關于壓鑄鋁材料的分類、氣孔產生原因？

鑄造是國民經濟重要的基礎工業之一，但鑄造過程的控制、設計及工藝流程往往依賴于經驗判斷，因而鑄件的質量不易保證，廢品率較高。壓力鑄造 是特種鑄造的一種，其實質是液態或者半液態金屬 在高壓力作用下，以較高的速度充填型腔，并在壓力 作用下凝固而獲得鑄件的一種方法。要獲得高質量、高水平壓鑄件，使壓鑄件達到光潔、輪廓清晰、組 織致密、強度高的要求，需要對壓鑄過程中各影響因素進行協調統一。對于鋁合金壓鑄件，從生產準備 到批量生產，牽涉的環節很多，影響因素也很多，包括材質、模具、設備、工藝等各方面。

1.壓鑄鋁合金的分類及性能

壓鑄鋁合金有良好的使用性能和工藝性能，因此鋁合金的壓鑄發展迅速，在各個工業部門中得到廣泛的應用，用量遠遠高于其他有色合金，在壓鑄生 產中占有極其重要的地位。按所含基本元素可將鑄造鋁合金分為Al－Si合金、Al－Cu合金、Al－Mg合金、Al－Zn合金。

1. 1   Al－Si合金

由于共晶Al－Si合金具有結晶溫度間隔小、合金中硅相有很大的凝固潛熱和較大的比熱容、其線收縮系數也比較小的特點，因此其鑄造性能一般要 比其他鋁合金的好，其充型性能也好，熱裂、縮松傾向比較小。Al－Si共晶體中所含的脆性相(硅相) 數量最少，質量分數僅為10%左右，因而其塑性比其他鋁合金好，組織中僅存的脆性相還可通過變質處理降低其脆性。實驗表明Al－Si共晶體在其凝 固點附近溫度仍保持良好的塑性，這是其他鋁合金所沒有的。

鑄造合金組織中常要有相當數量的共晶體，以保證其良好的鑄造性能；共晶體數量的增加又會使合金變脆而降低力學性能，兩者之間存在一定的矛 盾。但是由于Al－Si共晶體有良好的塑性，能較好地兼顧力學性能和鑄造性能兩方面的要求，所以Al－Si合金是目前應用最為廣泛的壓鑄鋁合金。

我國壓鑄鋁合金品種中，絕大多數以Al－Si合金為主，這類合金存在強度較低、切削性能不夠好、螺紋加工困難等現象，所以近年來我國正在開發高強度合金。

在美國的高強度Al－Si－Cu合金(SC84A、SC114A、SC84B、SC102A)中銅的質量分數為 2.0% ～4.0%，鋅的質量分數不超過3%，硅的質量分數 為7.5% ～12.0%(具體見表1)，具有較高的力學性能、良好的壓鑄工藝性能和機械加工性能。近年來我國研究的Al－Si－Cu新型高強度鋁合金有 YL112、YL113、YL117 等。

1. 2   Al－Mg合金

Al－Mg合金的性能特點是：室溫力學性能好；抗蝕性強；鑄造性能比較差；力學性能的波動和壁厚效應都比較大；長期使用時，有因時效作用而使合金的塑性下降，甚至壓鑄件出現開裂的現象；壓鑄件產生應力腐蝕裂紋的傾向也較大等。Al－Mg合金的缺點部分抵消了它的優點，使其在應用方面受到一定的影響。

1. 3   Al－Zn合金

Al－Zn合金壓鑄件經自然時效后，可獲得較高的力學性能。當其鋅質量分數大于10%時，強度顯著提高。此合金的缺點是耐腐蝕性差，有應力腐蝕的傾向，壓鑄時易熱裂。常用的Y401合金流動性好，易充滿型腔，缺點是形成氣孔的傾向性大，硅、鐵含量較少時，易熱裂。

1. 4   特殊性能的壓鑄鋁合金

國內外研制的特殊性能的壓鑄鋁合金有：

裝飾型Al－Mn合金：適用于陽極氧化處理和著色處理，伸長率高，還具有相當的耐蝕性。但其強 度不高，收縮率大，易粘模。

熱處理型Al－Si－Cu合金：可進行淬火后不完全人工時效和淬火后完全人工時效至**硬度。

此外還有表面處理和熱處理復合型的Al－Mn－Zn合金、耐磨型過共晶Al－Si合金和防爆防振型Al－Zn合金等。另外還有壓鑄鋁合金復合材料，目前尚未普遍生產與應用。

鋁合金實驗室化學成份分析日立光譜儀FMS

2.壓鑄件的氣孔缺陷及產生原因

鋁合金壓鑄生產的工件常因氣孔存在而導致報廢，產生氣孔的原因很多，在解決這一產品質量問題時常常無從下手，如何快速、正確地采取措施減少因氣孔而造成的廢品率，這是各鋁合金壓鑄廠家所關注的問題。

