消除铝合金压铸件气孔缺陷的工艺改进

发布时间:2022-06-07

作者:铸造工程

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编辑导语


铝合金压铸件气孔属于内部缺陷且不容易被观察和识别,尤其是密集型针孔型气孔缺陷,X光探伤也不能识别检测出来。在压铸成型金属填充理论的基础上对铝合金压铸件气孔的形成进行分析和控制,通过双通道高真空技术、净化除气技术、喷涂工艺优化、浇注溢流系统优化、压铸工艺参数调整等技术的研究与应用来解决压铸件气孔缺陷,经过批量生产后,证明这些改善技术效果显著。


0 前言


近年来,随着轻量化及节能减排的需要,铝合金在航空航天、汽车及船舶等交通运输领域的应用越来越多。汽车降低能耗的主要途径有改进系统和减轻汽车重量,而使用轻质材料制造汽车零部件是减轻汽车重量的有效途径。

铝合金压铸件因优异的材料性能、成型方便和轻量化等,成为了首选。随着汽车等工业的发展,铝合金压铸件产量年增近13%,占有色合金压铸件产量的75%以上。现铝合金压铸件正向着大型、复杂、薄壁和高精度、集成化方向发展,推动了铝合金压铸技术的进步。铝合金压铸件在汽车上的应用主要集中在壳体件、发动机部件和其他非发动机部件。


1 铝合金压铸件气孔形态


气孔是铸件中—种内表面光滑的球状孔洞性缺陷,一般为在冷却和凝固过程中以气泡形式析出的气体来不及跑出液面而留在铸件中形成。铝合金吸入的气体以氢气为主,实践证明氢能大量地溶解于铝合金中,氢的来源通常是铝和水蒸气的化学反应。如果除氢不彻底,铝液就可能含有大量的气体,从而导致气孔的产生。铸件冷却速度越快,当氢气的含量大于其溶解度时即以气泡的形式析出,来不及排出就在铸件凝固过程中形成细小分散的气孔,即所谓的针孔,且多呈圆形不均匀,常出现在铸件的厚大断面和冷却速率较慢的部位。此外,铝液在充型过程中,压室和模具型腔中的气体较难逸出,很容易形成气孔。

图1为铝合金压铸件解剖后气孔缺陷的形态,从图中可以清晰看见,气孔具有光滑的表面,形状呈圆形或椭圆形,分布往往是不均匀的。


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(a)实物状态


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 (b)金相组织


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 (c)扫描电镜下的形貌

图1 压铸件气孔缺陷的形态


2 消除气孔的技术


2.1 净化除气技术


铝合金熔体净化效果对疏松、气孔、夹杂等形成有重要影响,并直接影响铝合金压铸件的物理性能、力学性能及其他使用性能。没有高品质的铝合金熔液,即使后续的晶粒细化处理再有效、加工成形控制再先进、采取的铸造工艺手段再合理,缺陷一旦从开始就产生,它将顽固地存在而且难以弥补,高质量的铸件也就很难得到。因此,在复杂压铸件的制造过程中必须重视铸造铝合金熔体中的气体问题。

目前,最有效的降低压铸件内部气孔风险的途径就是严格控制熔体的含气量,采用针对性除气手段降低熔体含气量。

一般铝合金熔体中的气体主要是氢气(约占80%~90%),其次是氮气、氧气、一氧化碳等。铝在熔化过程中不可避免地会发生铝液反应而离解出氢。一般氢几乎不溶于固态铝,但在液态铝中的溶解度却很大,并随温度的升高而增加。

氢在铝合金固相线上、下的溶解度分别为每100 g铝液的氢含量0.65 mL和0.034 mL,即氢在固液两相的溶解度相差约19.1倍。相应的理论研究表明,铝液熔体产氢机理如下列反应式。

(1)铝液与大气中的水分反应:2A1+3H2O=Al2O3+6H

(2)铸锭或回炉料表面腐蚀膜Al(OH)3反应:A1(OH)3+A1=Al2O3+3H

上述反应产生的氢以原子态溶解在铝液中。由于溶解度的不同,伴随着液固相变,氢将遵循西华特定律而析出,当氢气压力大于表面张力和液体静压力时即形成气泡,进而在铸件中产生针孔。

通过多轮对比试验验证,确定了生产高品质复杂压铸件时铝合金熔体含气量应控制在0.10~0.14 mL/100 g,并相应地采取铝合金熔体二次除气处理技术,即在使用环保精炼剂一次除气精炼处理工艺后,再加上吹氮气旋转除气SNIF法,除气时间可缩短为4~5 min,以防止长时间搅动紊流造成的合金吸气,从而获得高质量铝合金熔体,氮气旋转除气净化如图2所示。

