压铸铝合金要点.doc

铝合金压铸件中气孔缺陷及压铸技术新发展
摘要：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度品率，这是各铝合金压铸厂所关注的问题。
关键词：压铸铝合金；性能；气孔缺陷；精炼处理
1、压铸铝合金的性能及分类
长期以来,在我国由于压铸件本身中总是存在气孔的缺陷,所以它们经常地只是局限于一些装饰零件,受载荷不大的零件制造,故压铸铝合金的牌号发展一直停留在几个型号上。但是,随着生产的发展,压铸技术的掌握,人们在扩大压铸件的应用范围方面提出了更多的要求,如在自行车减轻自重的结构改进中,很重要的措施之一就是用铝合金代替钢材制作自行车的零件。
压铸铝合金除了应满足所制零件的工作性能要求外,为了能顺利地进行压力铸造,它还应具有如下的性能:
（1）在过热度不高,甚至处于固、液相线温度范围内时,它应有较好的塑性体流变性能,即在压力作用下,貌似粘稠的铝合金液仍具有优良的流动性,便于填充复杂的型腔,保证良好的压铸件表面质量,减少铸件内的收缩孔洞。同时改善压铸型的工作状况,提高其工作寿命；
（2）线收缩率小,并且有一定的高温强度,以免铸件产生裂纹和变形,提高铸件尺寸精度；
（3）结晶温度范围小，可以减少铸件中收缩孔洞产生的可能性；
（4）具有一定的高温固态强度，防止模具开模时推出铸件产生变形或破裂；
（5）在常温下应具有一定的强度，以尽可能提高压铸件的机械强度和表面硬度；
（6）与压铸型不发生化学反应,亲和力小,防止粘型和铸件、铸型相互合金化；
（7）在高温熔融状态下不易吸气、氧化,以便能满足压铸时需长期保温的要求。
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、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。Al-Si共晶体中所含的脆性相(硅相)数量最少，质量分数仅为lO％左右，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Al-Si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Al-Si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Al-Si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Al-Si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。
1.2 Al-Zn合金
Al-Zn合金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Y40l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。
1.3 Al-Mg合金
Al-Mg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点，使其在应用方面受到一定的影响。
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Al—Mn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Al一Si—Cu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。
此外还有表面处理和热处理复合型的Al一Mn—zn合金、耐磨型过共晶Al—Si合金和防爆防振型Al—zn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
在铝合金压铸生产中，人们常笼统地把产品的孔洞称之为气孔，产生气孔的原因很多，归结起来可以分为以下几类，分别为由于精炼除气质量不良产生的气孔、因排气不良产生的气孔、因压铸参数不当造成卷气而产生的气孔、铝合金的缩气孔、因产品壁厚差过大而引起的气孔。现对其进行具体分析。
