔而没有被排出。文献13中用有限差分法的铸造分析软件ADSTEFAN 对某铝合金壳型件充型过程进行了数值计算，通过流场、温度场计算分析了产品冷隔、流痕等缺陷的分布及成因，得出：合理的设置溢流槽能够容纳充型过程中流动前沿的过冷金属液以及氧化渣，从而能够很好地降低铸件的冷隔、流痕、夹渣等缺陷。文献14提到减少冷隔的对策有：提高铝合金熔体和模具温度，增大压射力；降低模具及浇注系统表面粗糙度，以减少液态金属流动阻力；合理的设计內浇口的数量及

10、分布。2压铸技术的新发展为了解决压铸件内部存在的上述各缺陷，生产出高强度、高致密性、能进行热处理等性能的压铸件，在继续完善真空压铸以外，挤压压铸和半固态压铸等新技术（也称为“高密度压铸法”）得到了发展。2.1真空压铸技术真空压铸法是将型腔中的气体抽空或是部分抽空，降低型腔中的气压，以利于充型和排除合金熔体中的气体，使合金熔体在压力作用下充填型腔，并在压力下凝固而获得致密的压铸件。2.2充氧压铸技术压铸件中的气体绝大部分为氮气和氢气，几乎没有氧气，主要原因是氧气与活性金属发生反应生成了固体氧化物，这为充氧压铸技术提供了理论基础。充氧压铸是在压铸前将氧气充入型腔，取代其中的空气。当进入型腔时，一部

11、分氧气从排气槽排出，残留的氧与金属液发生反应，生成弥散状的氧化物微粒，在铸型内形成瞬间真空，从而获得无气孔的压铸件。2.3半固态压铸技术半固态压铸是在液态金属凝固时进行搅拌，在一定冷却速度下获得约50%甚至更高固相组分的浆料，然后通过压铸使浆料成形的技术。目前，半固态压铸有两种工艺：流变成形工艺和触变成形工艺。前者是将液态金属送入特殊设计的压射成形机筒中，由螺旋装置施加剪切使其冷却成半固态浆料，然后进行压铸。后者是将固态金属粒或碎屑送人螺旋压射成形机中，在加热和受剪切的条件下使半固态金属颗粒经压铸成形。2.4挤压压铸技术挤压压铸又称“液态金属模压”。其铸件致密性好，力学性能高，且无浇冒口。我国

12、一些企业已将其应用于实际生产中。挤压压铸技术具有极好的工艺优势，不仅能替代传统的压铸、挤压铸造、低压铸造、真空压铸工艺，还能对差压铸造、连铸连锻、半固态流变铸造工艺进行兼容。专家认为，挤压压铸技术是一项前沿性的新技术，横跨多个工艺领域，内涵丰富，创新性强，极具挑战性。2.5电磁泵低压铸造技术电磁泵低压铸造是一种新崛起的低压铸造工艺，同气体式低压铸造技术相比，在加压方式方面完全不同。其采用非接触式的电磁力直接作用于液态金属，大大降低了由于压缩空气不纯及分压过高所带来的氧化和吸气等问题，实现了铝液的平稳输送和充型，可防止由于紊流造成的二次污染。另外，电磁泵系统完全采用计算机数字元控制，工艺执行非常

13、准确、重复性好，使这种工艺在成品率、力学性能、表面质量和金属利用率等方面都具有明显优势。随着研究的不断深入，这项工艺也愈来愈成熟。3结语本文简要介绍了国内外相关研究关于铝合金压铸件生产出现的主要缺陷及其形成原因和这些缺陷对铸件性能的影响，及提出的相应对策；同时简要介绍了几种新的压铸技术。希望能对铝合金压铸件的生产起一定的指导作用，以提高其生产率，降低废品率。参考文献：1赖华清. 压铸工艺及模具M.北京：机械工业出版社，2005.2李俊. 影响铝合金铸件气孔形成因素的研究D.沈阳：沈阳理工大学，2011.3向东，陈晋. 铝合金压铸件的气孔缺陷及压铸技术新发展J.轻金属，2012（11）：60-6

14、2. 4薛岳腾.A356半固态金属浆料的制备及压铸工艺的数值模拟D.河北：河北工业大学，2007. 5张俊杰，曹凤江，谭建波. 压铸数值模拟及研究现状J.铸造设备与工艺，2011（2）：47. 6崔黎明，姚三九，苏建磊. 铝合金泵盖压铸件气孔缺陷分析及对策J.铸造技术，2007，28（12）：1664.7舒虎平. 冷却速度对铝合金铸件气孔形成的影响J.铸造工程，2011，35（3）：27. 8历长云，王有超，许磊，等. 铸造工艺参数对ADC12铝合金支架压铸件缺陷的影响J.特种铸造及有色合金，2010，30（12）：1120-1122.9蒙多尔福LF. 铝合金的组织与性能M.北京：冶金工业出版社，1988.10施江澜，赵占西. 材料成形技术基础M.北京：机械工业出版社，2008.11刘一军.4G93D4气缸盖低压铸造凝固模拟研究A.2007