壓鑄過程中模具氣蝕的分析及改善

黃 勇，廖建強(qiáng)，管維健，吳曉春，左鵬鵬，何剛毅，顧建華，黃志垣

（1.廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司，湖北武漢 430200；2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；4.廣東鴻圖（南通）模具有限公司，江蘇 南通 226300；5.廣東鴻圖南通壓鑄有限公司，江蘇 南通 226300；6.廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東 肇慶 526108）

高壓壓鑄作為一種傳統(tǒng)的金屬成型工藝，是將液態(tài)的金屬或合金澆入壓鑄機(jī)的壓室內(nèi)，使之在高壓和高速下充填型腔，并在高壓下成形和結(jié)晶而獲得鑄件的一種成形方法。由于壓鑄生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間短，工藝過程相對(duì)穩(wěn)定，尤其適合大批量生產(chǎn)，所以發(fā)展迅速[1]。伴隨壓鑄工藝的創(chuàng)新發(fā)展，新技術(shù)不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于生產(chǎn)過程，如分段壓射，高真空，超點(diǎn)冷等，這些新技術(shù)的應(yīng)用提高了壓鑄效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)又對(duì)壓鑄模具及設(shè)備的性能提出了更高的要求[2]。

高壓壓鑄過程中，模具內(nèi)工作環(huán)境條件惡劣，高溫，高壓，強(qiáng)沖擊，使得模具不可避免地出現(xiàn)各種損傷，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，如何有效地預(yù)防和修復(fù)這些損傷，需要壓鑄從業(yè)者不斷探索，改進(jìn)提高。本文通過研究一種壓鑄過程中產(chǎn)生的模具損傷現(xiàn)象——?dú)馕g，探索其形成原因、特點(diǎn)，然后尋求對(duì)于此類損傷的改善方案。為簡(jiǎn)化起見，以下所有表述，均以鋁合金高壓壓鑄工藝為例。

1 模具氣蝕的概述

隨著質(zhì)量要求提升，很多重點(diǎn)汽車壓鑄件的生產(chǎn)都在全電腦控制的封閉壓鑄島內(nèi)完成，在此條件下，工藝參數(shù)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性大幅提升，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有了質(zhì)的飛躍，諸多主觀因素對(duì)生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的影響逐漸消除；同時(shí)，一些潛在的不易控因素，正悄無聲息地蠶食著生產(chǎn)效率，氣蝕正是其中一種。

常見的模具表面損害，以撞擊式損害最為直觀，如沖蝕、碰傷等；而另一類型的損害，周期性壓力損害，其直觀性遠(yuǎn)不如前者，故常被忽略。這類損害是通過長(zhǎng)時(shí)間高頻次的反復(fù)作用，突破金屬表層的疲勞極限，致其表面破損并造成內(nèi)部損傷。氣蝕，正是周期性壓力損害與微創(chuàng)撞擊式損害作用的復(fù)合效應(yīng)。

每一種晶體單質(zhì)或化合物的氣液轉(zhuǎn)換溫度值都是相對(duì)穩(wěn)定的，但受液體表面壓強(qiáng)影響。當(dāng)液體表面壓強(qiáng)降低時(shí)，液體氣化溫度會(huì)稍稍降低；當(dāng)液體表面壓強(qiáng)升高時(shí)，氣化溫度會(huì)升高。在高壓壓鑄過程的中段，鋁液進(jìn)入澆口并加速填充的極短時(shí)間內(nèi)，瞬時(shí)溫度變化并不大，大約為20 ℃～30 ℃，如圖1 所示，但高低壓交變非常劇烈，局部區(qū)域可達(dá)到300%，如圖2 所示。壓鑄循環(huán)啟動(dòng)初期，鋁液在沖頭的推動(dòng)下加速向前端運(yùn)動(dòng)，并不斷被壓縮，經(jīng)料管過澆道，抵達(dá)狹小的內(nèi)澆口（此時(shí)壓強(qiáng)達(dá)到第一個(gè)峰值），并立即通過內(nèi)澆口進(jìn)入空曠的模具型腔，此時(shí)壓強(qiáng)突然降低，單質(zhì)氣化點(diǎn)降低，鋁液中會(huì)析出一些微小氣泡，氣泡繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)型腔表面，在逃逸通道不暢的轉(zhuǎn)角，死角，盲孔等處聚集。鋁液繼續(xù)高速高壓充填型腔，在極短時(shí)間，型腔內(nèi)環(huán)境又變成超高壓狀態(tài)，聚集于密閉空間的微小氣泡受此高壓，氣化點(diǎn)驟然升高，瞬間液化（此過程在科研中有一個(gè)專業(yè)術(shù)語，叫做氣泡“空化”），由此產(chǎn)生一個(gè)個(gè)微觀的高真空區(qū)域，高速向前的鋁液微粒（及夾雜質(zhì)點(diǎn)微粒）急速填充這些高真空區(qū)域，最終在氣泡空化形成的“真空填補(bǔ)加速器”的復(fù)合作用下，撞擊高溫型腔表層。氣泡空化和高速撞擊持續(xù)不斷地作用于型腔表面，由微及著，由表及里，由質(zhì)變引發(fā)量變，最終形成氣蝕。

