壓鑄工藝講解 | 壓鑄件氣孔特征知識點整理，壓鑄件氣孔分析及解決方案
隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和汽車輕量化的要求，鋁、鎂等合金壓鑄零件明顯增加，為壓鑄業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提供了廣闊前景。由于零件的輕量化需求，對合金材料性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和過程設(shè)計和控制的要求更加嚴(yán)格。
各汽車廠對壓鑄件的要求越來越嚴(yán)格，對壓鑄件孔隙率的要求，一般為５％～１０％，對某些零件的要求甚至到了３％。針對壓鑄件缺陷的檢測方法和檢測位置，可以在壓鑄機(jī)選擇、模具設(shè)計和過程設(shè)計時，借助計算機(jī)模擬分析，進(jìn)行試驗研究，采用Ｐ－Ｑ２軟件等進(jìn)行優(yōu)化。
壓鑄件缺陷中，出現(xiàn)最多的是氣孔。氣孔特征。有光滑的表面，形狀是圓形或橢圓形。表現(xiàn)形式可以在鑄件表面、或皮下針孔、也可能在鑄件內(nèi)部。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，識別缺陷種類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、鎂合金壓鑄氣孔問題。
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一、壓鑄氣體來源分類
1、氣體來源
1)合金液析出氣體—a與原材料有關(guān)b與熔煉工藝有關(guān)
2)壓鑄過程中卷入氣體a與壓鑄工藝參數(shù)有關(guān)b與模具結(jié)構(gòu)有關(guān)
3)脫模劑分解產(chǎn)生氣體a與涂料本身特性有關(guān)b與噴涂工藝有關(guān)
2、原材料及熔煉過程產(chǎn)生氣體分析
鋁液中的氣體主要是氫，約占了氣體總量的85%。
熔煉溫度越高，氫在鋁液中溶解度越高，但在固態(tài)鋁中溶解度非常低，因此在凝固過程中，氫析出形成氣孔。
氫的來源：
1)大氣中水蒸氣，金屬液從潮濕空氣中吸氫。
2)原材料本身含氫量，合金錠表面潮濕，回爐料臟，油污。
3)工具、熔劑潮濕。
3、壓鑄過程產(chǎn)生氣體分析
由于壓室、澆注系統(tǒng)、型腔均與大氣相通，而金屬液是以高壓、高速充填，如果不能實現(xiàn)有序、平穩(wěn)的流動狀態(tài)，金屬液產(chǎn)生渦流，會把氣體卷進(jìn)去。
壓鑄工藝制定需考慮以下問題：
1)金屬液在澆注系統(tǒng)內(nèi)能否干凈、平穩(wěn)地流動，不會產(chǎn)生分離和渦流。
2)有沒有尖角區(qū)或死亡區(qū)存在?
3)澆注系統(tǒng)是否有截面積的變化?
4)排氣槽、溢流槽位置是否正確?是否夠大?是否會被堵住?氣體能否有效、順暢排出?
應(yīng)用計算機(jī)模擬充填過程，就是為了分析以上現(xiàn)象，以作判斷來選擇合理的工藝參數(shù)。
4、涂料產(chǎn)生氣體分析
涂料性能：如發(fā)氣量大對鑄件氣孔率有直接影響。
噴涂工藝：使用量過多，造成氣體揮發(fā)量大，沖頭潤滑劑太多，或被燒焦，都是氣體的來源。
5、解決壓鑄件氣孔的辦法
先分析出是什么原因?qū)е碌臍饪?，再來取相?yīng)的措施。
1)干燥、干凈的合金料。
2)控制熔煉溫度，避免過熱，進(jìn)行除氣處理。
3)合理選擇壓鑄工藝參數(shù)，特別是壓射速度。調(diào)整高速切換起點。
4)順序填充有利于型腔氣體排出，直澆道和橫澆道有足夠的長度(>50mm)，以利于合金液平穩(wěn)流動和氣體有機(jī)會排出。可改變澆口厚度、澆口方向、在形成氣孔的位置設(shè)置溢流槽、排氣槽。溢流品截面積總和不能小于內(nèi)澆口截面積總和的60%，否則排渣效果差。
二、氣孔分析
１.氣孔檢查
對于壓鑄件氣孔檢查，須著重考慮幾個位置：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，切開零件進(jìn)一步檢查。在過程控制時，按ASTM E505等級2控制，關(guān)鍵部位應(yīng)按ASTM E505等級1控制。
氣孔一般表面比較光滑，呈圓形或橢圓形，有時孤立存在，有時簇集在一起。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)，見圖２。有時氣孔和縮孔同時存在于同一個缺陷位置，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，有時氫氣氣孔肉眼難以觀察到。水蒸氣是氫氣最主要的來源，可能來自爐氣、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（見圖４）。氣體源一般使用氬氣、氮氣或氯氣。在金屬液中通入氣體，通過轉(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)子速度和除氣時間等因素的影響，通過檢測除氣后金屬液密度來衡量。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量，再按下式求得試樣相對密度。
