铝合金压铸件的气孔缺陷及压铸技术新发展

1、铝合金压铸件的气孔缺陷及压铸技术新发展发布日期：2016-07-07  来源：轻 金 属 2012年11期  作者：向 东，陈 晋  浏览次数：414核心提示：压铸铝合金有良好的使用性能和工艺性能，因此铝合金的压铸发展迅速，在各个工业部门中得到广泛的应用，用量远远高于其他有色合金，在压铸生产中占有极其重要的地位。铝合金压铸生产的工件常因气孔存在而导致报废，产生气孔的原因很多，在解决这一产品质量问题时常常无从下手，如何快速、正确地采取措施减少因气孔而造成的废品率，这是各铝合金压铸厂所关注的问题。近年来，人们为了解决压铸件内部存在的气孔和

2、缩孔问题，使之能生产出高强度、高致密性、可焊接、能进行热处理、可扭曲等各种性能的压铸件，在继续完善真空压铸以外又发展了挤压铸造和半铸造是国民经济重要的基础工业之一，但铸造 过程的控制、设计及工艺流程往往依赖于经验判断， 因而铸件的质量不易保证，废品率较高。压力铸造 是特种铸造的一种，其实质是液态或者半液态金属 在高压力作用下，以较高的速度充填型腔，并在压力 作用下凝固而获得铸件的一种方法。要获得高质 量、高水平压铸件，使压铸件达到光洁、轮廓清晰、组 织致密、强度高的要求，需要对压铸过程中各影响因 素进行协调统一。对于铝合金压铸件，从生产准备 到批量生产，牵涉的环节很多，影响因素也很多，包 括材

3、质、模具、设备、工艺等各方面。1 压铸铝合金的分类及性能压铸铝合金有良好的使用性能和工艺性能，因 此铝合金的压铸发展迅速，在各个工业部门中得到 广泛的应用，用量远远高于其他有色合金，在压铸生 产中占有极其重要的地位。按所含基本元素可将铸造铝合金分为AlSi合金、AlCu合金、AlMg 合 金、AlZn合金。1. 1 AlSi合金由于共晶AlSi合金具有结晶温度间隔小、合 金中硅相有很大的凝固潜热和较大的比热容、其线 收缩系数也比较小的特点，因此其铸造性能一般要 比其他铝合金的好，其充型性能也好，热裂、缩松倾 向比较小。AlSi共晶体中所含的脆性相(硅相) 数量最少，质量分数仅为 10% 左右，

4、因而其塑性比 其他铝合金好，组织中仅存的脆性相还可通过变质 处理降低其脆性。实验表明AlSi共晶体在其凝 固点附近温度仍保持良好的塑性，这是其他铝合金 所没有的。铸造合金组织中常要有相当数量的共晶体，以 保证其良好的铸造性能;共晶体数量的增加又会使 合金变脆而降低力学性能，两者之间存在一定的矛 盾。但是由于AlSi共晶体有良好的塑性，能较好地兼顾力学性能和铸造性能两方面的要求，所以AlSi合金是目前应用最为广泛的压铸铝合金。我国压铸铝合金品种中，绝大多数以AlSi合 金为主，这类合金存在强度较低、切削性能不够好、 螺纹加工困难等现象，所以近年来我国正在开发高 强度合金。在美国的高强度AlSiC

5、u合金(SC84A、SC114A、SC84B、SC102A)中铜的质量分数为 2.0% 4.0%，锌的质量分数不超过3%，硅的质量分数 为7.5% 12.0%(具体见表1)，具有较高的力学性 能、良好的压铸工艺性能和机械加工性能。近年 来我国研究的AlSiCu新型高强度铝合金有 YL112、YL113、YL117 等。1. 2 AlMg合金AlMg合金的性能特点是:室温力学性能好; 抗蚀性强;铸造性能比较差;力学性能的波动和壁厚 效应都比较大;长期使用时，有因时效作用而使合金 的塑性下降，甚至压铸件出现开裂的现象;压铸件产 生应力腐蚀裂纹的倾向也较大等。Al Mg 合金的 缺点部分抵消了它的优