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6lO-660℃，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温度密切相关，在660℃左右的液态铝液中约为O.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6～8min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0.00lcm3/100g以下，此时仅为液态时的l/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。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。
3、铝合金压铸件中因氢气产生气孔
在铝合金压铸生产中，大量来源于铝和水蒸气反应和金属炉料或回炉料带入的油污、有机物、盐类熔剂等与铝液反应生成的氢气溶解于铝合金液中，氢气的溶解度在液态和固态铝合金有相当大差异。铝合金液在冷却凝固过程中的某一时刻，氢的含量超过了其溶解度时即以气泡的形式析出，来不及上浮排出的氢气泡就在铸件凝固过程中形成细小分散的气孔，即平常我们所说的针孔。
氢气在液态铝中的溶解度比在固态铝中要高大约20倍。由于溶解度的不同，在凝固过程中，氢气就倾向于从熔液中逸出，当氢气压力大于表面张力和液体静压力时，即形成气泡，进而在铸件或铸锭中产生气孔。
3.1 铝液中的氢的来源
铝及其合金易与气体相互作用，这主要是因为铝是活泼金属。氢是唯一能大量溶解于铝熔体中的气体。根据测定，存在于铝合金中的气体，氢占了85%以上，其余是氮气、氧气、一氧化碳等。因而铝合金的“含气量”可以视为“含氢量”。溶入铝合金的氢并不来自炉气中的极微量氢，因为大气中氢的分压很低，约为 5×MPa，远比铝熔体中的氢分压低。根据热力学原理，溶于铝熔体中的氢是不稳定的，有强烈地自铝熔体中向大气扩散逸出的倾向。其次，研究结果表明，分子态的氢并不能直接溶入铝液中，只有离解成原子态氢才能溶入铝液中。这可以从在纯净氢气氛中熔炼铝液，铸件中并不出现针孔的实验中得到证明。可见，炉气中的氢分子不是形成气孔的根源。根据生产实践和科学实验证明，铝液中的氢和氧化夹杂主要来源于铝液与炉气中水汽的反应。
3.2 铝液中的夹杂
铝液中的夹杂物除来自炉料外，还来自熔化、浇注过程中铝与氧反应所生成的氧化物。另外还可能存在金属碳化物、氮化物等非金属夹杂和铁、硅等金属夹杂。但主要的夹杂还是，占夹杂含量的95%以上。铝液表面有一层氧化膜，接近熔点时，不仅厚度增加，而且结构也发生变化，面向铝液的一面是致密的，对铝液有保护作用。但背向铝液的一面则是疏松的，背部形成大量微小的孔，并被氢气、空气和水汽所充满。如果将液膜搅入铝液中，不仅使铝液增加夹杂物，同时也增加气体。铝熔体中的金属夹杂除了由原材料带进的和由于洗炉不彻底、混料、电热材料掉入等人为因素造成的以外，主要是由于铝熔体和炉衬、工具、各种净化剂、添加剂接触的过程中产生各种化学反应而生成并混入的。
炉衬用的耐火材料通常是由各种氧化物的混合物组成的，当熔体与炉衬接触时，如果这些氧化物的生成热低于氧化铝的生成热，则炉衬将被分解，并析出比铝密度低的金属。
铝液中含氢量与夹杂物保持一定的关系。在含氢量相同的条件下，夹杂物含量越高，氢气从铝液中越难逸出，铸件形成气孔就越多；相反，当铝液中夹杂物的含量很低时，即使人为地向铝液中通入氢气，也会自动逸出，恢复原来的含氢量。铝液中气体与夹杂物之间存在着相互作用的关系：气体存在于夹杂物中，夹杂物吸附气体，排除夹杂物是排除气体的基础。
4、铝液的吸氢原理及除氢原理
要消除熔体中的气体缺陷，主要是降低其内部的含氢量。铝熔体的除氢原理是除气—吸气的动态过程，由铝液内部除氢过程和铝液表面氧化吸氢过程组成。除氢效果是由这两个方向相反过程的动态平衡所决定的。如果只重视除氢净化过程而忽视吸氢过程，即使采用好的除氢剂和除氢设备也达不到理想的除氢效果。
