氣孔是鋁合金壓鑄件常見的內(nèi)部缺陷，常出現(xiàn)在鑄件末端或因鋁液高速充填卷氣導致氣體無法排出的位置。一般來講，只要氣孔不影響產(chǎn)品的使用性能，符合企業(yè)關于氣孔大小及分布的標準都是合格的。然而，對于鑄件的某些關鍵部位，氣孔卻不能被允許。

某企業(yè)的壓鑄鋁合金發(fā)動機缸體，鑄件毛坯質(zhì)量為8.5 kg，采用布勒28000 kN冷室壓鑄機，材質(zhì)為ZL201合金，成分見表1。發(fā)動機號打刻面通過X射線探傷和機械加工檢測時均發(fā)現(xiàn)隨機分布氣孔。據(jù)統(tǒng)計，2017年該位置的氣孔不良率為2.5%，從鋁合金壓鑄件氣孔的形成機理和確保鑄造條件出發(fā)，分析鑄件產(chǎn)生氣孔的原因。經(jīng)過不斷改善，成功將鑄件氣孔不良率降低為0.12％，為解決類似的鑄件氣孔缺陷問題提供參考。

鋁合金壓鑄件氣孔形成機理及形態(tài)

壓鑄件氣孔形成機理

鋁合金壓鑄件氣孔主要分為析出性和卷入性氣孔。析出性氣孔由兩種原因所導致：①熔煉溫度過高，鋁液中氣體（主要為氫氣）溶解度較大；②回爐料含渣量較大或熔煉過程的除渣效果不佳，這兩種情況均會導致鋁液凝固過程而析出氣體。卷入性氣孔形成原因較多，主要有以下幾類：①料筒尺寸較大，料筒充滿度較小，使得低速階段卷入較多氣體；②高速起點過早，使得型腔氣體來不及排出，而被卷入到鋁液中；③脫模劑發(fā)氣量較大或者噴涂量過多，在鋁液充入型腔前未燒干凈，使得氣體卷入鑄件；④模具澆注系統(tǒng)或排氣系統(tǒng)設計不合理，過早堵住排氣道或鋁液正面沖擊形成漩渦而卷氣；⑤壓射高速設計較高，使鋁液產(chǎn)生噴射，包裹氣體。在實際生產(chǎn)過程中，通過執(zhí)行嚴格鋁液熔煉工藝、回爐料比例及清潔度等措施可以有效控制析出性氣孔的產(chǎn)生。因此，實際生產(chǎn)中的鑄件氣孔大多是卷入性氣孔。

壓鑄件氣孔形態(tài)及位置

氣孔常采用解剖或探傷法檢查。氣孔內(nèi)壁光滑，一般呈較規(guī)則的圓形。氣孔常出現(xiàn)在末端、孔壁附近和模具深腔或結(jié)構(gòu)復雜等區(qū)域。圖1為發(fā)動機氣缸體打刻面氣孔分布，可以看出，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)圓形氣孔，隨機地分布在打刻面上部，內(nèi)壁光滑且呈暗灰色。按技術要求，此處不允許出現(xiàn)氣孔、夾渣和冷隔等缺陷。

缸體壓鑄件氣孔的相關措施

從鋁合金壓鑄件內(nèi)部缺陷的處理流程出發(fā)，探索解決鋁合金壓鑄件氣孔問題的相應對策。

工藝參數(shù)及模具溫度的影響

鑄件帶渣包質(zhì)量為9.5 kg，料筒直徑為?100 mm，理論計算高速起點為500 mm，而實際高速起點設計也為500 mm，因此高低速切換點設計合理。但是，考慮到鑄件打刻面區(qū)域型腔復雜，氣體不易排出，為了更好地排出型腔氣體，將高速起點延遲10 mm，即高速起點設為510 mm，實際的填充效果見圖2。利用紅外線測溫儀測得鑄件打刻面的氣孔區(qū)域模具噴涂后溫度為120 ℃，較理論模溫160~190 ℃低很多，不利于脫模劑噴涂后的水分蒸發(fā)，澆注時脫模劑的發(fā)氣量較大，容易卷氣。因此，縮短脫模劑噴涂時間，由原來的1.5 s改為1 s，同時增加空氣吹拂時間0.5 s。更改后此區(qū)域模具噴涂后溫度上升到160 ℃，基本達到理論模溫要求。

消除鑄件氣孔的主要對策是調(diào)整工藝參數(shù)：①高速起點由500 mm改為510 mm；②噴涂時間由1.5 s降到1s及增加空氣吹拂時間0.5 s。采用上述措施，經(jīng)過小批量驗證，氣孔不合格率由2.5 %降低為2.3 %，效果不明顯。

