原標(biāo)題：鋁合金壓鑄件縮孔分析及對(duì)策探究

縮孔是鋁合金壓鑄件常見(jiàn)的內(nèi)部缺陷，常出現(xiàn)在產(chǎn)品壁厚較大或者易形成熱點(diǎn)的位置。一般來(lái)講，只要縮孔不影響產(chǎn)品的使用性能，都以合格的方式來(lái)判定。然而，對(duì)于一些重要部位，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的冷卻水道孔或潤(rùn)滑油道孔，出現(xiàn)縮孔是不允許判定合格的。

某企業(yè)的一款鋁合金制發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱，采用布勒28 000kN冷室壓鑄機(jī)鑄造，材質(zhì)為ADC12合金，成分見(jiàn)表1。鑄件毛坯質(zhì)量為6.3 kg，后工序進(jìn)行X射線探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)第二個(gè)曲軸軸承孔油道出現(xiàn)縮孔，離油道約8 mm，存在較大的漏油風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年該位置的縮孔報(bào)廢率為5%，經(jīng)過(guò)一系列的探索，成功地將廢品率降低為0.2％。

本課題從鋁合金壓鑄件縮孔的形成機(jī)理[1-5]和鑄造條件兩方面出發(fā)，分析鑄件產(chǎn)生縮孔的原因，尋求改善措施，以期為日后解決鋁合金壓鑄件縮孔問(wèn)題提供參考。

表1  ADC12ZS鋁合金化學(xué)成分（wb/%）

鋁合金壓鑄件縮孔形成機(jī)理及形態(tài)

縮孔形成機(jī)理

導(dǎo)致鋁合金壓鑄件縮孔的原因較多，追溯其本源，主要是鋁合金從液相向固相轉(zhuǎn)變過(guò)程中鋁液補(bǔ)縮不足而導(dǎo)致。常見(jiàn)的縮孔原因有：①模溫梯度不合理，導(dǎo)致鋁液局部收縮不一致。②鋁液澆注量偏少，導(dǎo)致料餅薄，增壓階段補(bǔ)壓不足。③模具存在熱結(jié)或尖銳區(qū)域。④模具的內(nèi)澆口寬度不夠，面積較小，導(dǎo)致鑄件過(guò)早凝固，增壓階段壓力傳遞受阻、鋁液無(wú)法補(bǔ)縮。⑤鑄造壓力設(shè)置過(guò)低，補(bǔ)縮效果較差。圖1為鋁合金鑄件縮孔形成的示意圖。

圖1  鑄件縮孔形成過(guò)程

鑄件縮孔形態(tài)

縮孔是一種鋁合金壓鑄件乃至鑄件常見(jiàn)的內(nèi)部缺陷，常出現(xiàn)在產(chǎn)品壁厚較大、模具尖角和模溫溫差較大等區(qū)域。圖2為某款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱縮孔形態(tài)，縮孔呈似橢圓狀，距離軸承油道孔約10 mm，內(nèi)壁粗糙，無(wú)光澤。縮孔區(qū)域鑄件壁厚較大，約為22 mm；油道孔銷(xiāo)子前端無(wú)冷卻水，模溫較高。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的兩大軸頸（主軸頸和連桿軸頸）工作載荷較大，磨損嚴(yán)重，工作時(shí)必須進(jìn)行壓力潤(rùn)滑。在此情況下，軸頸的油道孔附近若存在縮孔，將會(huì)嚴(yán)重影響潤(rùn)滑效果。

圖2 曲軸箱軸承孔油道附近縮孔

縮孔相關(guān)對(duì)策

鋁合金壓鑄件產(chǎn)生鑄造缺陷的原因有產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)特征、模具設(shè)計(jì)得澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理等原因[1~4]。根據(jù)常見(jiàn)的鑄造缺陷原因以及鋁合金鑄件缺陷處理流程，探索解決鋁合金壓鑄件厚大部位縮孔的相應(yīng)對(duì)策。

前期分析及對(duì)策

鑄件縮孔的前期分析從容易操作的工藝參數(shù)出發(fā)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及觀察，測(cè)得模具內(nèi)澆口厚度為4 mm，計(jì)算的內(nèi)澆口速度為40 m/s，產(chǎn)品壁厚最薄處為4.6 mm；料餅厚度為25 mm；鑄造壓力為60MPa。由經(jīng)驗(yàn)可知，模具設(shè)計(jì)符合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，模具澆注系統(tǒng)應(yīng)該不存在增壓階段補(bǔ)縮不足的問(wèn)題。但是，增壓階段的鋁液補(bǔ)縮與料餅厚度和增壓壓力有直接的關(guān)系，合適的料餅厚度與鑄造壓力才能形成內(nèi)部組織致密的鑄件，因此，可以懷疑縮孔是由鑄造壓力偏低和料餅偏薄而導(dǎo)致的。