圖1 壓鑄過程中型腔內(nèi)溫度分布

圖2 壓鑄過程中型腔內(nèi)氣壓分布

由以上分析可知，氣蝕對(duì)模具型腔的損傷來自兩個(gè)方面：1）氣泡空化過程中高低壓劇烈交變?cè)斐傻男颓槐砻嫫谛該p傷；2）氣泡空化產(chǎn)生高真空，高真空“吸力”加速質(zhì)點(diǎn)，高速撞擊型腔表面。

2 氣蝕的危害程度

氣蝕的危害，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：降低模具壽命，擾亂生產(chǎn)過程，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

相關(guān)資料在分析模具表面裂紋時(shí)對(duì)疲勞性損傷做過大量的研究，已經(jīng)有一定的認(rèn)同度；但是經(jīng)高真空“吸力”加速而造成的質(zhì)點(diǎn)撞擊，真有這么大的威力，能擊穿高硬度高致密的模具鋼表層？氣蝕過程中產(chǎn)生的高真空負(fù)壓到底有多大？鑒于工作狀態(tài)下模具型腔的惡劣環(huán)境，鮮有對(duì)此過程的實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)論，但科研人員在對(duì)常態(tài)下液體內(nèi)部氣泡空化行為的研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)直徑0.01 mm～0.02 mm 的氣泡，空化時(shí)就可以產(chǎn)生大約-30 kPa 的負(fù)壓。另外，相關(guān)研究表明，水泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其葉片表面氣泡空化導(dǎo)致的液體質(zhì)點(diǎn)（水）沖擊應(yīng)力，可以達(dá)到幾百乃至幾千個(gè)大氣壓，其中所蘊(yùn)含的能量，足以破壞最致密的微鋼材表面。

氣泡空化的能量之大，一個(gè)應(yīng)用實(shí)例可以側(cè)面證實(shí)，例如超聲波破碎儀，如圖3 所示。生產(chǎn)中批量晶體的熔化過程，需要昂貴的設(shè)備及足量的熱能供給，但由于設(shè)備局限性以及高溫本身的負(fù)面破壞力，不宜長(zhǎng)時(shí)間無限制地升溫。當(dāng)晶體溫度正在熔點(diǎn)時(shí)，呈固液共存態(tài)，此時(shí)利用超聲波，在共存態(tài)結(jié)晶體內(nèi)部不斷產(chǎn)生氣泡析出和空化的交變循環(huán)，氣泡空化產(chǎn)生的能量，可以將半固態(tài)枝晶均勻碎化，形成形態(tài)均衡的等溫液體，滿足工藝需求。其實(shí)質(zhì)就是利用氣泡空化破壞固體微粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之破碎并相互分離開來。

圖3 超聲波破碎儀

氣蝕對(duì)壓鑄模具造成損害，破壞生產(chǎn)過程的連續(xù)性，影響產(chǎn)品質(zhì)量。筆者曾跟蹤一套缸體模具全壽命周期的壓鑄生產(chǎn)，從23 000 模次開始，氣蝕造成非正常停機(jī)占全部非正常停機(jī)的時(shí)長(zhǎng)比率，在短短10 個(gè)月間，從1.3%上升到6.7%.

3 氣蝕的特點(diǎn)

3.1 隱蔽性強(qiáng)

首先，模具在試模階段，小批量生產(chǎn)階段，乃至正式量產(chǎn)的前一時(shí)段，氣蝕的外在表象是不明顯的，一般在5 000 模次以后，氣蝕才開始萌芽，而操作人員易將其混淆為沖蝕、粘料、熱結(jié)等，運(yùn)用不正確，不徹底的解決方法，致使危害持續(xù)增長(zhǎng)，積水成淵。氣蝕的初期外在表象，是一些肉眼可見的細(xì)微麻點(diǎn)，但顏色更深，且向外凸出（見圖4）；后期麻點(diǎn)變大，形成結(jié)渣（見圖5）；結(jié)渣持續(xù)生長(zhǎng)，出現(xiàn)內(nèi)部蝕空（見圖6）.蝕空初期比較難于發(fā)現(xiàn)，等發(fā)現(xiàn)時(shí)通常已經(jīng)比較嚴(yán)重了。