優(yōu)化熔煉工藝

鋁液中的氣體絕大多數(shù)是氫氣。氫氣的主要來源是回爐料帶入的水、油污和其他含氫雜質(zhì)。在熔煉過程中，隨著熔煉溫度升高，氣體慢慢溶解于鋁液中。因此，控制鋁液的含氫量首先需要保證回爐料的清潔度及投入比例，然后選擇合適的熔煉溫度。實際操作中的回爐料加入比例較大，超過50 %，增加了鋁液的氣體來源。一般來講，鋁液在熔煉過程中需要經(jīng)過多次除渣以及轉(zhuǎn)運前的除氣處理，這是降低鋁液含氫量的兩個重要步驟，將直接影響鋁液的氫含量。實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，除渣工藝過程和旋轉(zhuǎn)除氣工藝也沒有問題。此時的氫密度值為1.5（密度值越大氫含量越多），初步判斷氫密度值偏高。考慮到鋁液燒損率等因素，可以采用增加除氣時間的方法來降低鋁液氫密度值。

為降低鋁液的含氫量，主要采取了2個方法：①規(guī)定回爐料回爐前必須烘干且控制加入比例為30%~45%；②延長旋轉(zhuǎn)除氣時間，由260 s提高到300 s。經(jīng)過上述調(diào)整，鋁合金的氫密度值由原來的1.523降為0.927，滿足預期要求。同時，更改鋁液除氣作業(yè)指導書并固化，經(jīng)過小批量驗證，鑄件打刻面氣孔不合格率降低到2%，效果仍然不明顯。

優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設計

由于鑄件打刻面氣孔出現(xiàn)在模具前端，排氣系統(tǒng)影響較小，因此，只優(yōu)化模具澆注系統(tǒng)。

圖3為鑄件的鋁液充填順序的模流分析。可以看出，鋁液在高速充填型腔的過程中有相互包裹的現(xiàn)象，在鑄件打刻面區(qū)域形成卷氣，鋁液在凝固過程中被包裹的氣體不能排出，從而形成氣孔。

通過觀察模流分析可知，引起鑄件充型過程卷氣的原因主要有以下3點：①左邊的預留澆道1先于2、3澆道充填，鋁液到達前方形成封堵；②打刻面澆道2太窄，充填流量不夠；③澆道3相對于澆道2來說，流量較大，使得澆道3的鋁液先于澆道2到達打刻面處，與澆道1的鋁液形成包裹，從而卷氣。根據(jù)以上分析，需要對模具澆注系統(tǒng)進行優(yōu)化。

采取3個措施后并進行模擬：①堆焊封堵預留澆道1，改變打刻面區(qū)域鋁液充填順序；②澆道2加寬3 mm，增加流量；③澆道3寬度減小3 mm。優(yōu)化澆注系統(tǒng)的模擬結(jié)果見圖4，鑄件打刻面無卷氣。在模擬基礎上，對模具澆注系統(tǒng)進行優(yōu)化，并再次進行生產(chǎn)驗證，打刻面不合格率降低為0.12%。

對于鑄件打刻面氣孔，采取工藝措施，首先保證壓鑄工藝參數(shù)設計合理，特別是高速起點、脫模劑及空氣吹拂時間；其次是采用合理的熔煉工藝確保鋁液的氫密度不大于1；通過優(yōu)化模具澆注系統(tǒng)來改善鋁液充填順序，避免高速充填階段的氣體包裹，最終將鑄件氣孔不良率降低為0.12%。改善后的鑄件中氣孔數(shù)量明顯減少、氣孔尺寸也變小。因此，優(yōu)化澆注系統(tǒng)對于改善該鑄件打字面氣孔起到良好的作用。圖5為改進工藝前后壓鑄件打刻面X射線探傷的氣孔分布，可見改進工藝前鑄件打刻面附近氣孔隨機分布，且數(shù)量較多尺寸較大；改進后該區(qū)域無明顯氣孔分布，且鑄件組織更加致密。

圖5 改進工藝前后X射線檢測結(jié)果

結(jié)論

(1)氣孔是一種常見的鋁合金鑄件內(nèi)部缺陷，易出現(xiàn)在鑄件尾端、模具深腔和結(jié)構(gòu)復雜等區(qū)域。針對鋁合金鑄件氣孔問題，從鋁合金壓鑄件氣孔形成機理出發(fā)，通過優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)、規(guī)范熔煉工藝和確保鑄造條件等措施來解決。然而，對于涉及的鑄件打刻面氣孔問題，傳統(tǒng)的改善措施收效甚微。

(2)借助模流分析軟件,模擬不同澆注系統(tǒng)的鋁液充填順序及卷氣情況，通過撤銷澆道1、加寬澆道2和減小澆道3，改變了鋁液充填順序，卷氣現(xiàn)象基本消除，鑄件打刻面氣孔率下降為0.12 %，達到了企業(yè)鑄件不良率控制目標。

作者：楊興國

重慶工商職業(yè)學院智能制造與汽車學院