6、点，使其在应用方面受到一 定的影响。1. 3 AlZn合金AlZn合金压铸件经自然时效后，可获得较高 的力学性能。当其锌质量分数大于10% 时，强度显 著提高。此合金的缺点是耐腐蚀性差，有应力腐蚀 的倾向，压铸时易热裂。常用的Y401合金流动性 好，易充满型腔，缺点是形成气孔的倾向性大，硅、铁 含量较少时，易热裂。1. 4 特殊性能的压铸铝合金国内外研制的特殊性能的压铸铝合金有:装饰型AlMn合金:适用于阳极氧化处理和 着色处理，伸长率高，还具有相当的耐蚀性。但其强 度不高，收缩率大，易粘模。热处理型AlSiCu合金:可进行淬火后不完 全人工时效和淬火后完全人工时效至最大硬度。此外还有表面处理

7、和热处理复合型的AlMnZn合金、耐磨型过共晶AlSi合金和防爆防振型AlZn合金等。另外还有压铸铝合金复合材料，目 前尚未普遍生产与应用。2 压铸件的气孔缺陷及产生原因铝合金压铸生产的工件常因气孔存在而导致报 废，产生气孔的原因很多，在解决这一产品质量问题 时常常无从下手，如何快速、正确地采取措施减少因 气孔而造成的废品率，这是各铝合金压铸厂家所关 注的问题。在铝合金压铸生产中，依气孔产生的原因，常有 如下几类。2. 1 精炼除气质量不良产生的气孔在铝合金压铸生产中，熔化了的铝液浇注温度 一般常在610660，在此温度下，铝液中溶解有 大量的气体(主要是氢气)，铝合金氢气的溶解度与 铝合金的

8、温度密切相关，在660左右的液态铝液 中约为0.69cm3/100g，而在660左右的固态铝合 金中仅为0.036cm3/100g，此时液态铝液中含氢量 约为固态的 19 20 倍。所以当铝合金凝固时，便有 大量的氢析出以气泡的形态存在于铝合金压铸件 中。减少铝液中的含气量，防止大量的气体在铝合 金凝固时析出而产生气孔，这就是铝合金熔炼过程 中精炼除气的目的。如果在铝液中本来就减少了气 体的含量，那么凝固时析出气体量就会减少，因而产 生的气泡也显著减少。因此，铝合金的精炼是非常 重要的工艺手段，精炼质量好，气孔必然少，精炼质 量差，气孔必然多。保证精炼质量的措施是选用良 好的精炼剂，良好的精炼

9、剂是在660 左右可以起 反应产生气泡，所产生气泡不太剧烈，而是均匀不断 的产生气泡，通过物理吸附作用，这些气泡与铝液充 分接触，吸附了铝液中的氢将其带出液面。因此冒 泡时间不宜过短，一般要有68min的冒泡时间。当铝合金冷却到300时，氢在铝合金中的溶 解度仅为0.001cm3/100g以下，此时仅为液态时的1/700，这种凝固后氢气析出而产生的气孔是分散 的，细小的针孔，这不影响漏气和加工表面，肉眼基 本看不见。在铝液凝固时因氢气析出所产生的气泡比较 大，多在铝液最后凝固的心部，虽然也分散，但这些 气泡常常导致渗漏，严重时常导致工件报废。2. 2 因排气不良产生的气孔在铝合金压铸中，因模具

10、的排气通道不畅，模具 排气设计结构不良，压铸时型腔内的气体无法完全 顺畅排出，造成在产品某些固定部位存在气孔。这 种由模具型腔中气体形成的气孔时大时小，气孔的 内壁呈铝与空气氧化的氧化色，与氢气析出产生的 气孔不同，氢气析出气孔内壁不如空气孔光滑，没有 氧化色，而是灰亮的内壁。对于因排气不良而产生 的气孔，应改进模具的排气通道，及时清理模具排气 通道上的残留铝皮就可以避免。2. 3 因压铸参数不当造成卷气产生的气孔在压铸生产中压铸参数选择不当，铝液压铸充 型速度过快，使型腔中气体不能完全及时平稳的挤出型腔，而被铝液的液流卷入铝液中，因铝合金表面 快速冷却，被包在凝固的铝合金外壳中，无法排出形