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(a)铝液除气净化现场实际状态


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(b)铝液内部通氮气旋转除气

图2 氮气旋转除气净化技术


2.2 双通道高真空技术


采用双系统高真空压铸工艺,快速抽除模具型腔内的气体,使金属液在负压下填充型腔,真空度≤80 mbar的型腔处于接近真空状态,可以大幅度降低因紊流的金属液卷入气体而形成气孔的可能性,基本可以消除铸件内部气孔的成因,铸件含气量得到有效降低,内部气孔率下降,从而提高致密度,使铸件的综合力学性能在满足标准的基础上大幅提升。


双通道高真空压铸技术是指同时从型腔、压室处抽真空。从型腔抽真空的目的是为了降低型腔中的气体含量,减少气孔缺陷;从压室抽真空的目的在于提高抽气速率,减少烟气、水蒸气对铸件的影响,从而提高型腔中的真空度,确保高真空压铸的可靠性。高真空压铸技术的难点是真空截止阀的结构与真空系统的设计。

目前真空阀的结构形式多种多样,按工作原理可以分为三类:第一类结构是改变通道的截面积,使金属液的流动性逐步降低,从而在进入真空管道之前使金属液的自然流动停止,如锯齿型的真空阀;第二类结构是利用金属液的惯性冲力使真空阀的排气通道关闭,如GF阀,这两种结构的真空阀由于抽气速度的局限性,常用于普通真空压铸;第三类结构是通过型腔中金属液的充填位置,利用液压或气压使真空阀阀芯关闭,这种结构的真空阀适用于高真空压铸。

真空系统的设计采用双独立真空系统排气,与单系统真空排气方式的不同在于熔杯与型腔的排气是由两个独立系统分别完成的,最大程度上保证了在型腔接力排气时,熔杯系统的真空罐压力为最低,已达到最终的排气最佳效果。双独立真空系统排气如图3所示。液压阀结合排气板的双系统高真空排气是提高结构件真空压铸效率的有效手段,见图4。


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图3 双独立真空系统排气示意图


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(a)真空阀在模具上的设计


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(b)真空阀在压铸模上使用

图4 液压阀结合排气板的模具结构


双独立真空系统排气抽真空开始和结束点的设置很关键。抽真空开始位置设置过早,则压室和型腔与外界相通,起不到密闭空间作用,抽真空失效;抽真空开始位置设置过晚,则导致抽真空时间过短而抽真空的效果比较差;抽真空结束位置设置过晚容易把合金抽到真空阀里,导致阀体堵塞而抽真空失效。通常在冲头刚过压室铝液注射口时,压室和型腔同时开始抽真空,在高速开始前型腔结束抽真空。


2.3 喷涂工艺优化


在压铸生产过程中,脱模剂一直是模具冷却的重要手段。喷涂水基脱模剂时,压缩空气夹带着脱模剂涂敷模具表面的同时,受到高温模具表面对它们的加热影响,使脱模剂中的水分在尚未接触模具表面时就已经气化,而且随着与模具表面接触时间的不同,水基脱模剂被加热的温度也不同,模具被水基脱模剂冷却的程度也不一样。

在模具热区,润滑剂可能更多地受到挥发温度或热梯度的影响。如果型腔的热区和周围冷区的温度差很大,则形成表面张力梯度,受马拉高尼效应影响,即当一种液体的液膜受到如温度、浓度等的外界扰动而使液膜局部变薄时,它会在表面张力梯度的作用下形成马拉高尼流,使液体沿最佳路线流回薄液面,润滑膜将倾向于流向模具较冷的区域。如果所喷的脱模剂足够补偿马拉高尼流效应,把模具热区完全覆盖,其结果是可能在冷区有太多的脱模剂,在与高温铝液接触时瞬间气化导致铸件形成气孔或色斑。

如图5所示,某飞轮壳防尘塞安装孔在产品下端位置,模具也设计在最下方位置,在喷涂模具时,残余脱模剂易堆积在该部位,导致在压铸件的表皮形成密集型气孔,严重时甚至出现冷隔欠铸缺陷。后期通过调整喷涂工艺,微调喷涂轨迹、模具底部位置喷涂时间从5 s降低到3 s、吹气时间从4 s增加到7 s等来避免底部位置脱模剂的残留,消除防尘塞孔的气孔缺陷。


