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汽車(chē)廠對(duì)壓鑄件的要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)壓鑄件孔隙率的要求，一般為５％～１０％，對(duì)某些零件的要求甚至到了３％。針對(duì)壓鑄件缺陷的檢測(cè)方法和檢測(cè)位置，可以在壓鑄機(jī)選擇、模具設(shè)計(jì)和過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)，借助計(jì)算機(jī)模擬分析，進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用Ｐ－Ｑ２軟件等進(jìn)行優(yōu)化。

 

壓鑄件氣孔、縮孔和渣孔缺陷發(fā)生在鑄件內(nèi)部，產(chǎn)生缺陷的原因不盡相同。為了消除缺陷，識(shí)別缺陷種類(lèi)并分析其原因尤為關(guān)鍵，而檢查零件的工具和方法將影響最終的判斷。以下，筆者只討論如何解決鋁、鎂合金壓鑄氣孔問(wèn)題。

 

１.氣孔檢查

對(duì)于壓鑄件氣孔檢查，須著重考慮幾個(gè)位置：①有限元分析最大應(yīng)力位置；②零件模擬分析卷氣位置；③零件工作關(guān)鍵部位（如密封面等）。

 

一般壓鑄件可采用X光檢查；發(fā)現(xiàn)缺陷后，切開(kāi)零件進(jìn)一步檢查。在過(guò)程控制時(shí)，按ASTM E505等級(jí)2控制，關(guān)鍵部位應(yīng)按ASTM E505等級(jí)1控制。

 

氣孔一般表面比較光滑，呈圓形或橢圓形，有時(shí)孤立存在，有時(shí)簇集在一起。圖1為壓鑄件氣孔表面。

而縮孔和縮松形狀不規(guī)則，表面色暗而不光滑，在顯微鏡和電鏡下，可以發(fā)現(xiàn)缺陷位置存在枝晶結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖２。有時(shí)氣孔和縮孔同時(shí)存在于同一個(gè)缺陷位置，要仔細(xì)觀察。

 

２.氣孔形成

2.1.氫氣氣孔

圖３為氫氣氣孔。氫氣氣孔微小，形如針狀，且均勻分布，零件表面加工后才能觀察到。由于壓鑄件壁薄，金屬液凝固速度快，有時(shí)氫氣氣孔肉眼難以觀察到。水蒸氣是氫氣最主要的來(lái)源，可能來(lái)自爐氣、熔煉工具、鋁錠／回收件、油污染機(jī)加工屑和濕精煉劑等。

通常鋁合金壓鑄采用旋轉(zhuǎn)除氣裝置（見(jiàn)圖４）。氣體源一般使用氬氣、氮?dú)饣蚵葰?。在金屬液中通入氣體，通過(guò)轉(zhuǎn)子切成大量微小氣泡，由于氣泡內(nèi)外的濃度差，將氫氣吸入氣泡內(nèi)，一起排出金屬液外（見(jiàn)圖５）。

除氣效果受設(shè)備、氣體選擇、除氣轉(zhuǎn)子速度和除氣時(shí)間等因素的影響，通過(guò)檢測(cè)除氣后金屬液密度來(lái)衡量。采集一定量的鋁液倒入小坩堝內(nèi)，放入減壓室，在減壓條件下凝固，分別在空氣和水中稱(chēng)量，再按下式求得試樣相對(duì)密度。

式中，ρs為凝固試樣的相對(duì)密度；ma為試樣在空氣中的質(zhì)量，g；ｍw為試樣在水中的質(zhì)量，g。

 

2.2.卷氣氣孔

卷氣氣孔呈圓形，內(nèi)部干凈，表面比較光滑且具有光澤，卷氣有時(shí)單獨(dú)存在，有時(shí)簇集在一起。圖6和圖7分別為宏觀和掃描電鏡下卷氣氣孔特征。卷氣一般發(fā)生在沖頭系統(tǒng)、澆道系統(tǒng)和型腔內(nèi)。

 

2.2.1 沖頭系統(tǒng)卷氣

在金屬液從壓室或鵝頸流到內(nèi)澆口的過(guò)程中，很多空氣會(huì)卷入。一般壓鑄工藝不可能改變紊流液體流動(dòng)模式，但是可以通過(guò)改進(jìn)給料系統(tǒng)，減少金屬液到達(dá)內(nèi)澆口的卷氣量。

 

對(duì)于冷室壓鑄，應(yīng)該考慮充滿度，即澆入冷室壓鑄機(jī)的液態(tài)金屬量占?jí)菏胰萘康谋嚷?。在設(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)時(shí)，充滿度要大于50%，以70%~80%為宜。圖８為某壓鑄件充滿度與卷氣量的關(guān)系圖。

 

在壓鑄機(jī)選擇和模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般通過(guò)P-Q2軟件計(jì)算（P為壓力，Q為流量），選擇合適的壓室尺寸和充滿度。在射筒尺寸確定后，要考慮從澆包到射筒的澆注速度。如果充滿度小于50%，壓室的上部空間大，金屬液將會(huì)產(chǎn)生波浪，在沖頭和模具之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)沖頭開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)，形成沖頭前面和射筒中部的反射波浪匯合，就會(huì)發(fā)生紊流和卷氣。這樣，使鑄件氣孔增加，同時(shí)還會(huì)引起壓室內(nèi)的液態(tài)金屬激冷，對(duì)填充不利。

最佳解決辦法是在金屬波反射之前，沖頭已開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，沖頭和初始波的方向相同，這可以大大減少卷氣。另外，使用P-Q2軟件選擇較合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足至少50%的充滿度。

 