11、成了较大的气孔。这种气孔往往在工件表面之下， 铝液进口比最后汇合处少，呈梨形或椭圆状，在最后 凝固处又多又大。对于这种气孔应调整充型速度， 使铝合金液流平稳推进，不产生高速流动而卷气。2. 4 铝合金的缩气孔铝合金同其它材料一样，在凝固时产生收缩，铝 合金的浇铸温度愈高，这种收缩就愈大，单一的因体 积收缩产生的气孔是存在于合金最后凝固部位，呈 不规则形状，严重时呈网状。往往在产品中，它与凝 固时因氢气析出的气孔同时存在，在氢析出气孔或 卷气孔的周围存在缩气孔，在气泡周围有伸向外部 的丝状或网状气孔。对于这种气孔，应从浇铸温度着手解决，在压铸 工艺条件允许的情况下，尽量降低压铸时的铝液浇 铸温度

12、。这样可以减少铸件的体积收缩，减少缩气 孔及缩松。如果常在加热部位出现这种气孔，可以 考虑增加抽芯或冷铁，使其改变最后凝固部位，解决 渗漏缺陷问题。2. 5 因产品壁厚差过大而引起的气孔产品形状常有壁厚差过大问题，在壁厚中心是 铝液最后凝固的地方，也是最易产生气孔的部位，这 种壁厚处的气孔是析出气孔和收缩气孔的混合体， 不是一般措施所能防止的。对产品的形状在设计时就应考虑尽量减少壁厚 不均匀，或过厚的问题，采取空心结构，在模具设计 上应考虑增设抽芯或冷铁，或水冷，或增加模具此处 的冷却速度。在压铸生产中，要注意厚度大部位的 过冷量，适当降低浇注温度等。从上述气孔的分类可知，在铝合金压铸生产中

13、产品产生气孔的原因很多，必须找出原因对症下药 才能解决问题。防止气孔的措施和途径主要有:(1)保证铝合金熔炼的精炼除气质量，选用好 的精炼剂、除气剂，减少铝液中的含气量，及时清除 液面浮渣、泡子之类氧化物，防止再次带入气体进入 压铸件中。(2)选择良好的脱模剂，所选用的脱模剂应是 在压铸中不产生气体的，又有良好脱模性能的。(3)保证模具排气通畅不堵死，排气顺畅，保证 模具中的气体完全排出，尤其是在铝液最后聚合处 排气通道必须通畅。(4)调整好压铸参数，充型速度不可过快，防止卷气。浇铸温度也要控制好。(5)产品设计和模具设计中应注意抽芯和冷却 的使用，尽量减少壁厚差过大。(6)对常在固定部位出现

14、的气孔，应从模具和 设计上改善。3 铝合金压铸技术的新发展近年来，人们为了解决压铸件内部存在的气孔 和缩孔问题，使之能生产出高强度、高致密性、可焊 接、能进行热处理、可扭曲等各种性能的压铸件，在 继续完善真空压铸以外又发展了挤压铸造和半固态 压铸等新技术，并概括地称之为“高密度压铸法”。3. 1 真空压铸技术真空压铸法是将型腔中的气体抽空或部分抽 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。3. 2 充氧压铸技术压铸件中的气体绝大部分为 N 2 和 H 2 ，几乎没 有 O 2 ，主要原因是 O 2 与活性金属发

15、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。3. 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:即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入螺

16、 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。3. 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，它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。3. 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，在加压方式方面与 其完全不同。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。4 结 语铝合金圆盘、圆筒压铸件