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(a)飞轮壳气孔缺陷位置


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 (b)飞轮壳模具结构


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(c)飞轮壳毛坯缺陷状态

图5 某飞轮壳实物及气孔缺陷位置


如图6所示,某喷油垫块内腔加工完后出现密集型气孔,是由于在产品调试阶段采用了手工喷涂作业,模具中间大抽芯处喷涂涂料过量吹气不净,残留的脱模剂与铝液接触时瞬间气化,气体来不及逸出形成的密集型针孔缺陷。在保证不勒模的情况下,可适当缩短喷涂时间、减少模具中间型芯表面残留的脱模剂来消除该处气孔缺陷,经过后期批量生产验证,表明改善效果较佳。

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(a)垫块浇注系统


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(b)气孔缺陷位置


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(c)喷涂改善后X光探伤状态

图6 某喷油垫块气孔喷涂改善前后对比


2.4 压铸工艺参数优化


铸件气孔中的气体来源于合金液、模具型腔、压射室及涂料,但在正常规范的生产中,铸件气孔中的气体主要来源于模具型腔和压射室。模具型腔主要靠合理的浇注系统和溢流排气系统来最大程度地减少气体进入铸件并使之排出模外,而压射室中的气体是靠调整压射行程来控制压射冲头快速填充位移的起点,也就是慢压射行程的终点,使合金液以慢速充满压室前端堆积于内浇口前沿,从而最大程度地减少气体被合金液卷入而带入模具型腔,达到最大程度地减少铸件中的气孔、提高铸件内部质量的目的。所以,在压铸过程中对压射行程的控制是非常必要的。


某油封座内腔大圆加工面出现批量密集型针孔气孔,在做好铝合金熔液净化除气后仍然有针孔气孔缺陷(图7),通过二级快压射起始位置由415 mm调整至450 mm,增压起始位置由480 mm调整至510 mm后,压射内的气体充分逸出,铸件内部气体减少,中间油封孔加工面针孔气孔缺陷比例明显降低。


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(a)某油封座实物


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 (b)气孔缺陷位置


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 (c)改善后X光探伤状态

图7 某油封座压铸工艺改善前后对比


2.5 浇注、溢流系统优化


浇注系统包括浇道和排溢两个系统。在压铸件生产中,浇注系统的设计对减少模具投产前的试验次数,对压铸件质量、压铸生产效率、模具寿命、压铸件清理、合金利用率等都有重要影响。这里就浇注系统与铸件气孔缺陷做分析,浇注系统中内浇道位置、形状和大小直接影响着金属液的充型方向、流量和速度,从而影响到铸件的内部质量,当然溢流槽的设计也至关重要。

某发动机齿轮室属大平板类铸件,外形尺寸大,长654 mm,宽509 mm,高75 mm,如图8(a)所示。在复制模调试时发现气孔缺陷主要集中在产品两侧悬置区加工端面,见图8(b),铸件内部组织中气体过多会导致铸件在使用过程中出现耐压不够的情况而报废。

前期通过调整压铸工艺参数来改善铸件内部气孔缺陷的效果不明显,最终通过在模具右侧溢流排气系统空处增加积渣包,同时增加模具左侧溢流槽的宽度和深度来提高两侧悬置区的积渣排气功能。修改的溢流槽宽度由38 mm增加到50 mm,溢流槽的厚度由2.2 mm增加到2.8 mm,模具浇注系统修改位置如图8(c)所示。模具修改后两侧悬置区加工端面密集型针孔缺陷已消除,效果较明显。


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(a)齿轮室实物


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(b)气孔缺陷位置


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(c)浇注系统修改位置

图8 某发动机齿轮室实物及改善


2.6 增加顶出片加强排气


某气阀室罩盖中间装呼吸器圆孔加工后气孔缺陷比例持续较高,在铝合金熔体除气净化、调整压铸工艺参数、优化喷涂工艺和增加中间溢流块体积后改善效果仍不明显(图9),最终通过在原有三个顶杆顶出的基础上又增加6个仿形顶出片(图10),一是为了平衡零件各处顶出力防止零件顶出时变形;二是为了利用顶出片型芯与模具之间的间隙加大排气能力,消除中间圆孔的气孔缺陷。通过大批量验证,发现中间圆孔气孔缺陷基本消除。


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图9 加大中间圆孔溢流块设计


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图10 某气阀室罩盖中间增加异形顶出片

3 结论

(1)通过双通道高真空新技术的应用,降低模具型腔和压室内部气体的含量,使其接近真空状态,同时增加净化除气技术的应用,降低熔体含气量,从而降低铸件内部气孔的产生;

(2)优化喷涂工艺,通过缩短喷涂时间、改善喷嘴方向、延长吹气时间,来降低脱模剂残留含量,可有效避免铝液和水分接触瞬间气化产生的密集型针孔缺陷;

(3)合理的高速切换点选择对铸件内部质量有较大影响,同时根据产品的内部质量要求对模具浇注系统进行改进,对压铸件品质的提升有积极意义。