原標題：鋁合金壓鑄試片內部冷料的缺陷分析和對策

壓鑄作為一種高效、經濟的金屬成形技術，在汽車、航空航天和電子通信等領域得到廣泛應用。鋁合金材料的性能是壓鑄工藝中重要的基礎和保障。為了驗證鋁合金材料性能，通常會開發試片或試棒專用模具進行打樣并進行拉伸等試驗。鑄造缺陷會對試驗結果產生影響，其中鑄造冷料是試片模中最常見的缺陷之一，嚴重干擾試驗的準確性。本研究旨在系統分析試片內部冷料缺陷的成因，并探索有效的預防與改善措施，以提升鋁合金壓鑄試片的整體品質，旨在為相關研究提供參考。

圖文結果

試片尺寸為300 mm×300 mm，厚度為3 mm。試片澆注工藝方案設計及取樣位置見圖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，壓室直徑為50 mm，壓室有效長度為370 mm，設計充滿度為38.5%。為驗證效果，在試片上6個不同位置取樣進行拉伸試驗。試樣滿足GB/T13822-2017所規定的有色金屬壓鑄B型拉伸試樣要求，見圖2。

試驗采用結構件常用材質AlSi10MnMg（AC-43500， EN 1706），其主要成分和力學性能要求見表1和表2。

圖1 壓鑄試片澆注結構及取樣位置

圖2 GB T13822-2017 B型拉伸試樣尺寸示意圖

表1 AlSi10MnMg合金的主要化學成分(%)

表2 鑄態AlSi10MnMg合金的力學性能

根據試片壁厚、壓室充滿度以及模擬結果，T1試作采用工藝參數見表3。

采用上述工藝生產的試片外觀和內部質量合格，見圖3和圖4。取其中3個試片按圖1位置切割拉伸試片，拉伸試驗結果見表4。從圖4可以看出，試片斷口顯示存在異物，且比例高達61%。

在拉伸試驗中，試樣斷口出現異物，表現為光亮的片狀區域，與正常斷口的粗糙亞光形態不符。斷口存在異物的抗拉強度、屈服強度和伸長率均低于正常水平，表明異物對試片的力學性能產生了顯著影響。

表3 T1試作參數

圖3 試片質量合格

圖4 斷口外觀對比

表4 試樣的力學性能

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

對異常斷口、正常斷口以及含雜質斷口進行掃描電鏡對比分析，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造成。另外，光亮區域的Si含量明顯高于材料標注成分，該區域富含Si元素，可以判斷為凝固過程不平衡產生偏析導致的。

異物斷口的金相組織主要分為4個區域，見圖6，區域1位置為正常的初生Al相和Al-Si共晶組織；區域2位置面積小，屬于區域1和區域3之間過渡區域，Al-Si共晶組織開始分解，出現Si顆粒；區域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；區域４位置Al相不再呈現枝晶態，并均勻、密集地分布著細小硅顆粒。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示意圖

圖7 正常斷口金相組織

熔煉不充分會導致固態金屬顆粒殘留。由于本研究采用外部直供鋁液的模式，并對到廠鋁液的溫度、精煉及檢測流程有嚴格要求，排除了熔煉不充分的問題。鋁液質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，鋁液到廠后需進行通氬氣精煉，時間不少于15 min。③檢測流程，精煉完成后，鋁液需進行100%的K模檢測和密度檢測確認質量合格。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，機邊保溫爐溫度控制在665~670 ℃。

模具冷卻水道及澆注系統的設計對合金液的流動和溫度分布具有直接影響。本試片為結構簡單的平板產品，壁厚均勻，因此模具冷卻水道采用均勻分布設計，見圖８，并配備模溫機進行精準的溫度控制。圖9為充填過程模擬。澆注系統經過模擬分析驗證，鋁液在整個填充過程中平穩且順序填充型腔，表明澆注系統設計合理。

圖8 模具運水管道分布

圖9 填充模擬分析

壓鑄過程溫度過低是導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

對于壓鑄鋁合金，Si含量在5%~18%范圍內時，Si含量越高，鋁液流動性越好；而Mg含量越高，流動性越差。本試驗所用的AlSi10MnMg合金，其Si含量為9.0%~11.5%，Mg含量為0.40%~0.45%。圖10為合金元素對壓鑄合金液流動性的影響。可見該材料的流動性相對較差，容易在填充過程中卷入冷料，這種流動性特性是由材料中元素的特性決定的。為降低冷料風險，可通過適當提高澆注鋁液溫度，確保鋁液在充填型腔時保持足夠的流動性。試驗把保溫爐溫度由（670±5） ℃分別提升至（690±5） ℃和（710±5） ℃進行生產試驗，試片拉伸數據顯示（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 合金元素對壓鑄合金液流動性影響

（2）模具溫度過低

當模具溫度過低時，合金液進入型腔后會迅速凝固，形成冷料，并卷入鑄件內部。根據試制實測數據，模具型腔表面溫度為115~120 ℃時明顯過低。在實際生產中，模具型腔表面溫度通常應控制在150~230 ℃之間。因此，需要調整模溫機，將模具型腔表面溫度提升至150 ℃以上，以確保生產過程的穩定性。

（3）料筒溫度過低

當金屬液倒入料筒后，與料筒接觸的前端鋁液會在套筒底部迅速凝固，形成一層鋁皮。隨著沖頭向前移動，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接觸到潤滑劑（如沖頭油、脫模劑等），其接觸端面會形成光亮、平滑的表面。這種表面不會與其他鋁料粘合，反而會形成裂縫，可能導致泄漏或成為斷裂的起始點，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。針對該試片模，采取了以下措施。

措施1　調整模溫機參數，把料筒溫度從150 ℃提高至180 ℃。在壓鑄過程中，壓室內溫度理論應在350 ℃以上。由于本試驗中無法直接測量壓室料膛內的實際溫度，此處溫度是通過紅外線測溫儀測量料筒前端外側某固定點得出的。

措施2　采用絕熱毯對料筒進行包裹，減少料筒溫度散失，保證壓鑄過程中料筒溫度穩定，見圖11。

圖11 料筒外包裹絕熱毯

壓射參數不合理可能導致鋁液在料筒內停留時間過長，形成表面凝固層。通過調整壓射參數，提高充填速度并縮短鋁液停留時間可有效減少冷料缺陷，優化后的參數見表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。一方面通過優化料勺結構，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 優化后的參數

圖12 優化料勺結構

實施上述優化措施，并采用優化后的工藝參數。對試片進行切樣和拉伸試驗，結果見表6。觀察顯示，鋁合金壓鑄試片內部的冷料缺陷顯著減少，異常斷口的比例從61%降至11%，試片的力學性能顯著提升，滿足材料性能要求。

對比分析斷口及其金相組織發現，冷料區域的面積也明顯減小，見圖13。

表6 優化后的試樣拉伸數據

圖13 冷料斷口外觀及金相分析

結論

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

《鋁合金壓鑄試片內部冷料的缺陷分析和對策》

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

本文轉載自《特種鑄造及有色合金》