铝合金压铸件的气孔缺陷及压铸技术新发展

铸造是国民经济重要的基础工业之一，但铸造 过程的控制、设计及工艺流程往往依赖于经验判断， 因而铸件的质量不易保证，废品率较高。压力铸造 是特种铸造的一种，其实质是液态或者半液态金属 在高压力作用下，以较高的速度充填型腔，并在压力 作用下凝固而获得铸件的一种方法。要获得高质 量、高水平压铸件，使压铸件达到光洁、轮廓清晰、组 织致密、强度高的要求，需要对压铸过程中各影响因 素进行协调统一。对于铝合金压铸件，从生产准备 到批量生产，牵涉的环节很多，影响因素也很多，包 括材质、模具、设备、工艺等各方面。

1 压铸铝合金的分类及性能

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 10% 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。

在美国的高强度Al－Si－Cu合金(SC84A、SC114A、SC84B、SC102A)中铜的质量分数为 2.0% ～4.0%，锌的质量分数不超过3%，硅的质量分数 为7.5% ～12.0%(具体见表1)，具有较高的力学性 能、良好的压铸工艺性能和机械加工性能。近年 来我国研究的Al－Si－Cu新型高强度铝合金有 YL112、YL113、YL117 等。

1. 2 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. 3 Al－Zn合金

Al－Zn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Y401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. 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－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－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

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 气孔而造成的废品率，这是各铝合金压铸厂家所关 注的问题。

在铝合金压铸生产中，依气孔产生的原因，常有 如下几类。

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610～660℃，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0.69cm3/100g，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0.001cm3/100g以下，此时仅为液态时的1/700，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。

从上述气孔的分类可知，在铝合金压铸生产中 产品产生气孔的原因很多，必须找出原因对症下药 才能解决问题。防止气孔的措施和途径主要有:

(1)保证铝合金熔炼的精炼除气质量，选用好 的精炼剂、除气剂，减少铝液中的含气量，及时清除 液面浮渣、泡子之类氧化物，防止再次带入气体进入 压铸件中。

(2)选择良好的脱模剂，所选用的脱模剂应是 在压铸中不产生气体的，又有良好脱模性能的。

(3)保证模具排气通畅不堵死，排气顺畅，保证 模具中的气体完全排出，尤其是在铝液最后聚合处 排气通道必须通畅。

(4)调整好压铸参数，充型速度不可过快，防止卷气。浇铸温度也要控制好。

(5)产品设计和模具设计中应注意抽芯和冷却 的使用，尽量减少壁厚差过大。

(6)对常在固定部位出现的气孔，应从模具和 设计上改善。

3 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”。

3. 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。

3. 2 充氧压铸技术

压铸件中的气体绝大部分为 N 2 和 H 2 ，几乎没 有 O 2 ，主要原因是 O 2 与活性金属发生反应生成了 固体氧化物，这为充氧压铸技术提供了理论基础。 充氧压铸是在压铸前将氧气充入型腔，取代其中的 空气。当进入型腔时，一部分氧气从排气槽排出，残 留的氧与金属液发生反应，生成弥散状的氧化物微 粒，在铸型内形成瞬间真空，从而获得无气孔的压铸 件。

3. 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入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入螺 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。

3. 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。

3. 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。

4 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。