前期消除鑄件縮孔的對(duì)策分為兩個(gè)：①鑄造壓力由之前的65MPa提高至90MPa；②料餅厚度有原來(lái)的25 mm調(diào)整為30 mm。采用上述措施后，經(jīng)過(guò)小批量專流驗(yàn)證，縮孔率由5%減低為4.8%，效果不明顯，說(shuō)明工藝參數(shù)不是引起鑄件縮孔的主因。

中期分析及對(duì)策

由于引起鑄件縮孔的本質(zhì)原因是鋁液凝固時(shí)補(bǔ)縮不足而導(dǎo)致，而模具溫度分布不均容易導(dǎo)致鋁液凝固順序不合理，從而補(bǔ)縮不足，因此，中期對(duì)策分析主要從確保合理的模具溫度入手。由產(chǎn)品3D模型可知，鑄件縮孔處壁厚為22.6mm，壁厚較大，容易引起較高的模具溫度。鋁液凝固時(shí)，壁厚較大鑄件內(nèi)部鋁液由于溫度較高，尚處于液相或者固液混合相，而此時(shí)內(nèi)澆口進(jìn)行補(bǔ)縮的通道可能已經(jīng)凝固。這樣，在增壓階段鑄件無(wú)法進(jìn)行鋁液補(bǔ)縮，從而有形成縮孔的可能。為確保合適的模具溫度，采用熱成像儀測(cè)得脫模劑噴涂后模具最高溫度為272 ℃（見(jiàn)圖3），高于正常的模具噴涂后溫度，其他區(qū)域模具溫度及其分布整體正常。因此，需要降低縮孔處模溫。另外，測(cè)得此處冷卻水孔底部距離模具型腔表面距離較大為20 mm，因?yàn)檩^大的熱傳遞距離會(huì)降低模具的冷卻效果，所以需要對(duì)冷卻水孔進(jìn)行更改。

圖3  改善前噴涂后的模具溫度

為降低縮孔處模具溫度，主要采取3個(gè)方法：①改善模具冷卻系統(tǒng)。將縮孔附件的冷卻水孔深度加深，由距模具表面20 mm變成12 mm，以此快速帶走附近模具熱量，降低模溫；將所有模具冷卻水管與水管統(tǒng)一編號(hào)，一一對(duì)應(yīng)，防止模具保全時(shí)裝錯(cuò)，影響冷卻效果[5，6]。②降低澆注溫度，由675 ℃變?yōu)?45 ℃。③延長(zhǎng)縮孔處模具噴涂時(shí)間，由2 s變成3 s。實(shí)施上述整改措施后，縮孔區(qū)域模具噴涂后溫度大幅度降低，約為200℃，屬于正常范圍。縮孔率有4.8%降低到4%，說(shuō)明此類措施對(duì)縮孔具有一定效果，但不能徹底解決此區(qū)域的縮孔問(wèn)題

后期分析及對(duì)策

通過(guò)前面兩次改善，基本保證壓鑄模具處于理論上的合理狀態(tài)，即澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、冷卻系統(tǒng)布置合適，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)最優(yōu)。然而，鑄件縮孔率仍有4%之多。鑄件縮孔處壁厚為22.6 mm，遠(yuǎn)大于其他部位的壁厚，較大的壁厚可能引起鑄件中心凝固時(shí)補(bǔ)縮不足，增壓結(jié)束后此區(qū)域還沒(méi)有完全凝固,繼續(xù)收縮產(chǎn)生縮孔[7~10]，模流分析見(jiàn)圖4。因此，如何解決鑄件縮孔處的補(bǔ)縮不足，也許才是問(wèn)題的關(guān)鍵。一般來(lái)講，鑄件的補(bǔ)縮時(shí)通過(guò)料餅→澆道→內(nèi)澆口→鑄件這條路徑進(jìn)行的。由于鑄件厚大部位后于內(nèi)澆口凝固，切斷了增壓后期的補(bǔ)縮通道，因此無(wú)法補(bǔ)縮。

