楊素華
武漢城市職業(yè)學(xué)院（武漢工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

　　摘　要：介紹了壓鑄生產(chǎn)中鑄件常見的質(zhì)量缺陷、產(chǎn)生原因和主要影響因素，結(jié)合實例對鋁合金缸體壓鑄過程中出現(xiàn)的氣孔、縮孔、裂紋、欠鑄等典型質(zhì)量缺陷進行了分析，找出了影響壓鑄鋁合金缸體質(zhì)量的關(guān)鍵缺陷和缺陷發(fā)生的主要部位，針對不同的部位和缺陷，提出了解決這些質(zhì)量問題的思路、對策和消除缺陷的具體措施。
　　關(guān)鍵詞：鋁合金；壓鑄；質(zhì)量缺陷；改善措施
　　1、引言
　　壓力鑄造（簡稱壓鑄）是在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬以較高的速度充填壓鑄模具型腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法。壓鑄是在高壓高速下注入金屬熔液，可制造形狀復(fù)雜的薄壁件，獲得的鑄件晶粒細(xì)，組織致密，強度較高，且壓鑄的生產(chǎn)率高，因此壓鑄件廣泛應(yīng)用于汽車、儀器儀表、計算機、醫(yī)療器械等制造業(yè)，如發(fā)動機汽缸體、汽缸蓋、儀表和照相機的殼體與支架、管接頭、齒輪等零件。用于壓鑄的材料主要有鋁合金、鋅合金、銅合金和鎂合金等。
　　鋁合金壓鑄零件具有重量輕、工作性能好、制造效率高、鑄件表面質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)點，近年來大量應(yīng)用于水泵的殼體、增壓器殼體、氣缸蓋、氣缸套、齒輪箱、內(nèi)燃發(fā)動機活塞等零件。鋁合金壓鑄生產(chǎn)中遇到的質(zhì)量問題很多，其原因也是多方面的，生產(chǎn)中必須對產(chǎn)生的質(zhì)量問題做出正確的判斷，找出真正的原因，才能提出切實可行的改進措施，以便不斷提高鋁合金壓鑄件質(zhì)量，不影響鑄件的正常使用，滿足生產(chǎn)需要，降低企業(yè)成本。
　　鋁合金有利于減輕發(fā)動機重量，增加發(fā)動機的性能，因此越來越多的發(fā)動機缸體缸蓋有向采用鋁合金鑄造發(fā)展的趨勢。壓鑄鋁合金缸體有高壓和高速充填模具型腔的特點，壓射比壓為5~15MPa；充填速度約在5~100m/s；充填時間很短，一般在0.01~0.2s范圍內(nèi)。鋁合金缸體壓鑄是通過高壓將鋁合金溶液高速壓入模具內(nèi)，模具型腔內(nèi)的氣體很難排出，容易在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生氣孔；另外由于凝結(jié)時間快，鑄造過程中的散熱較差，容易在模具上形成高溫區(qū)域，進而在零件表面形成氣孔、縮孔、裂紋等現(xiàn)象。因此，鋁合金缸體壓鑄件的質(zhì)量缺陷主要是氣孔、縮孔、裂紋、欠鑄等。下面以某壓鑄鋁合金缸體為例，針對其壓鑄過程中出現(xiàn)的主要質(zhì)量缺陷問題進行分析和解決。
　　2、氣孔
　　氣孔是指在壓鑄件內(nèi)部或表面出現(xiàn)的大小不等的孔眼、空穴，有光滑的表面，形狀多為圓形。氣孔的產(chǎn)生會導(dǎo)致壓鑄件硬度不足和影響表面美觀。氣孔的來源主要為壓鑄過程中卷入的氣體或鋁液析氣。
　　2.1壓鑄鋁合金缸體螺栓孔周邊的氣孔現(xiàn)象
　　壓鑄鋁合金缸體上有很多螺栓孔、油孔以及各種安裝孔，這些直接影響發(fā)動機的裝配質(zhì)量和使用性能，在壓鑄過程中需要嚴(yán)格控制其質(zhì)量。壓鑄生產(chǎn)后對缸體的主軸承螺栓孔和上下缸體螺栓孔區(qū)域進行剖切，發(fā)現(xiàn)鑄造螺栓孔周圍有小的氣孔（直徑約Ø0.5mm），如圖1中黑圈所示。