铝液除氢的动力学过程，是指溶于铝液中的原子态氢自铝液中析出、逸出的过程。这个过程包括：在铝液中形成气泡；铝液中的氢向气泡核及熔池表面迁移；气泡透过相界面逸出。氢从铝液中被去除有两种形式，即以气泡形式和扩散形式析出。以气泡形式析出是除氢过程的初期阶段，铝液中析出的这种微小气泡称为气泡核。
采用向铝液中通入惰性气体的方法，通过降低铝液中氢气的分压，从而降低
氢气在铝液中溶解的量，达到净化的目的。
如果向铝液中加入惰性气泡或不溶于铝液的活性气体气泡。则溶于铝液中的氢由于其化学位较高，可直接向这些初始无氢的气泡中迁移。然后进入净化气泡中的氢便随气泡在铝液中向上浮游而溢出铝液，如图 4.1所示。

图 4.1铝合金液除气原理图
上述铝液中的氢向外来初始无氢的气泡迁移的除氢动力学过程可分解成如下五个步骤：
① 通过对流和扩散，铝液中的氢原子迁移到铝液与气泡的气-液界面；
② 氢原子由溶解状态转变为吸附状态；
③ 气-液界面吸附的氢原子彼此相互作用缔结为氢分子，即 2[H]→；
④ 氢分子从气-液界面脱附；
⑤ 氢分子扩散进入气相，并随气泡上浮而逸出铝液。
随着迁移过程的进行，初始无氢的气泡变成了有氢的气泡，气泡内氢气分压 PH2随之增大，直至与铝液中氢相平衡，迁移过程才停止。
5、压铸铝合金金属液的精炼处理
铸造铝合金在浇注前需要进行精炼处理,以净化合金液,但还没有得到足够的重视。造成忽视压铸铝合金精炼处理的主要原因在于压铸生产方式的特殊性,由于压铸生产合金液是在高压和激冷条件下成形,包卷空气所造成的气孔缺陷是主要的。因此,压铸铝合金对精炼处理的敏感度弱于其他铸造方法。由于包卷人的空气占绝大多数,对压铸来说,需要尽最大可能排除模具型腔内的空气,如在模具上开排溢槽等。
其他因素也易使人忽视压铸铝合金精炼处理的必要性,例如：
①对压铸件的质量要求不高；
②工厂所处地域气候干燥,铝锭的氧化物少；
③大批量正常生产,废料回炉比例小,回收率低,新锭的质量较好；
④熔化设备的熔化能力与压铸机的生产能力不匹配(即熔化量供不应求)；
⑤基于压铸件生产成本的考虑，传统习惯势力的影响。
随着对压铸件的内部、外部质量提出的要求越来越高,许多铸件都有了气密性和可加工性要求,因此,压铸铝合金的精炼处理对提高压铸件质量的作用不容再忽视。
在合金牌号、产品锭料质量、允许的杂质种类和含量、熔炼(重熔)设备及除精炼处理外的其他工艺已定的情况下,欲取得高质量的合金液的关键便是采用理想的、高效的“精炼剂”对合金液进行精炼处理,来最大限度地去除合金液中的气体和各种夹杂物,以达到净化合金液的目的。
精炼剂作用于铝合金液中氢气和夹杂物的数量取决于精炼处理时所要用的精炼剂和精炼方法。
若采用的精炼剂为氯气、氯化物,其“精炼”机理是浮游法,其化学反应式为:
3+→2
+2[H]→2HCl
还有吹惰性气体等其他方式的精炼方法。
归纳起来,压铸铝合金的精炼处理的目的主要是针对合金液中的氢气和,通过化学反应、吸附、过滤等方式减少它们的含量,从而提高压铸件的质量。
但由于压铸铝合金对精炼处理的敏感度弱于其他铸造铝合金,加上工艺规范没遵守,因此有时精炼处理的效果不是非常明显。
6、解决压铸件气孔采取的措施
（1）在选料过程中，为了避免水蒸气过多，应选用干燥、干净的合金料，熔炼铝合金时，要严格遵守操作规程，应该尽量避免气体的带入。控制熔炼温度，避免过热，选用良好的精炼剂或通入氮气等惰性气体，保证铝合金熔炼过程中精炼除气。选用的涂料挥发气体应少，挥发温度应低，涂刷均勺，避免涂并挥发的气体卷入合金液中。
（2）对于因排气不良而产生的气孔，应改进模具的排气通道，可改变浇口厚度、 浇口方向、在形成气孔的位置设置溢流槽、排气槽以利于气体有机会排出，溢流槽截面积总和不能小于内浇口截面积总和的60%，否则排渣效果差。
（3）充填速度根据压铸合金和铸件结构特性确定，既不能过高也不能偏低，在满足铸件成型的前提下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。这样可以减少铸件的体积收缩，减少缩气孔及缩松。
7、 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”。
7.1 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。
