鋁合金壓鑄件氣孔屬于內(nèi)部缺陷且不容易被觀察和識(shí)別，尤其是密集型針孔型氣孔缺陷，X光探傷也不能識(shí)別檢測(cè)出來(lái)。在壓鑄成型金屬填充理論的基礎(chǔ)上對(duì)鋁合金壓鑄件氣孔的形成進(jìn)行分析和控制，通過(guò)雙通道高真空技術(shù)、凈化除氣技術(shù)、噴涂工藝優(yōu)化、澆注溢流系統(tǒng)優(yōu)化、壓鑄工藝參數(shù)調(diào)整等技術(shù)的研究與應(yīng)用來(lái)解決壓鑄件氣孔缺陷，經(jīng)過(guò)批量生產(chǎn)后，證明這些改善技術(shù)效果顯著。
近年來(lái)，隨著輕量化及節(jié)能減排的需要，鋁合金在航空航天、汽車(chē)及船舶等交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。汽車(chē)降低能耗的主要途徑有改進(jìn)系統(tǒng)和減輕汽車(chē)重量，而使用輕質(zhì)材料制造汽車(chē)零部件是減輕汽車(chē)重量的有效途徑。鋁合金壓鑄件因優(yōu)異的材料性能、成型方便和輕量化等，成為了首選。隨著汽車(chē)等工業(yè)的發(fā)展，鋁合金壓鑄件產(chǎn)量年增近13%，占有色合金壓鑄件產(chǎn)量的75%以上?，F(xiàn)鋁合金壓鑄件正向著大型、復(fù)雜、薄壁和高精度、集成化方向發(fā)展，推動(dòng)了鋁合金壓鑄技術(shù)的進(jìn)步。鋁合金壓鑄件在汽車(chē)上的應(yīng)用主要集中在殼體件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和其他非發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
氣孔是鑄件中—種內(nèi)表面光滑的球狀孔洞性缺陷，一般為在冷卻和凝固過(guò)程中以氣泡形式析出的氣體來(lái)不及跑出液面而留在鑄件中形成。鋁合金吸入的氣體以氫氣為主，實(shí)踐證明氫能大量地溶解于鋁合金中，氫的來(lái)源通常是鋁和水蒸氣的化學(xué)反應(yīng)。如果除氫不徹底，鋁液就可能含有大量的氣體，從而導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。鑄件冷卻速度越快，當(dāng)氫氣的含量大于其溶解度時(shí)即以氣泡的形式析出，來(lái)不及排出就在鑄件凝固過(guò)程中形成細(xì)小分散的氣孔，即所謂的針孔，且多呈圓形不均勻，常出現(xiàn)在鑄件的厚大斷面和冷卻速率較慢的部位。此外，鋁液在充型過(guò)程中，壓室和模具型腔中的氣體較難逸出，很容易形成氣孔。圖1為鋁合金壓鑄件解剖后氣孔缺陷的形態(tài)，從圖中可以清晰看見(jiàn)，氣孔具有光滑的表面，形狀呈圓形或橢圓形，分布往往是不均勻的。
鋁合金熔體凈化效果對(duì)疏松、氣孔、夾雜等形成有重要影響，并直接影響鋁合金壓鑄件的物理性能、力學(xué)性能及其他使用性能。沒(méi)有高品質(zhì)的鋁合金熔液，即使后續(xù)的晶粒細(xì)化處理再有效、加工成形控制再先進(jìn)、采取的鑄造工藝手段再合理，缺陷一旦從開(kāi)始就產(chǎn)生，它將頑固地存在而且難以彌補(bǔ)，高質(zhì)量的鑄件也就很難得到。因此，在復(fù)雜壓鑄件的制造過(guò)程中必須重視鑄造鋁合金熔體中的氣體問(wèn)題。目前，最有效的降低壓鑄件內(nèi)部氣孔風(fēng)險(xiǎn)的途徑就是嚴(yán)格控制熔體的含氣量，采用針對(duì)性除氣手段降低熔體含氣量。一般鋁合金熔體中的氣體主要是氫氣(約占80%～90%)，其次是氮?dú)?、氧氣、一氧化碳等。鋁在熔化過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生鋁液反應(yīng)而離解出氫。一般氫幾乎不溶于固態(tài)鋁，但在液態(tài)鋁中的溶解度卻很大，并隨溫度的升高而增加。氫在鋁合金固相線上、下的溶解度分別為每100 g鋁液的氫含量0.65 mL和0.034 mL，即氫在固液兩相的溶解度相差約19.1倍。