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該考慮下面過(guò)程因素：①對(duì)于冷室壓鑄來(lái)講，包括澆注速度、壓射延遲時(shí)間、低壓射加速、澆口速度、澆口至低速壓射的切換點(diǎn)、低壓射速度和快速壓射起始點(diǎn)；②對(duì)于熱室壓鑄來(lái)講，包括低壓射加速、低壓射速度至快速壓射的切換點(diǎn)。對(duì)上述參數(shù)適當(dāng)調(diào)整和監(jiān)控，盡量減少卷氣程度。

 

2.2.2.澆道系統(tǒng)卷氣與排氣

金屬液在64~160km/h速度下，一旦遇到澆道形狀發(fā)生變化，沖力會(huì)使金屬液產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致產(chǎn)生卷氣氣孔缺陷。

 

通過(guò)合理設(shè)計(jì)澆道形狀來(lái)解決這種卷氣，應(yīng)保證金屬液在整個(gè)充型過(guò)程中平穩(wěn)，需要對(duì)澆道的曲線和尺寸合理選擇。

 

2.2.3 型腔卷氣

減少型腔卷氣氣孔缺陷，要確保排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理和排氣通暢。圖9為某壓鑄件排溢系統(tǒng)。排溢系統(tǒng)由溢流槽、排氣槽和溢流道等部分組成。

 

排溢系統(tǒng)應(yīng)保證排出金屬液前端氣體。通常使用Z型或扇形排氣，深度淺而位于模具邊緣，可以避免產(chǎn)生噴射。

 

溢流槽和排氣槽一般設(shè)置在液態(tài)金屬的最后填充位置，可通過(guò)模流分析確定該位置，同時(shí)保證足夠的排氣尺寸；分型面上的排氣槽通常設(shè)置在溢流槽后端，以加強(qiáng)溢流和排氣的效果。齒形排氣道具有良好的排氣效果，模具設(shè)計(jì)時(shí)，最好保證至少要有一個(gè)齒形排氣道。

真空壓鑄將有助于解決此類(lèi)問(wèn)題。在金屬液到達(dá)之前，真空系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行。在作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)監(jiān)控沖頭從澆口到達(dá)真空閥的時(shí)間，一般應(yīng)至少1s，有時(shí)需要調(diào)整低速壓射起始位置。

 

在傳統(tǒng)壓鑄中，使用溢流槽和排氣系統(tǒng)，在內(nèi)澆口處開(kāi)始?jí)毫_(dá)到180kPa，最后填充處能達(dá)到400kPa；真空壓鑄時(shí)，采用真空通道和真空閥，在內(nèi)澆口處開(kāi)始?jí)毫_(dá)到20kPa，最后填充處能達(dá)到18kPa。通常，在真空條件下，型腔內(nèi)的氣體壓力達(dá)到2~7kPa；而在無(wú)真空條件下，型腔內(nèi)氣體壓力達(dá)到300kPa以上。因此，真空技術(shù)可以有效降低型腔內(nèi)壓力。

 

在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，注意下面幾點(diǎn)：①澆道系統(tǒng)避免出現(xiàn)方形轉(zhuǎn)角，并保證澆道的表面光滑；②排溢系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)在最佳位置，保證通到模具邊緣，排氣面積足夠和保證排氣充分；③真空系統(tǒng)設(shè)置在關(guān)鍵表面和連接部分，避免泄漏和周?chē)h(huán)境干擾；真空通道尺寸正確，特別是在型腔進(jìn)口處；測(cè)量和監(jiān)控型腔內(nèi)的壓力，如果超出監(jiān)控范圍，報(bào)警并自動(dòng)報(bào)廢零件；真空閥正常工作；定期清理真空系統(tǒng)。

 

2.2.4.模擬分析

壓鑄過(guò)程的模擬仿真技術(shù)，對(duì)鑄件充型過(guò)程（流場(chǎng)）模擬，可以預(yù)測(cè)在射筒、澆道和型腔內(nèi)卷氣情況。鑄造充型過(guò)程的數(shù)值模擬，可以幫助技術(shù)人員在鑄造工藝階段對(duì)鑄件可能出現(xiàn)的各種卷氣壓力大小、部位和發(fā)生的時(shí)間予以有效的預(yù)測(cè)，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，確保鑄件的質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本。圖10為某壓鑄件卷氣模擬分析，實(shí)際氣孔位置與模擬流場(chǎng)分析卷氣位置符合?！?/span>

 

當(dāng)模具參數(shù)和過(guò)程參數(shù)設(shè)計(jì)改變時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行模擬分析并仔細(xì)評(píng)估，確保排溢系統(tǒng)有效工作。

2.3.水蒸氣氣孔

外觀上水蒸氣氣孔一般呈現(xiàn)為圓形、灰色、暗淡、不平整和干燥鱗狀特征，見(jiàn)圖11。出現(xiàn)此特征應(yīng)檢查脫模劑噴涂和模具冷卻水管泄漏狀況。

當(dāng)金屬液在填充過(guò)程中遇到水時(shí)，會(huì)形成水蒸氣。在水轉(zhuǎn)化為水蒸氣的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生膨脹。在水滴的位置，會(huì)形成水蒸氣氣泡。氣泡所占的空間大約是原水滴的1500倍。氣體很難通過(guò)排溢系統(tǒng)排出，存在于金屬某處，位置很難預(yù)測(cè)。

 

一般的水蒸氣氣孔大約98%來(lái)自壓鑄涂料。主要出現(xiàn)在以下壓鑄過(guò)程：①模具上噴涂過(guò)多的水基涂料，當(dāng)模具開(kāi)始閉合時(shí)，型腔內(nèi)沒(méi)有完全干燥；②水管泄漏；③水管連接螺紋處泄漏；④模具開(kāi)裂，有水滲入；⑤在模具閉合時(shí)，模具上端的水滴流入型腔內(nèi)；⑥水基液壓液體殘留在模具上。