式中，ρs為凝固試樣的相對密度；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，卷氣有時單獨存在，有時簇集在一起。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)澆口的過程中，很多空氣會卷入。一般壓鑄工藝不可能改變紊流液體流動模式，但是可以通過改進(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)金屬量占壓室容量的比率。在設(shè)計過程參數(shù)時，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)計過程中，一般通過P-Q2軟件計算（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，金屬液將會產(chǎn)生波浪，在沖頭和模具之間往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)沖頭開始向前運(yùn)動，形成沖頭前面和射筒中部的反射波浪匯合，就會發(fā)生紊流和卷氣。這樣，使鑄件氣孔增加，同時還會引起壓室內(nèi)的液態(tài)金屬激冷，對填充不利。
最佳解決辦法是在金屬波反射之前，沖頭已開始運(yùn)動，也就是說，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)計參數(shù)，滿足至少50%的充滿度。
在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計過程中，還應(yīng)該考慮下面過程因素：①對于冷室壓鑄來講，包括澆注速度、壓射延遲時間、低壓射加速、澆口速度、澆口至低速壓射的切換點、低壓射速度和快速壓射起始點；②對于熱室壓鑄來講，包括低壓射加速、低壓射速度至快速壓射的切換點。對上述參數(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，沖力會使金屬液產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致產(chǎn)生卷氣氣孔缺陷。
通過合理設(shè)計澆道形狀來解決這種卷氣，應(yīng)保證金屬液在整個充型過程中平穩(wěn)，需要對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，可通過模流分析確定該位置，同時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)計時，最好保證至少要有一個齒形排氣道。
真空壓鑄將有助于解決此類問題。在金屬液到達(dá)之前，真空系統(tǒng)已經(jīng)開始運(yùn)行。在作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)監(jiān)控沖頭從澆口到達(dá)真空閥的時間，一般應(yīng)至少1s，有時需要調(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)澆口處開始壓力達(dá)到180kPa，最后填充處能達(dá)到400kPa；真空壓鑄時，采用真空通道和真空閥，在內(nèi)澆口處開始壓力達(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)計時，注意下面幾點：
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，避免泄漏和周圍環(huán)境干擾；真空通道尺寸正確，特別是在型腔進(jìn)口處；測量和監(jiān)控型腔內(nèi)的壓力，如果超出監(jiān)控范圍，報警并自動報廢零件；真空閥正常工作；定期清理真空系統(tǒng)。
2.2.4.模擬分析
壓鑄過程的模擬仿真技術(shù)，對鑄件充型過程（流場）模擬，可以預(yù)測在射筒、澆道和型腔內(nèi)卷氣情況。鑄造充型過程的數(shù)值模擬，可以幫助技術(shù)人員在鑄造工藝階段對鑄件可能出現(xiàn)的各種卷氣壓力大小、部位和發(fā)生的時間予以有效的預(yù)測，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計，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，實際氣孔位置與模擬流場分析卷氣位置符合。