圖4 氣蝕（初期麻點(diǎn)）

圖5 氣蝕（中期結(jié)渣）

圖6 氣蝕（末期蝕空）

3.2 成長(zhǎng)快

氣蝕突破最堅(jiān)固的外致密層是最為緩慢的第一步，外層突破后，氣蝕的擴(kuò)展速度就會(huì)加快，一方面型腔的內(nèi)部質(zhì)量不如表層堅(jiān)固，另一方面，細(xì)小間隙的密閉性更好，發(fā)生在這些空間的氣泡空化，其威力也更大。

3.3 伴生性強(qiáng)

氣蝕突破型腔外致密層難度較高，但模具表面的其他損傷為氣蝕的發(fā)展提供了突破口，所以氣蝕喜歡在其他蝕缺區(qū)域伴生成長(zhǎng)，目前所見的伴生氣蝕，包括沖蝕+氣蝕（見圖7）；熱裂+氣蝕（見圖8）；尖端腐蝕+氣蝕（見圖9）.在這些情形中，氣蝕都不是造成損害的最早原因，但其后期發(fā)展所造成的損害，卻不比其他損害小。

圖7 伴生氣蝕（沖蝕+氣蝕）

圖8 伴生氣蝕（熱裂+氣蝕）

圖9 伴生氣蝕（尖端腐蝕+氣蝕）

3.4 高真空工藝的發(fā)展加劇了氣蝕的危害程度

影響氣蝕危害程度的重要因素，是氣泡空化時(shí)在侵害表面處造成的壓差幅度。相對(duì)于普通壓鑄，高真空壓鑄型腔內(nèi)的氣壓非常低，直接導(dǎo)致更多的氣泡溢出，也就意味著更多的氣泡空化發(fā)生，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的危害（見圖10）.此外，高真空壓鑄的自動(dòng)化程度更高，氣蝕的區(qū)域、頻度、強(qiáng)度也更“穩(wěn)定”，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)節(jié)拍的影響更明顯。

圖10 真空流道上的氣蝕

4 氣蝕的形成條件

氣蝕形成的環(huán)境條件，有三個(gè)方面：液面區(qū)強(qiáng)的高低交變幅度、相對(duì)密閉的空間及鋁液的可氣化成分。

4.1 液面壓強(qiáng)的高低交變幅度

氣液交變過程中，在瞬時(shí)鋁液溫度相對(duì)穩(wěn)定的前提下，要求鋁液外環(huán)境壓強(qiáng)先變低，利于氣泡形成并析出；將析出的氣泡限制在一個(gè)封閉空間內(nèi)，然后大幅增壓，強(qiáng)制空化并產(chǎn)生瞬時(shí)真空負(fù)壓，吸引微質(zhì)點(diǎn)轟擊模面，并循環(huán)反復(fù)。高真空壓鑄條件下氣蝕現(xiàn)象加劇，正是因?yàn)榇诉^程壓強(qiáng)交變幅度更大。

4.2 相對(duì)密閉的空間

如果氣泡聚集在一個(gè)有逃氣通道的空間內(nèi)，壓鑄正壓和氣泡空化產(chǎn)生的真空負(fù)壓能通過這些通道得到快速補(bǔ)償，正負(fù)壓交變幅度就會(huì)大大降低，不僅對(duì)型腔壁的作用力減弱，對(duì)質(zhì)點(diǎn)的加速作用也同等遞減，損害隨之減弱。氣蝕在電極腐蝕區(qū)域發(fā)生較明顯，是因?yàn)榇蠖鄶?shù)尖角處本身就是通道死角，更容易形成密閉空間。

4.3 鋁液中的可氣化組分

包括鋁液中的溶融氣體，壓鑄條件下可氣液轉(zhuǎn)化的夾雜物等。對(duì)這些組分的管控，僅具有理論上的可行性，在實(shí)際操作中成本高、工藝繁瑣，通常不采用。

5 氣蝕的設(shè)計(jì)預(yù)防要點(diǎn)及后期的修復(fù)改善方法

從氣蝕的形成機(jī)理可知，氣蝕傷害過程既包含高低壓交變的應(yīng)力疲勞，也包含微粒子的沖擊效應(yīng)，因此影響沖蝕損害的因素，大多也影響氣蝕損害，但在此討論中，我們側(cè)重關(guān)注氣蝕形成的特定因素。在壓鑄過程中，高低壓交變是壓鑄的基礎(chǔ)工藝條件，大幅變更會(huì)影響壓鑄過程；鋁液成分的調(diào)整在實(shí)際中操作空間有限。所以，壓鑄過程氣蝕預(yù)防的最佳途徑，就是盡量減弱乃至消除可能產(chǎn)生氣蝕的密閉空間。據(jù)此，本文按開發(fā)過程的不同階段，分為如下兩部分講述。