相應(yīng)的理論研究表明，鋁液熔體產(chǎn)氫機(jī)理如下列反應(yīng)式。(1)鋁液與大氣中的水分反應(yīng)：2A1+3H2O=Al2O3+6H(2)鑄錠或回爐料表面腐蝕膜Al(OH)3反應(yīng)：A1(OH)3+A1=Al2O3+3H上述反應(yīng)產(chǎn)生的氫以原子態(tài)溶解在鋁液中。由于溶解度的不同，伴隨著液固相變，氫將遵循西華特定律而析出，當(dāng)氫氣壓力大于表面張力和液體靜壓力時(shí)即形成氣泡，進(jìn)而在鑄件中產(chǎn)生針孔。通過(guò)多輪對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了生產(chǎn)高品質(zhì)復(fù)雜壓鑄件時(shí)鋁合金熔體含氣量應(yīng)控制在0.10～0.14 mL/100 g，并相應(yīng)地采取鋁合金熔體二次除氣處理技術(shù)，即在使用環(huán)保精煉劑一次除氣精煉處理工藝后，再加上吹氮?dú)庑D(zhuǎn)除氣SNIF法，除氣時(shí)間可縮短為4～5 min，以防止長(zhǎng)時(shí)間攪動(dòng)紊流造成的合金吸氣，從而獲得高質(zhì)量鋁合金熔體，氮?dú)庑D(zhuǎn)除氣凈化如圖2所示。(a)鋁液除氣凈化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)
(b)鋁液內(nèi)部通氮?dú)庑D(zhuǎn)除氣
圖2 氮?dú)庑D(zhuǎn)除氣凈化技術(shù)
采用雙系統(tǒng)高真空壓鑄工藝，快速抽除模具型腔內(nèi)的氣體，使金屬液在負(fù)壓下填充型腔，真空度≤80 mbar的型腔處于接近真空狀態(tài)，可以大幅度降低因紊流的金屬液卷入氣體而形成氣孔的可能性，基本可以消除鑄件內(nèi)部氣孔的成因，鑄件含氣量得到有效降低，內(nèi)部氣孔率下降，從而提高致密度，使鑄件的綜合力學(xué)性能在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上大幅提升。
雙通道高真空壓鑄技術(shù)是指同時(shí)從型腔、壓室處抽真空。從型腔抽真空的目的是為了降低型腔中的氣體含量，減少氣孔缺陷;從壓室抽真空的目的在于提高抽氣速率，減少煙氣、水蒸氣對(duì)鑄件的影響，從而提高型腔中的真空度，確保高真空壓鑄的可靠性。高真空壓鑄技術(shù)的難點(diǎn)是真空截止閥的結(jié)構(gòu)與真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前真空閥的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按工作原理可以分為三類(lèi)：第一類(lèi)結(jié)構(gòu)是改變通道的截面積，使金屬液的流動(dòng)性逐步降低，從而在進(jìn)入真空管道之前使金屬液的自然流動(dòng)停止，如鋸齒型的真空閥;第二類(lèi)結(jié)構(gòu)是利用金屬液的慣性沖力使真空閥的排氣通道關(guān)閉，如GF閥，這兩種結(jié)構(gòu)的真空閥由于抽氣速度的局限性，常用于普通真空壓鑄;第三類(lèi)結(jié)構(gòu)是通過(guò)型腔中金屬液的充填位置，利用液壓或氣壓使真空閥閥芯關(guān)閉，這種結(jié)構(gòu)的真空閥適用于高真空壓鑄。真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用雙獨(dú)立真空系統(tǒng)排氣，與單系統(tǒng)真空排氣方式的不同在于熔杯與型腔的排氣是由兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)分別完成的，最大程度上保證了在型腔接力排氣時(shí)，熔杯系統(tǒng)的真空罐壓力為最低，已達(dá)到最終的排氣最佳效果。雙獨(dú)立真空系統(tǒng)排氣如圖3所示。液壓閥結(jié)合排氣板的雙系統(tǒng)高真空排氣是提高結(jié)構(gòu)件真空壓鑄效率的有效手段，見(jiàn)圖4。
圖3 雙獨(dú)立真空系統(tǒng)排氣示意圖
(b)真空閥在壓鑄模上使用
