原標(biāo)題：鋁合金壓鑄試片內(nèi)部冷料的缺陷分析和對(duì)策

壓鑄作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的金屬成形技術(shù)，在汽車、航空航天和電子通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鋁合金材料的性能是壓鑄工藝中重要的基礎(chǔ)和保障。為了驗(yàn)證鋁合金材料性能，通常會(huì)開發(fā)試片或試棒專用模具進(jìn)行打樣并進(jìn)行拉伸等試驗(yàn)。鑄造缺陷會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，其中鑄造冷料是試片模中最常見的缺陷之一，嚴(yán)重干擾試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。本研究旨在系統(tǒng)分析試片內(nèi)部冷料缺陷的成因，并探索有效的預(yù)防與改善措施，以提升鋁合金壓鑄試片的整體品質(zhì)，旨在為相關(guān)研究提供參考。

圖文結(jié)果

試片尺寸為300 mm×300 mm，厚度為3 mm。試片澆注工藝方案設(shè)計(jì)及取樣位置見圖1，圖1中1~6為取樣位置。制樣采用3 500 kN東洋臥式冷室壓鑄機(jī)，壓室直徑為50 mm，壓室有效長度為370 mm，設(shè)計(jì)充滿度為38.5%。為驗(yàn)證效果，在試片上6個(gè)不同位置取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試樣滿足GB/T13822-2017所規(guī)定的有色金屬壓鑄B型拉伸試樣要求，見圖2。

試驗(yàn)采用結(jié)構(gòu)件常用材質(zhì)AlSi10MnMg（AC-43500， EN 1706），其主要成分和力學(xué)性能要求見表1和表2。

圖1 壓鑄試片澆注結(jié)構(gòu)及取樣位置

圖2 GB T13822-2017 B型拉伸試樣尺寸示意圖

表1 AlSi10MnMg合金的主要化學(xué)成分(%)

表2 鑄態(tài)AlSi10MnMg合金的力學(xué)性能

根據(jù)試片壁厚、壓室充滿度以及模擬結(jié)果，T1試作采用工藝參數(shù)見表3。

采用上述工藝生產(chǎn)的試片外觀和內(nèi)部質(zhì)量合格，見圖3和圖4。取其中3個(gè)試片按圖1位置切割拉伸試片，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4。從圖4可以看出，試片斷口顯示存在異物，且比例高達(dá)61%。

在拉伸試驗(yàn)中，試樣斷口出現(xiàn)異物，表現(xiàn)為光亮的片狀區(qū)域，與正常斷口的粗糙亞光形態(tài)不符。斷口存在異物的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均低于正常水平，表明異物對(duì)試片的力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著影響。

表3 T1試作參數(shù)

圖3 試片質(zhì)量合格

圖4 斷口外觀對(duì)比

表4 試樣的力學(xué)性能

異物的斷口都發(fā)現(xiàn)有不同程度的片狀光亮斷面，與正常的斷口的不規(guī)則形狀的粗糙的亞光斷面存在明顯差異，見圖4。

對(duì)異常斷口、正常斷口以及含雜質(zhì)斷口進(jìn)行掃描電鏡對(duì)比分析，見圖5。可以看出，異物斷口的光亮斷面（圖5a）與正常斷口（圖5b）的主要合金元素都是Al、Si和Mg，與一般雜質(zhì)造成的斷口（圖5c）存在含C、O的化合物不同，可以判斷異常斷口光亮斷面為非雜質(zhì)造成。另外，光亮區(qū)域的Si含量明顯高于材料標(biāo)注成分，該區(qū)域富含Si元素，可以判斷為凝固過程不平衡產(chǎn)生偏析導(dǎo)致的。