當(dāng)模具參數(shù)和過程參數(shù)設(shè)計改變時，應(yīng)重新進(jìn)行模擬分析并仔細(xì)評估，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)金屬液在填充過程中遇到水時，會形成水蒸氣。在水轉(zhuǎn)化為水蒸氣的過程中，會產(chǎn)生膨脹。在水滴的位置，會形成水蒸氣氣泡。氣泡所占的空間大約是原水滴的1500倍。氣體很難通過排溢系統(tǒng)排出，存在于金屬某處，位置很難預(yù)測。
一般的水蒸氣氣孔大約98%來自壓鑄涂料。主要出現(xiàn)在以下壓鑄過程：
①模具上噴涂過多的水基涂料，當(dāng)模具開始閉合時，型腔內(nèi)沒有完全干燥；
②水管泄漏；
③水管連接螺紋處泄漏；
④模具開裂，有水滲入；
⑤在模具閉合時，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。
三、氣孔問題解決方法
一、流痕(條紋)(拋光法去除)A.、模溫低于180(鋁合金)b、填充速度太高c、涂料過量D。金屬流不同步。對a采取措施：調(diào)整內(nèi)澆口面積
二、冷接：A料溫低或模溫低，B，合金成份不符，流動性差。C，澆口不合理，流程太長D。填充速度低E。排氣不良。F、比壓偏低。
三、擦傷(扣模、粘模、拉痕、拉傷)：A型芯鑄造斜度太小。B，型芯型壁有壓傷痕。C，合金粘附模具。D，鑄件頂出偏斜，或型芯軸線偏斜。E，型壁表面粗糙。F，脫模水不夠。G，鋁合金含鐵量低于0。6%。措施：修模，增加含鐵量。
四、凹陷(縮凹，縮陷，憋氣，塌邊)A.鑄件設(shè)計不合理，有局部厚實現(xiàn)象，產(chǎn)生節(jié)熱。B，合金收縮量大。C，內(nèi)澆口面積太小。D，比壓低。E，模溫高。
五、氣泡(皮下)：A，模溫高。B，填充速度高。C，脫模水發(fā)氣量大。D，排氣不暢。E，開模過早。F，料溫高。
六、氣孔：A，澆口位置和導(dǎo)流形狀不當(dāng)。B，澆道形狀設(shè)計不良。C，壓室充滿度不夠。D，內(nèi)澆口速度太高，產(chǎn)生湍流。E，排氣不暢。F，模具型腔位置太深。G，脫模水過多。H，料不純。
七、縮孔：A，料溫高。B，鑄件結(jié)構(gòu)不均勻。C，比壓太低。D，溢口太薄。E，局部模溫偏高。
八、花紋：A，填充速度快。B，脫模水量太多。C，模具溫度低。
九、裂紋：A，鑄件結(jié)構(gòu)不合理，鑄造圓角小等。B，抽芯及頂出裝置在工作中受力不均勻，偏斜。C，模溫低。D，開模時間長。E，合金成份不符。(鉛錫鎘鐵偏高：鋅合金，鋁合金：鋅銅鐵高，鎂合金：鋁硅鐵高。
十、欠鑄A，合金流動不良引起。B，澆注系統(tǒng)不良C，排氣條件不良。
十一、印痕(鑲塊或活動塊及頂針痕等)
十二、網(wǎng)狀毛刺：A，模具龜裂。B，料溫高。C，模溫低。D，模腔表面不光滑。E，模具材料不當(dāng)或熱處理工藝不當(dāng)。F，注射速度太高。
十三、色斑：脫模水不純或用量過多，或含石墨過多。
十四、麻面：(成噴霧狀沖擊型壁)。
十五、飛邊(披鋒)，鎖模力不夠，模具及滑塊損壞，閉鎖元件失效，鑲塊及滑塊磨損，模具變形，夾批鋒，鎖模力不夠，壓射速度過高，形成壓力沖擊。
十六、分層(隔皮)：A模具剛性不夠，模板抖動，壓室沖頭與壓室配合不好，在壓射中前進(jìn)速度不平穩(wěn)，澆注系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)。
十七、疏松(表層)：模溫低，料溫高，比壓低，脫模水多。
十八、錯邊(錯縫)：模具鑲塊位移，模具導(dǎo)向件磨損，在前后模內(nèi)鑲塊制造誤差。
十九、變形：鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計不良，引起不均勻的收縮，開模過早，鑄造斜度不夠，操作不當(dāng)，除垃圾不當(dāng)，頂針設(shè)置不合理。
二十、碰傷
二十一、夾渣：AL 2 O 3,;MnAl3,為核心,使Fe析出,硅又參與反應(yīng)形成化合物,;硅含量高,或存在游離硅。
二十二、脆性:料溫過高或保溫時間過長,激烈過冷或結(jié)晶過細(xì),合金中雜質(zhì)鋅鐵等含量太多,鋁合金中含水量銅量超出規(guī)定范圍。
二十三、滲漏:壓力不足,澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理或鑄件結(jié)構(gòu)不合理,合金選擇不當(dāng),排氣不良。
二十四、化學(xué)成份不符合要求:原材料不正確,原材料及回爐料未加分析即行投入使用。
二十五、機(jī)械性能不符合要求:合金化學(xué)成份不符標(biāo)準(zhǔn):鑄件內(nèi)部有氣孔,縮孔及夾渣等,對試樣處理方法不對,鑄件結(jié)構(gòu)不合理,限制了鑄件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn).熔煉工藝不當(dāng).檢驗方法除了:目測法,破壞性檢驗,熒光檢驗,著色檢驗,射線檢驗,超聲波檢驗,密閉耐壓試驗,金相檢驗。
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