圖4 液壓閥結(jié)合排氣板的模具結(jié)構(gòu)
雙獨(dú)立真空系統(tǒng)排氣抽真空開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)的設(shè)置很關(guān)鍵。抽真空開(kāi)始位置設(shè)置過(guò)早，則壓室和型腔與外界相通，起不到密閉空間作用，抽真空失效;抽真空開(kāi)始位置設(shè)置過(guò)晚，則導(dǎo)致抽真空時(shí)間過(guò)短而抽真空的效果比較差;抽真空結(jié)束位置設(shè)置過(guò)晚容易把合金抽到真空閥里，導(dǎo)致閥體堵塞而抽真空失效。通常在沖頭剛過(guò)壓室鋁液注射口時(shí)，壓室和型腔同時(shí)開(kāi)始抽真空，在高速開(kāi)始前型腔結(jié)束抽真空。
在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中，脫模劑一直是模具冷卻的重要手段。噴涂水基脫模劑時(shí)，壓縮空氣夾帶著脫模劑涂敷模具表面的同時(shí)，受到高溫模具表面對(duì)它們的加熱影響，使脫模劑中的水分在尚未接觸模具表面時(shí)就已經(jīng)氣化，而且隨著與模具表面接觸時(shí)間的不同，水基脫模劑被加熱的溫度也不同，模具被水基脫模劑冷卻的程度也不一樣。在模具熱區(qū)，潤(rùn)滑劑可能更多地受到揮發(fā)溫度或熱梯度的影響。如果型腔的熱區(qū)和周?chē)鋮^(qū)的溫度差很大，則形成表面張力梯度，受馬拉高尼效應(yīng)影響，即當(dāng)一種液體的液膜受到如溫度、濃度等的外界擾動(dòng)而使液膜局部變薄時(shí)，它會(huì)在表面張力梯度的作用下形成馬拉高尼流，使液體沿最佳路線流回薄液面，潤(rùn)滑膜將傾向于流向模具較冷的區(qū)域。如果所噴的脫模劑足夠補(bǔ)償馬拉高尼流效應(yīng)，把模具熱區(qū)完全覆蓋，其結(jié)果是可能在冷區(qū)有太多的脫模劑，在與高溫鋁液接觸時(shí)瞬間氣化導(dǎo)致鑄件形成氣孔或色斑。如圖5所示，某飛輪殼防塵塞安裝孔在產(chǎn)品下端位置，模具也設(shè)計(jì)在最下方位置，在噴涂模具時(shí)，殘余脫模劑易堆積在該部位，導(dǎo)致在壓鑄件的表皮形成密集型氣孔，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)冷隔欠鑄缺陷。后期通過(guò)調(diào)整噴涂工藝，微調(diào)噴涂軌跡、模具底部位置噴涂時(shí)間從5 s降低到3 s、吹氣時(shí)間從4 s增加到7 s等來(lái)避免底部位置脫模劑的殘留，消除防塵塞孔的氣孔缺陷。
如圖6所示，某噴油墊塊內(nèi)腔加工完后出現(xiàn)密集型氣孔，是由于在產(chǎn)品調(diào)試階段采用了手工噴涂作業(yè)，模具中間大抽芯處噴涂涂料過(guò)量吹氣不凈，殘留的脫模劑與鋁液接觸時(shí)瞬間氣化，氣體來(lái)不及逸出形成的密集型針孔缺陷。在保證不勒模的情況下，可適當(dāng)縮短噴涂時(shí)間、減少模具中間型芯表面殘留的脫模劑來(lái)消除該處氣孔缺陷，經(jīng)過(guò)后期批量生產(chǎn)驗(yàn)證，表明改善效果較佳。
鑄件氣孔中的氣體來(lái)源于合金液、模具型腔、壓射室及涂料，但在正常規(guī)范的生產(chǎn)中，鑄件氣孔中的氣體主要來(lái)源于模具型腔和壓射室。模具型腔主要靠合理的澆注系統(tǒng)和溢流排氣系統(tǒng)來(lái)最大程度地減少氣體進(jìn)入鑄件并使之排出模外，而壓射室中的氣體是靠調(diào)整壓射行程來(lái)控制壓射沖頭快速填充位移的起點(diǎn)，也就是慢壓射行程的終點(diǎn)，使合金液以慢速充滿(mǎn)壓室前端堆積于內(nèi)澆口前沿，從而最大程度地減少氣體被合金液卷入而帶入模具型腔，達(dá)到最大程度地減少鑄件中的氣孔、提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量的目的。所以，在壓鑄過(guò)程中對(duì)壓射行程的控制是非常必要的。