異物斷口的金相組織主要分為4個(gè)區(qū)域，見圖6，區(qū)域1位置為正常的初生Al相和Al-Si共晶組織；區(qū)域2位置面積小，屬于區(qū)域1和區(qū)域3之間過渡區(qū)域，Al-Si共晶組織開始分解，出現(xiàn)Si顆粒；區(qū)域３位置面積大，Al-Si共晶組織消失，只剩Al相和Si相，Al相還保持枝晶狀，是冷料的典型特征；區(qū)域４位置Al相不再呈現(xiàn)枝晶態(tài)，并均勻、密集地分布著細(xì)小硅顆粒。金相分析顯示異常斷口位置符合冷料典型特征，可以判斷為由于鑄造過程卷入了提前凝固的鋁料所致。正常拉伸斷口的金相組織顯示Al-Si共晶分布則相對(duì)均勻平整，見圖7。

圖5 斷口掃描電鏡分析

圖6 異物斷口金相組織及分區(qū)示意圖

圖7 正常斷口金相組織

熔煉不充分會(huì)導(dǎo)致固態(tài)金屬顆粒殘留。由于本研究采用外部直供鋁液的模式，并對(duì)到廠鋁液的溫度、精煉及檢測流程有嚴(yán)格要求，排除了熔煉不充分的問題。鋁液質(zhì)量管控具體措施如下：①溫度控制，要求AlSi10MnMg鋁液到廠溫度控制在710~730 ℃。②精煉工藝，鋁液到廠后需進(jìn)行通氬氣精煉，時(shí)間不少于15 min。③檢測流程，精煉完成后，鋁液需進(jìn)行100%的K模檢測和密度檢測確認(rèn)質(zhì)量合格。④溫度檢測，倒料前須再次檢測溫度，確保符合要求。⑤保溫爐溫度，機(jī)邊保溫爐溫度控制在665~670 ℃。

模具冷卻水道及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)合金液的流動(dòng)和溫度分布具有直接影響。本試片為結(jié)構(gòu)簡單的平板產(chǎn)品，壁厚均勻，因此模具冷卻水道采用均勻分布設(shè)計(jì)，見圖８，并配備模溫機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的溫度控制。圖9為充填過程模擬。澆注系統(tǒng)經(jīng)過模擬分析驗(yàn)證，鋁液在整個(gè)填充過程中平穩(wěn)且順序填充型腔，表明澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

圖8 模具運(yùn)水管道分布

圖9 填充模擬分析

壓鑄過程溫度過低是導(dǎo)致冷料缺陷的主要原因之一。具體包括鋁液澆注溫度過低、模具溫度過低和料筒溫度過低。

（1）鋁液澆注溫度過低

對(duì)于壓鑄鋁合金，Si含量在5%~18%范圍內(nèi)時(shí)，Si含量越高，鋁液流動(dòng)性越好；而Mg含量越高，流動(dòng)性越差。本試驗(yàn)所用的AlSi10MnMg合金，其Si含量為9.0%~11.5%，Mg含量為0.40%~0.45%。圖10為合金元素對(duì)壓鑄合金液流動(dòng)性的影響。可見該材料的流動(dòng)性相對(duì)較差，容易在填充過程中卷入冷料，這種流動(dòng)性特性是由材料中元素的特性決定的。為降低冷料風(fēng)險(xiǎn)，可通過適當(dāng)提高澆注鋁液溫度，確保鋁液在充填型腔時(shí)保持足夠的流動(dòng)性。試驗(yàn)把保溫爐溫度由（670±5） ℃分別提升至（690±5） ℃和（710±5） ℃進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，試片拉伸數(shù)據(jù)顯示（690±5） ℃條件下冷料特征的斷口比例為55%，改善不明顯；（710±5） ℃條件下冷料特征斷口比例為19%，改善明顯。

圖10 合金元素對(duì)壓鑄合金液流動(dòng)性影響

（2）模具溫度過低

當(dāng)模具溫度過低時(shí)，合金液進(jìn)入型腔后會(huì)迅速凝固，形成冷料，并卷入鑄件內(nèi)部。根據(jù)試制實(shí)測數(shù)據(jù)，模具型腔表面溫度為115~120 ℃時(shí)明顯過低。在實(shí)際生產(chǎn)中，模具型腔表面溫度通常應(yīng)控制在150~230 ℃之間。因此，需要調(diào)整模溫機(jī)，將模具型腔表面溫度提升至150 ℃以上，以確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