在鋁合金壓鑄生產中，依氣孔產生的原因，常有如下幾類。

2. 1   精煉除氣質量不良產生的氣孔

在鋁合金壓鑄生產中，熔化了的鋁液澆注溫度一般常在610～660℃，在此溫度下，鋁液中溶解有大量的氣體(主要是氫氣)，鋁合金氫氣的溶解度與鋁合金的溫度密切相關，在660℃左右的液態鋁液中約為17.25px3/100g，而在660℃左右的固態鋁合 金中僅為0.8999999999999999px3/100g，此時液態鋁液中含氫量約為固態的19～20倍。所以當鋁合金凝固時，便有大量的氫析出以氣泡的形態存在于鋁合金壓鑄件中。

減少鋁液中的含氣量，防止大量的氣體在鋁合金凝固時析出而產生氣孔，這就是鋁合金熔煉過程中精煉除氣的目的。如果在鋁液中本來就減少了氣 體的含量，那么凝固時析出氣體量就會減少，因而產生的氣泡也顯著減少。因此，鋁合金的精煉是非常重要的工藝手段，精煉質量好，氣孔必然少，精煉質量差，氣孔必然多。保證精煉質量的措施是選用良好的精煉劑，良好的精煉劑是在660℃左右可以起反應產生氣泡，所產生氣泡不太劇烈，而是均勻不斷的產生氣泡，通過物理吸附作用，這些氣泡與鋁液充分接觸，吸附了鋁液中的氫將其帶出液面。因此冒泡時間不宜過短，一般要有6～8min的冒泡時間。

當鋁合金冷卻到300℃時，氫在鋁合金中的溶解度僅為0.025px3/100g以下，此時僅為液態時的1/700，這種凝固后氫氣析出而產生的氣孔是分散的，細小的針孔，這不影響漏氣和加工表面，肉眼基 本看不見。

在鋁液凝固時因氫氣析出所產生的氣泡比較大，多在鋁液最后凝固的心部，雖然也分散，但這些氣泡常常導致滲漏，嚴重時常導致工件報廢。

2. 2   因排氣不良產生的氣孔

在鋁合金壓鑄中，因模具的排氣通道不暢，模具排氣設計結構不良，壓鑄時型腔內的氣體無法完全順暢排出，造成在產品某些固定部位存在氣孔。這種由模具型腔中氣體形成的氣孔時大時小，氣孔的內壁呈鋁與空氣氧化的氧化色，與氫氣析出產生的氣孔不同，氫氣析出氣孔內壁不如空氣孔光滑，沒有氧化色，而是灰亮的內壁。對于因排氣不良而產生的氣孔，應改進模具的排氣通道，及時清理模具排氣通道上的殘留鋁皮就可以避免。

2. 3   因壓鑄參數不當造成卷氣產生的氣孔

在壓鑄生產中壓鑄參數選擇不當，鋁液壓鑄充型速度過快，使型腔中氣體不能完全及時平穩的擠出型腔，而被鋁液的液流卷入鋁液中，因鋁合金表面快速冷卻，被包在凝固的鋁合金外殼中，無法排出形成了較大的氣孔。這種氣孔往往在工件表面之下，鋁液進口比最后匯合處少，呈梨形或橢圓狀，在最后凝固處又多又大。對于這種氣孔應調整充型速度，使鋁合金液流平穩推進，不產生高速流動而卷氣。

2. 4   鋁合金的縮氣孔

鋁合金同其它材料一樣，在凝固時產生收縮，鋁合金的澆鑄溫度愈高，這種收縮就愈大，單一的因體積收縮產生的氣孔是存在于合金最后凝固部位，呈不規則形狀，嚴重時呈網狀。往往在產品中，它與凝固時因氫氣析出的氣孔同時存在，在氫析出氣孔或卷氣孔的周圍存在縮氣孔，在氣泡周圍有伸向外部的絲狀或網狀氣孔。

對于這種氣孔，應從澆鑄溫度著手解決，在壓鑄工藝條件允許的情況下，盡量降低壓鑄時的鋁液澆鑄溫度。這樣可以減少鑄件的體積收縮，減少縮氣孔及縮松。如果常在加熱部位出現這種氣孔，可以考慮增加抽芯或冷鐵，使其改變最后凝固部位，解決滲漏缺陷問題。

2. 5   因產品壁厚差過大而引起的氣孔

產品形狀常有壁厚差過大問題，在壁厚中心是鋁液最后凝固的地方，也是最易產生氣孔的部位，這種壁厚處的氣孔是析出氣孔和收縮氣孔的混合體， 不是一般措施所能防止的。

對產品的形狀在設計時就應考慮盡量減少壁厚不均勻，或過厚的問題，采取空心結構，在模具設計上應考慮增設抽芯或冷鐵，或水冷，或增加模具此處的冷卻速度。在壓鑄生產中，要注意厚度大部位的過冷量，適當降低澆注溫度等。