某油封座內(nèi)腔大圓加工面出現(xiàn)批量密集型針孔氣孔，在做好鋁合金熔液凈化除氣后仍然有針孔氣孔缺陷(圖7)，通過(guò)二級(jí)快壓射起始位置由415 mm調(diào)整至450 mm，增壓起始位置由480 mm調(diào)整至510 mm后，壓射內(nèi)的氣體充分逸出，鑄件內(nèi)部氣體減少，中間油封孔加工面針孔氣孔缺陷比例明顯降低。
澆注系統(tǒng)包括澆道和排溢兩個(gè)系統(tǒng)。在壓鑄件生產(chǎn)中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)減少模具投產(chǎn)前的試驗(yàn)次數(shù)，對(duì)壓鑄件質(zhì)量、壓鑄生產(chǎn)效率、模具壽命、壓鑄件清理、合金利用率等都有重要影響。這里就澆注系統(tǒng)與鑄件氣孔缺陷做分析，澆注系統(tǒng)中內(nèi)澆道位置、形狀和大小直接影響著金屬液的充型方向、流量和速度，從而影響到鑄件的內(nèi)部質(zhì)量，當(dāng)然溢流槽的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。某發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪室屬大平板類(lèi)鑄件，外形尺寸大，長(zhǎng)654 mm，寬509 mm，高75 mm，如圖8(a)所示。在復(fù)制模調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷主要集中在產(chǎn)品兩側(cè)懸置區(qū)加工端面，見(jiàn)圖8(b)，鑄件內(nèi)部組織中氣體過(guò)多會(huì)導(dǎo)致鑄件在使用過(guò)程中出現(xiàn)耐壓不夠的情況而報(bào)廢。前期通過(guò)調(diào)整壓鑄工藝參數(shù)來(lái)改善鑄件內(nèi)部氣孔缺陷的效果不明顯，最終通過(guò)在模具右側(cè)溢流排氣系統(tǒng)空處增加積渣包，同時(shí)增加模具左側(cè)溢流槽的寬度和深度來(lái)提高兩側(cè)懸置區(qū)的積渣排氣功能。修改的溢流槽寬度由38 mm增加到50 mm，溢流槽的厚度由2.2 mm增加到2.8 mm，模具澆注系統(tǒng)修改位置如圖8(c)所示。模具修改后兩側(cè)懸置區(qū)加工端面密集型針孔缺陷已消除，效果較明顯。
圖8 某發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪室實(shí)物及改善
某氣閥室罩蓋中間裝呼吸器圓孔加工后氣孔缺陷比例持續(xù)較高，在鋁合金熔體除氣凈化、調(diào)整壓鑄工藝參數(shù)、優(yōu)化噴涂工藝和增加中間溢流塊體積后改善效果仍不明顯(圖9)，最終通過(guò)在原有三個(gè)頂桿頂出的基礎(chǔ)上又增加6個(gè)仿形頂出片(圖10)，一是為了平衡零件各處頂出力防止零件頂出時(shí)變形;二是為了利用頂出片型芯與模具之間的間隙加大排氣能力，消除中間圓孔的氣孔缺陷。通過(guò)大批量驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)中間圓孔氣孔缺陷基本消除。
(1)通過(guò)雙通道高真空新技術(shù)的應(yīng)用，降低模具型腔和壓室內(nèi)部氣體的含量，使其接近真空狀態(tài)，同時(shí)增加凈化除氣技術(shù)的應(yīng)用，降低熔體含氣量，從而降低鑄件內(nèi)部氣孔的產(chǎn)生;(2)優(yōu)化噴涂工藝，通過(guò)縮短噴涂時(shí)間、改善噴嘴方向、延長(zhǎng)吹氣時(shí)間，來(lái)降低脫模劑殘留含量，可有效避免鋁液和水分接觸瞬間氣化產(chǎn)生的密集型針孔缺陷;(3)合理的高速切換點(diǎn)選擇對(duì)鑄件內(nèi)部質(zhì)量有較大影響，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量要求對(duì)模具澆注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)壓鑄件品質(zhì)的提升有積極意義。