5.1 氣蝕的設(shè)計(jì)預(yù)防

設(shè)計(jì)過程中的預(yù)防分成兩塊，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和模具設(shè)計(jì)階段，這兩個(gè)階段相互關(guān)聯(lián)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，除了規(guī)避產(chǎn)品尖端結(jié)構(gòu)，還應(yīng)盡量減少無通孔深腔柱位、筯位、掛臺(tái)位等結(jié)構(gòu)（見圖11），在類似結(jié)構(gòu)無法規(guī)避時(shí)，穴腔深端表面就不宜規(guī)定成精密原生鑄面，為后續(xù)模具上對(duì)端面的分體成型創(chuàng)造條件。后期模具設(shè)計(jì)中，針對(duì)這些部位，在模具上優(yōu)先排布溢流井（見圖12）、逃氣道、頂針、盲孔鑲針、平頭鑲件等。在壓鑄過程中高低壓交變時(shí)，這些分體配件間的細(xì)小間隙可以極大地補(bǔ)償壓差。此外，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)盡量減少料流填充方向上的轉(zhuǎn)角、死角、夾心區(qū)，并在模具設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整澆口位置及方向，增加排溢通道等，能預(yù)先規(guī)避氣蝕聚集密閉區(qū)域，降低乃至消滅氣蝕滋生場(chǎng)所。

圖11 型腔內(nèi)耳臺(tái)易形成半密閉空間

圖12 加擠針及渣包，以規(guī)避氣蝕

特別要提到真空溢流道的設(shè)計(jì)，很多設(shè)計(jì)者為了加工工藝簡(jiǎn)化和所謂的排布美觀，將真空流道設(shè)計(jì)成直線加90°轉(zhuǎn)角通道，并在轉(zhuǎn)角處加上一段緩沖回料區(qū)，如圖13 中的三個(gè)標(biāo)注區(qū)域[3]，這個(gè)緩沖回料區(qū)絕對(duì)是氣蝕高發(fā)區(qū)，也是導(dǎo)致真空流道粘模，造成自動(dòng)壓鑄單元停機(jī)的禍害之一，要從結(jié)構(gòu)上根本改善如圖14 中的標(biāo)注區(qū)域。

5.2 氣蝕缺陷的后期改善

在產(chǎn)品先期策劃及設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)預(yù)防，不一定能徹底地杜絕氣蝕。當(dāng)氣蝕麻點(diǎn)、結(jié)渣、腐蝕空洞已經(jīng)形成，為了避免粘模，拉傷拉斷，缺料等，就必須對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行必要的修復(fù)，修復(fù)工作宜早、宜勤、宜徹底，因?yàn)闅馕g發(fā)生慢而發(fā)展快。發(fā)現(xiàn)初生的氣蝕麻點(diǎn)，馬上處理，用油石推平模面，涂抺防護(hù)油膏，并在后期生產(chǎn)中密切監(jiān)控其滋生發(fā)展。對(duì)于已經(jīng)結(jié)渣的部位，要用橡膠打磨頭仔細(xì)清除細(xì)渣，用油石推平模面，涂抺防護(hù)油膏，切忌直接用砂質(zhì)磨頭打磨，以免劃傷型腔致密表面為氣蝕提供便利。必要時(shí)，這些部位可增加涂覆焊等表層防護(hù)措施。經(jīng)驗(yàn)表明，表面涂覆焊可以將氣蝕發(fā)生延遲大約9 000 至15 000 模次，且可削弱氣蝕程度。對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生腐蝕空洞的部位，在清理結(jié)渣后，在空洞處銑挖切削，徹底去除孔穴及松疏部位，然后氬弧焊填補(bǔ)、磨平、拋光，再作好相應(yīng)的防護(hù)處理。

圖13 真空流道末端死角且直面沖擊方向

圖14 真空流道無死角，高壓料流回旋逸出

雖然氣蝕常常不經(jīng)意造成麻煩，但具有成型周期較長(zhǎng)，前期危害較小的特點(diǎn)，壓鑄從業(yè)者要勤監(jiān)控，早預(yù)防，一治到位，力爭(zhēng)將其負(fù)面損害降到最低點(diǎn)。

6 結(jié)論

通過研究與實(shí)踐，可以得出以下結(jié)論：

1）局部密閉空間高低壓交變引起的氣泡空化，是造成模具氣蝕的根本原因；

2）氣蝕發(fā)生和發(fā)展隱蔽性強(qiáng)，成長(zhǎng)性高，忽視就會(huì)導(dǎo)致模具型腔損害；

3）選擇正確的產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)方案，可以減弱和消除氣蝕隱患；

4）氣蝕的后期修復(fù)改善，宜早，宜勤，宜徹底。