　　2.2產(chǎn)生原因
　　鋁合金缸體壓鑄時由于液態(tài)金屬充填型腔速度高，模具型腔內(nèi)的氣體不易排出，容易殘留在鋁液中，鋁液冷卻凝固后殘留的氣體在鑄件內(nèi)形成很小的氣泡，即氣孔，直徑一般不大于Ø1mm；壓鑄模具內(nèi)型芯周圍和壁厚變化較大的位置，鋁液流動性不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生氣孔，這也是鑄件螺栓孔周圍氣孔較多的原因。螺栓孔周圍的氣孔很小，小于螺紋長度1/3，且不在螺紋區(qū)域，對扭矩沒有影響，不會影響其使用性能，可以不用解決該處的氣孔問題。
　　3、縮孔
　　縮孔是指壓鑄件厚截面處出現(xiàn)形狀不規(guī)則的孔眼，孔的內(nèi)壁粗糙。縮孔的產(chǎn)生會導(dǎo)致壓鑄件內(nèi)局部出現(xiàn)組織稀疏，有的甚至呈蜂窩狀，影響鑄件強度。液態(tài)金屬充滿型腔后，在收縮過程中得不到足量補充，容易發(fā)生在厚薄不均的鑄件上。
　　3.1壓鑄鋁合金缸體螺栓孔周邊、水泵殼體附近的縮孔現(xiàn)象
　　壓鑄生產(chǎn)后對缸體的主軸承螺栓孔和上下缸體螺栓孔區(qū)域進行剖切，發(fā)現(xiàn)預(yù)鑄孔的底部有較大的氣孔和縮孔（直徑約Ø1~5mm，或有長度超過10mm的細(xì)長縫隙），如圖1中白圈所示。對壓鑄鋁合金缸體的水泵殼體區(qū)域進行剖切，發(fā)現(xiàn)水泵殼體和缸體之間的連接處有很大的縮孔，縮孔的Z長部分超過20mm，如圖2中白圈所示。

　　3.2產(chǎn)生原因
　　在壓鑄過程中鋁液被壓入并充滿型腔后鋁液開始凝固，由于模具表面的溫度較低并且伴有水冷，鋁液先從與模具接觸的表面開始凝固，在Z外面先形成一層硬殼，然后逐漸向內(nèi)開始凝固。由于熱脹冷縮的原理，鋁液隨著溫度的降低逐漸收縮體積變小，但鑄件的外表面已經(jīng)形成了一層密封的硬殼，所以隨著鋁液的逐漸凝固，在Z后凝固的位置會形成一些中空的空間，即縮孔，且縮孔總是在壁厚較厚位置的熱節(jié)位置。
　　圖1中縮孔的位置恰好在壁厚較厚，并且是鑄件孔型芯頭部的位置，該區(qū)域的鋁液流動性不穩(wěn)定、較多的氣孔也加劇了該區(qū)域形成縮孔的趨勢。