真空压铸需要特殊的设备—真空压铸机。真空压铸机的真空系统大致分为两类：
一类是在压铸模型腔内抽真空进行真空压铸,另一类是把压铸模置于真空罩内进行真空压铸；真空压铸实际上并非绝对真空压铸。通常真空、压铸所用的压力在50.7千帕至16千帕,过低的真空度达不到真空压铸效果,过高的真空度当然效果更好,但这使压铸速度降低。真空系统的密封是重要的,如果在压射室与铸型及压射室与压射活塞之间的连接处漏气,就会使压铸速度降低,真空效果减弱,甚至产生废品。真空压铸装置会使设备的复杂性增加,因而生产成本增高,但体可由真空压铸的优点得到补偿。
真空压铸最引人注意的优点是大大改善了表面光洁度及减少了精整处理的费用。再者真空过程使型腔被填充得更好,这就使得较薄的断面也能铸出,从而扩大了压铸的应用范围。第三个优点是真空压铸件的机械性能提高了,这对长期使用的零件是至关重要的,其原因在于真空条件改善了铸件的致密性,气孔的减少是真空压铸的重要特点之一。这对于排气困难的铸件和对于因金属流动情况而造成局部集中气泡的大型型腔,其优点是很明显的。
7.2 加氧压铸技术
加氧压铸是在铝合金液充填型腔前,用氧气充填压室和型腔而取代其中的空气。充填时,氧气一方面通过排气槽排出；另一方面由喷射的铝液与没有排出的氧气发生化学反应而产生氧化铝微粒,分散在压铸件内部,使压铸件内不产生气孔。加氧压铸的特点:消除或减少气孔,提高了铸件质量。其中提高机械强度达10%,延伸率为1.5~2倍。因压铸件内无气孔,可经热处理从而使强度进一步提高,屈服极限增加,冲击性能也显著提高；压铸件可在290~300e的环境中工作；加氧压铸与真空压铸相比,结构简单,操作方便投资少。
氧气加入方法有两种,即由压室加氧和由压铸模上设置的专用装置加氧。一般立式压铸机多采用从反料冲头通入氧气,而卧式压铸机上则多采用在压铸模上设置加氧孔加氧。加氧压铸中要严格控制加氧时间及加氧压力两个主要工艺因素。此外,还必须合理地设计浇注系统和排气系统,正确选择压射速度,选用不挥发的涂料,以保证压铸质量。加氧压铸可用于压铸高强度、高致密度及高温下使用的零件,是一种有发展前途的压铸工艺方法。
7.3 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人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人螺旋压射成形机中，在加热和受剪切的条件下使半固态金属颗粒经压铸成形。
半固态压铸与全液态金属压铸相比有如下优点:
(1)由于半固态金属在搅拌时已有50%的熔化潜热散失悼,所以降低了浇注温度,大大减少了对压室、压铸型腔和压铸机的热冲击,因而可以提高压铸模的使用寿命。
(2)半固态金属粘度比液态金属大,内浇口处流速低,因而充填时少喷溅,无湍流,卷入的空气少；由于半固态金属收缩小,所以铸件不易出现疏松、缩孔,铸件质量高。
(3)半固态金属像软固体一样输送到压室,操作简单方便。
半固态压铸的出现为解决黑色金属压铸模寿命低的问题指出了新途径,且对提高铸件质量、改善压铸机压射系统的工作条件都有一定的作用。
7.4 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。
7.5 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。
8、 结语
铝合金圆盘、圆筒压铸件由于其壁厚不均匀，容易产生气孔和缩气孔等压铸质量缺陷。通过不断的浇注试验，工程师可以寻求更优化的压铸工艺参数。这样既能选择合理的工艺参数，又能避免实际浇铸的成本浪费，为企业带来显著的经济效益。希望通过本课题能对实际生产有一定帮助，最终的目的是生产出合格的压铸件，满足企业实际生产的需求。从近年来的国内外压铸研究来看，随着理论研究方面工作的更加深入，尤其是计算机模拟技术的发展，使金属在填充型腔的流动形态、金属在型腔中的凝固过程、型腔内金属液体的流动压力、模具的温度梯度、模具的变形等方面有很大的理论突破。

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