圖4  鑄件凝固階段的多孔性

鑒于常規(guī)增壓階段壓射沖頭通過(guò)料餅施加鑄造壓力而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮作用，采取的措施是在鑄件縮孔附近增加一個(gè)類似渣包結(jié)構(gòu)來(lái)充當(dāng)料餅，利用一副油缸抽芯機(jī)構(gòu)充當(dāng)沖頭，在鑄件凝固后期對(duì)易產(chǎn)生縮孔的區(qū)域進(jìn)行二次增壓補(bǔ)縮，以達(dá)到消除縮孔的目的。通常來(lái)講，這樣的二次加壓機(jī)構(gòu)叫做擠壓銷(xiāo)，它的加壓原理是在金屬液或合金液澆注后到完全凝固前施加適當(dāng)?shù)膲毫σ约訌?qiáng)鑄件凝固補(bǔ)縮效果,達(dá)到提高鑄件致密度、減小或消除縮孔的目的。加壓凝固能夠改變金屬及其合金物理參數(shù)和結(jié)晶過(guò)程，改變疏松空洞的分布和尺寸，提高鑄件的致密度，改善鑄件的拉伸強(qiáng)度和硬度等性能。

根據(jù)鑄件補(bǔ)縮、增壓規(guī)律，擠壓銷(xiāo)動(dòng)作信號(hào)采用鑄造過(guò)程的增壓信號(hào)，并在此基礎(chǔ)上延遲作為啟動(dòng)信號(hào)，因此，擠壓銷(xiāo)主要控制擠壓深度和擠壓延遲時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。擠壓深度依鑄件結(jié)構(gòu)和縮孔分布、大小而定，一般為10~20 mm；擠壓延時(shí)主要參考增壓時(shí)間設(shè)定，一般為2~5 s。實(shí)際工程中，擠壓參數(shù)的確定是在經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上根據(jù)鑄造情況再作優(yōu)化。為了方便調(diào)整擠壓參數(shù)，通常采用單獨(dú)油缸控制擠壓銷(xiāo)動(dòng)作。

針對(duì)曲軸箱鑄件，后期的改善措施為在模具軸承孔附近對(duì)稱布置兩根擠壓銷(xiāo)（位置見(jiàn)圖5），通過(guò)調(diào)整擠壓深度和擠壓延時(shí)兩個(gè)主要參數(shù)，優(yōu)化擠壓銷(xiāo)的二次加壓的補(bǔ)縮效果，從而降低鑄件縮孔率。在前述措施的基礎(chǔ)上，模具追加兩根擠壓銷(xiāo)后縮孔率明顯下降，不良率由4%降低到0.2%。同時(shí)，在0.2%的縮孔不良品中，其縮孔大小明顯減小。因此，擠壓銷(xiāo)方案對(duì)于控制壁厚加大的鑄件縮孔率起到了較好的作用。但是，在本次改善過(guò)程中，鑄件縮孔不良率也曾出現(xiàn)過(guò)波動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)優(yōu)化擠壓參數(shù)擠壓深度15 mm、擠壓延遲時(shí)間2.5 s和規(guī)定擠壓銷(xiāo)使用壽命（次/8000模）等相關(guān)規(guī)范，使鑄件不良率穩(wěn)定在0.2%附近。

圖6為鑄件縮孔區(qū)域改善前后的X射線探傷對(duì)比照。可以看出，鑄件縮孔出現(xiàn)在軸承孔附近，分布較廣且分散，組織較為疏松，由于汽缸體軸承孔需要通以壓力潤(rùn)滑油，因此鑄件在使用期間存在漏油風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)改善后，從X射線探傷照片上已看不出疏松的縮孔分布，鑄件內(nèi)部組織顯得更加致密。

圖5  模具增加擠壓銷(xiāo)位置

圖6  鑄件X-Ray探傷圖片、

結(jié)論

（1）縮孔是一種常見(jiàn)的鑄件內(nèi)部缺陷，易出現(xiàn)在壁厚較大、模溫較高等區(qū)域。通常從模具設(shè)計(jì)（澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)）、工藝參數(shù)設(shè)置和鑄造條件保證等幾方面出發(fā)。針對(duì)涉及的壁厚較大鑄件，傳統(tǒng)的改善措施只能起到緩解作用，而不能徹底解決問(wèn)題。

（2）仿照沖頭在增壓階段的補(bǔ)縮作用設(shè)計(jì)了兩根擠壓銷(xiāo)，對(duì)縮孔區(qū)域起到了二次加壓的補(bǔ)縮作用，效果較為明顯。

作者：魏顯坤 楊興國(guó)

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