　　圖2中水泵殼體區(qū)域3個箭頭所示方向的壁厚均超過了40mm，水泵殼體和缸體之間材料Z厚的區(qū)域恰好是溫度Z高的。如前所述，過大的壁厚造成內(nèi)部冷卻凝固速度慢而形成縮孔。
　　3.3改善措施
　　消除縮孔的方法可通過減少縮孔所在區(qū)域的壁厚，使其能夠快速均勻的凝固來實現(xiàn)，也可通過對鑄件和模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化來實現(xiàn)。
　　圖1中螺栓底部的縮孔所在位置恰好在缸蓋螺栓和主軸承螺栓螺紋的位置。較大的縮孔，會對螺紋的強度有很大影響，在裝配和使用時容易損壞螺紋，所以有必須減少該區(qū)域的縮孔。針對上述對產(chǎn)生縮孔原因的敘述，提出減少該區(qū)域壁厚的解決方法。但經(jīng)過分析，由于螺栓底部區(qū)域的功能和結(jié)構(gòu)原因，壁厚無法減薄，該方法不可行。
　　重新分析剖面的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)在螺栓孔表面附近的3~4mm區(qū)域內(nèi)沒有氣孔和縮孔出現(xiàn)。這是因為凝固時該區(qū)域由于型芯的冷卻作用Z先凝固，形成了一層致密的材料。根據(jù)這一現(xiàn)象，可以加深鑄件螺栓孔并利用這一致密層作為螺紋的加工區(qū)域。在既要增加型芯長度又不能增加型芯底部直徑的情況下，可通過減小拔模斜度進行改善，即將拔模角度從1.5°減小到1°，由此預(yù)鑄孔深度從64mm增加到100mm，將縮孔區(qū)域從螺紋區(qū)域向下“趕”，保證螺紋區(qū)域的強度。改善之后的效果如圖3中黑色曲線內(nèi)部區(qū)域所示，縮孔區(qū)域已經(jīng)明顯縮小并且在螺紋區(qū)域之外。

　　圖2中水泵殼體附近的縮孔所在區(qū)域在缸體的正時側(cè)、變速箱側(cè)、缸蓋側(cè)、曲軸側(cè)、和進氣側(cè)5個拔模方向上，均無法進行壁厚減小的操作。
　　在保留水泵殼體和缸體原有結(jié)構(gòu)的前提下，經(jīng)過綜合考慮，在該區(qū)域的模具上增加冷卻水路，加強冷卻，加快鋁液的凝固速度，以減小縮孔的體積，并把縮孔控制在中心區(qū)域，避免縮孔離水路或油路過近造成泄漏。采取該措施后，水泵殼體附近縮孔得到明顯改善。
　　氣孔和縮孔是壓鑄生產(chǎn)的兩種常見質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重時會造成壓鑄件的報廢產(chǎn)生，生產(chǎn)中應(yīng)加以注意和改善。
　　4、裂紋
　　鋁合金壓鑄件的基體被破壞或斷開，形成細(xì)長的縫隙，呈直線狀或波浪形的紋路等不規(guī)則形狀，在外力作用下有發(fā)展的趨勢，這種缺陷稱為裂紋。裂紋產(chǎn)生的原因有很多種，如合金成分，壓鑄模的模腔整體溫度不合理；鋁合金壓鑄件壁厚、薄處存有劇烈變化之處，收縮受阻，尖角位形成應(yīng)力；工藝參數(shù)不合理等。鋁合金壓鑄件中裂紋是不允許存在的。
　　改善措施：正確控制合金成分，在某些情況下可在合金中加純鋁錠以降低合金中含鎂量或鋁合金中加鋁硅中間合金以提高硅含量；改變鋁合金壓鑄件結(jié)構(gòu)，加大圓角，改變起模斜度，減少壁厚差；變更或增加頂出位置，使頂出受力均勻；縮短開模及抽芯時間；控制模溫，保持模具熱平衡。
　　4.1壓鑄鋁合金缸體水泵附近的水套底部裂紋現(xiàn)象
　　鋁合金缸體壓鑄生產(chǎn)后，通過檢驗，發(fā)現(xiàn)在水泵附近的水套底部有內(nèi)外貫穿的裂紋，裂紋Z長可達50mm，裂紋周圍表面質(zhì)量較差，如圖4所示。