從上述氣孔的分類可知，在鋁合金壓鑄生產中產品產生氣孔的原因很多，必須找出原因對癥下藥才能解決問題。防止氣孔的措施和途徑主要有：

(1)保證鋁合金熔煉的精煉除氣質量，選用好的精煉劑、除氣劑，減少鋁液中的含氣量，及時清除液面浮渣、泡子之類氧化物，防止再次帶入氣體進入壓鑄件中。

(2)選擇良好的脫模劑，所選用的脫模劑應是在壓鑄中不產生氣體的，又有良好脫模性能的。

(3)保證模具排氣通暢不堵死，排氣順暢，保證模具中的氣體完全排出，尤其是在鋁液最后聚合處排氣通道必須通暢。

(4)調整好壓鑄參數，充型速度不可過快，防止卷氣。澆鑄溫度也要控制好。

(5)產品設計和模具設計中應注意抽芯和冷卻的使用，盡量減少壁厚差過大。

(6)對常在固定部位出現的氣孔，應從模具和設計上改善。

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3.鋁合金壓鑄技術的新發展

近年來，人們為了解決壓鑄件內部存在的氣孔和縮孔問題，使之能生產出高強度、高致密性、可焊接、能進行熱處理、可扭曲等各種性能的壓鑄件，在繼續完善真空壓鑄以外又發展了擠壓鑄造和半固態壓鑄等新技術，并概括地稱之為“高密度壓鑄法”。

3. 1   真空壓鑄技術

真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽空或部分抽空，降低型腔中的氣壓，以利于充型和排除合金熔體中的氣體，使合金熔體在壓力作用下充填型腔，并在壓力下凝固而獲得致密的壓鑄件。

3. 2   充氧壓鑄技術

壓鑄件中的氣體絕大部分為N2和H2，幾乎沒有O2，主要原因是O2與活性金屬發生反應生成了固體氧化物，這為充氧壓鑄技術提供了理論基礎。充氧壓鑄是在壓鑄前將氧氣充入型腔，取代其中的空氣。當進入型腔時，一部分氧氣從排氣槽排出，殘留的氧與金屬液發生反應，生成彌散狀的氧化物微粒，在鑄型內形成瞬間真空，從而獲得無氣孔的壓鑄件。

3. 3   半固態壓鑄技術

半固態壓鑄是在液態金屬凝固時進行攪拌，在一定冷卻速度下獲得約50%甚至更高固相組分的漿料，然后通過壓鑄使漿料成形的技術。目前，半固態壓鑄有兩種工藝：即流變成形工藝和觸變成形工藝。前者是將液態金屬送入特殊設計的壓射成形機筒中，由螺旋裝置施加剪切使其冷卻成半固態漿料，然后進行壓鑄。后者是將固態金屬粒或碎屑送入螺旋壓射成形機中，在加熱和受剪切的條件下使半固態金屬顆粒經壓鑄成形。

3. 4   擠壓壓鑄技術

擠壓壓鑄又稱“液態金屬模壓”。其鑄件致密性好，力學性能高，且無澆冒口。我國一些企業已將 其應用于實際生產中。擠壓壓鑄技術具有極好的工藝優勢，它不僅能替代傳統的壓鑄、擠壓鑄造、低壓鑄造、真空壓鑄工藝，還能對差壓鑄造、連鑄連鍛、半固態流變鑄造工藝進行兼容。專家認為，擠壓壓鑄技術是一項前沿性的新技術，橫跨多個工藝領域，內涵豐富，創新性強，**挑戰性。

3. 5   電磁泵低壓鑄造技術

電磁泵低壓鑄造是一種新崛起的低壓鑄造工藝，同氣體式低壓鑄造技術相比，在加壓方式方面與其完全不同。其采用非接觸式的電磁力直接作用于液態金屬，大大降低了由于壓縮空氣不純及分壓過高所帶來的氧化和吸氣等問題，實現了鋁液的平穩輸送和充型，可防止由于紊流造成的二次污染。另 外電磁泵系統完全采用計算機數字元控制，工藝執行非常準確、重復性好，使這種工藝在成品率、力學性能、表面質量和金屬利用率等方面都具有明顯優勢。隨著研究的不斷深入，這項工藝也愈來愈成熟。

4.結 語

鋁合金圓盤、圓筒壓鑄件由于其壁厚不均勻，容易產生氣孔和縮氣孔等壓鑄質量缺陷。通過不斷的澆注試驗，工程師可以尋求更優化的壓鑄工藝參數。這樣既能選擇合理的工藝參數，又能避免實際澆鑄的成本浪費，為企業帶來顯著的經濟效益。希望通過本課題能對實際生產有一定幫助，最終的目的是生產出合格的壓鑄件，滿足企業實際生產的需求。從近年來的國內外壓鑄研究來看，隨著理論研究方面工作的更加深入，尤其是計算機模擬技術的發展，使金屬在填充型腔的流動形態、金屬在型腔中的凝固過程、型腔內金屬液體的流動壓力、模具的溫度、梯度、模具的變形等方面有很大的理論突破。

    鋁合金實驗室化學成份分析日立光譜儀FMS