（3）料筒溫度過低

當(dāng)金屬液倒入料筒后，與料筒接觸的前端鋁液會(huì)在套筒底部迅速凝固，形成一層鋁皮。隨著沖頭向前移動(dòng)，鋁皮被切碎成小塊（片狀冷料），并被推入流道和鑄件中。由于這些提前凝固的鋁皮碎片會(huì)接觸到潤滑劑（如沖頭油、脫模劑等），其接觸端面會(huì)形成光亮、平滑的表面。這種表面不會(huì)與其他鋁料粘合，反而會(huì)形成裂縫，可能導(dǎo)致泄漏或成為斷裂的起始點(diǎn)，而料筒與鋁液之間存在溫度差不可避免，因此前端冷料碎片無法完全消除，但通過工藝管理措施，可以將這種影響降至最低。針對(duì)該試片模，采取了以下措施。

措施1　調(diào)整模溫機(jī)參數(shù)，把料筒溫度從150 ℃提高至180 ℃。在壓鑄過程中，壓室內(nèi)溫度理論應(yīng)在350 ℃以上。由于本試驗(yàn)中無法直接測量壓室料膛內(nèi)的實(shí)際溫度，此處溫度是通過紅外線測溫儀測量料筒前端外側(cè)某固定點(diǎn)得出的。

措施2　采用絕熱毯對(duì)料筒進(jìn)行包裹，減少料筒溫度散失，保證壓鑄過程中料筒溫度穩(wěn)定，見圖11。

圖11 料筒外包裹絕熱毯

壓射參數(shù)不合理可能導(dǎo)致鋁液在料筒內(nèi)停留時(shí)間過長，形成表面凝固層。通過調(diào)整壓射參數(shù)，提高充填速度并縮短鋁液停留時(shí)間可有效減少冷料缺陷，優(yōu)化后的參數(shù)見表5。

采用普通開放式電保溫爐，爐中鋁液表面長期暴露于空氣中，容易形成氧化鋁膜并在料勺取料中帶入。一方面通過優(yōu)化料勺結(jié)構(gòu)，見圖12，另一方面要求熔煉工人定期觀察鋁液表面并清理浮渣，避免將表面鋁膜帶入料筒，以減少冷料缺陷。

表5 優(yōu)化后的參數(shù)

圖12 優(yōu)化料勺結(jié)構(gòu)

實(shí)施上述優(yōu)化措施，并采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)。對(duì)試片進(jìn)行切樣和拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表6。觀察顯示，鋁合金壓鑄試片內(nèi)部的冷料缺陷顯著減少，異常斷口的比例從61%降至11%，試片的力學(xué)性能顯著提升，滿足材料性能要求。

對(duì)比分析斷口及其金相組織發(fā)現(xiàn)，冷料區(qū)域的面積也明顯減小，見圖13。

表6 優(yōu)化后的試樣拉伸數(shù)據(jù)

圖13 冷料斷口外觀及金相分析

結(jié)論

通過系統(tǒng)的試驗(yàn)分析，深入探討了鋁合金壓鑄試片內(nèi)部冷料缺陷的形成機(jī)理，并提出了一系列優(yōu)化措施。通過提高壓鑄過程的溫度，特別是鋁液溫度后對(duì)材料試片的冷料缺陷改善效果明顯，但不良率仍接近20%，同時(shí)綜合采取以上措施后可有效降低冷料缺陷率，提升試片質(zhì)量。

《鋁合金壓鑄試片內(nèi)部冷料的缺陷分析和對(duì)策》

李小林1 朱宇1 余亮1
閆鋒1 萬里1,2

1. 廣東鴻圖科技股份有限公司；2. 廣東鴻圖汽車零部件有限公司

本文轉(zhuǎn)載自《特種鑄造及有色合金》