　　4.2產(chǎn)生原因
　　在合金成分不變的前提下，觀察裂紋周圍的缸體發(fā)現(xiàn)表面有明顯的縮松現(xiàn)象，通過凝固過程溫度場數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)水套底部的溫度一直處于較高的狀態(tài)。因此判斷該處裂紋形成的原因為模具溫度過高，形成縮松。在冷卻凝固時，由于冷卻順序不同，外部的水泵區(qū)域首先收縮對該處產(chǎn)生向外的拉應(yīng)力，在縮松的部位造成裂紋；另外，水套底部的圓角半徑偏?。≧=1mm）會造成圓角處溫度過高以及應(yīng)力偏大，對裂紋的形成有一定影響。
　　4.3改善措施
　　為緩解模具過熱，在該處模具內(nèi)增加冷卻水路，通過水冷來降低該區(qū)域的模具溫度；同時將水套底部圓角半徑從1mm增加到2.5mm。采取這些措施進行鋁合金缸體壓鑄生產(chǎn)，經(jīng)過檢驗沒有發(fā)現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。
　　5、欠鑄
　　欠鑄也稱澆不足、輪廓不清、邊角殘缺，指壓鑄零件成形過程中出現(xiàn)金屬液未充滿型腔，鑄件上出現(xiàn)填充不完整的部位。合金澆注溫度及模具溫度過低、合金液含氣量高導(dǎo)致合金流動性不好；鑄件壁太薄或厚薄懸殊、模具溫度過高，型腔內(nèi)氣體壓力較高導(dǎo)致的排氣不良等都會引起壓鑄件產(chǎn)生欠鑄。可通過改進壓鑄件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化工藝參數(shù)進行改善。
　　5.1壓鑄鋁合金缸體的欠鑄現(xiàn)象
　　如圖5中圓圈所示，壓鑄鋁合金缸體第三主軸承座和水泵殼體位置易產(chǎn)生欠鑄缺陷。

　　5.2產(chǎn)生原因
　　對其進行壓鑄填充過程模流分析，如圖5所示，顏色淺的部分是填充速度Z慢的部位。圖5中圓圈所示的缸體第三主軸承座和水泵殼體位置填充時間明顯慢于其他位置。第三主軸承座區(qū)域填充較慢主要是因為兩側(cè)與曲軸箱連接的位置壁厚較薄，不利于鋁液流通；水泵區(qū)域填充較慢是因為水泵在整個壓鑄系統(tǒng)的末端，鋁液流通距離較長，因而在這些區(qū)域出現(xiàn)欠鑄缺陷。
　　5.3改善措施
　　將缸體第三主軸承座區(qū)域壁厚由4mm增加到5mm，進而加大鋁液的流通面積，加快填充速度；將水泵區(qū)域下部的加強筋高度和厚度增大，相當(dāng)于增加了一個到水泵的澆道。采取措施后，改善了第三主軸承座和水泵區(qū)域的欠鑄質(zhì)量問題。
　　以上介紹的是壓鑄鋁合金缸體生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要質(zhì)量問題。為了防止缺陷的產(chǎn)生，只要滿足了壓鑄成形工藝條件、壓鑄時的工藝參數(shù)、壓鑄零件和模具結(jié)構(gòu)、壓鑄設(shè)備和生產(chǎn)操作規(guī)程和管理規(guī)范要求，并根據(jù)壓鑄件的缺陷狀況，分析產(chǎn)生的原因和規(guī)律，在實踐中不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗，就能夠有針對性地采取措施，有效地消除質(zhì)量缺陷，提高壓鑄零件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
　　6、結(jié)束語
　　隨著對環(huán)保、輕量化的要求日益提高，汽車中的許多關(guān)鍵部件，如發(fā)動機缸體也逐漸轉(zhuǎn)向壓鑄生產(chǎn)。在鋁合金壓鑄零件生產(chǎn)過程中，由于鋁合金熔點低，在高溫下極易氧化和吸氣，填充速度快，且散熱較差，容易出現(xiàn)各種缺陷，如氣孔、縮孔、裂紋、欠鑄等。這些質(zhì)量問題對零件的強度、使用性能、使用壽命和工作可靠性等有很大的影響。文章結(jié)合生產(chǎn)實際，對壓鑄鋁合金零件出現(xiàn)的這些質(zhì)量問題進行了分析和改善。Z終目的是生產(chǎn)出合格的鋁合金壓鑄零件，避免實際澆鑄的成本浪費，滿足企業(yè)實際生產(chǎn)需求，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。