冷室壓力鑄造在快壓射階段的壓射過程對鋁合金鑄件表面質(zhì)量的影響*

何文卿，阮 毅，胡國穎，郭 滔，楊建庭

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510705）

0 引言

壓鑄是一種將液態(tài)或半固態(tài)的金屬注入壓鑄機(jī)的壓室內(nèi)，并在高壓力的作用下，以極高的速度充填鑄模（壓鑄型）的型腔而獲得鑄件的高效益的精密鑄造方法[1]。壓鑄是一種較為先進(jìn)的鑄造技術(shù)，具有尺寸精度高、穩(wěn)定性好、互換性好、原材料可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)[2]。鋁合金具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能良好、密度小、高溫熔體流動(dòng)性好等優(yōu)良特性[3]。鋁合金壓鑄件結(jié)合了壓鑄與鋁合金兩者的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用日益廣泛，如航空航天、汽車、機(jī)械等行業(yè)。

壓力鑄造技術(shù)涉及機(jī)械制造、材料、冶金等多種學(xué)科，并且正在向交叉的學(xué)科發(fā)展。國外壓鑄先進(jìn)技術(shù)隨著人工智能、數(shù)字信息化的深度融合，能更加清晰地通過流場、溫度場進(jìn)行鑄件質(zhì)量的分析，優(yōu)化鑄造工藝[4]。我國壓鑄行業(yè)經(jīng)歷了50多年的錘煉，已經(jīng)成長為具有相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，但總體來看與西方工業(yè)強(qiáng)國還有一定距離，需要從設(shè)備、模具、從業(yè)人員、工藝水平等方面進(jìn)行加強(qiáng)[5]。其中在傳統(tǒng)的壓鑄壓鑄生產(chǎn)中，對壓鑄工藝的形成過程一般只是基于經(jīng)驗(yàn)和一般理論上的控制，一項(xiàng)較為復(fù)雜的流程，不但需要一定理論基礎(chǔ)、一定的實(shí)踐摸索和經(jīng)驗(yàn)積累，更重要的是，要契合現(xiàn)在數(shù)字化、智能化的潮流，對工藝方面的研究更多地引入數(shù)字化進(jìn)行分析[6]。

鋁合金壓鑄件的表面缺陷，如縮孔、冷隔、氣孔等，使零件在使用時(shí)易于產(chǎn)生引力集中，降低力學(xué)性能[7]。同時(shí)表面缺陷會(huì)削弱零件的抗沖擊能力、可靠性，甚至使零件在使用過程中發(fā)生脆裂或脆斷。因此，表面質(zhì)量是壓鑄件整體質(zhì)量的重要組成，目前國內(nèi)對表面質(zhì)量的研究大部分集中在慢壓射階段如何保持熔體平穩(wěn)避免卷入氣體，從而減少或消除氣孔這方面，對于快壓射過程參數(shù)與氣孔、縮孔、冷隔等的表面缺陷之間的關(guān)系的研究很少[8]。因此研究在快壓射階段產(chǎn)生或加劇表面缺陷的影響因素及成因，進(jìn)而改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提升鑄件質(zhì)量，具有非常積極的意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要目的是探索快壓射階段壓射速度-時(shí)間，壓射加速度-時(shí)間及壓射行程對鋁壓鑄件表面質(zhì)量的影響，采用3臺(tái)臥式冷室鑄造機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，3臺(tái)壓鑄機(jī)編號(hào)分別為#A1、#A2、#A3，其中#A2、#A3是同一型號(hào)且進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)使用的是同一套模具，#A1使用結(jié)構(gòu)類似、復(fù)雜程度相當(dāng)?shù)牧硪惶啄＞哌M(jìn)行鑄造試驗(yàn)。3臺(tái)均為1000 t以上的壓鑄機(jī)，雖然#A1壓鑄機(jī)略小，但3臺(tái)壓鑄機(jī)在壓射力方面沒有顯著差異，具體如表1所示。

表1 三臺(tái)壓鑄機(jī)壓射力參數(shù)

冷室壓鑄機(jī)是一種壓射室和壓射沖頭不浸于熔融金屬內(nèi)的壓鑄機(jī)，它的工作原理是將熔融金屬注入壓射室內(nèi)部，然后進(jìn)行壓射[9]。臥式冷室壓鑄機(jī)壓射過程的分級(jí)、分段明顯并容易實(shí)現(xiàn)，能夠較大程度地滿足壓鑄工藝的不同要求，以適應(yīng)生產(chǎn)各類型和要求的不同鑄件的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛[10-11]。

臥式冷室壓鑄流程如圖1所示[12]。

圖1 壓鑄流程

在壓射流程中，壓射沖頭的運(yùn)動(dòng)過程是壓鑄工藝的關(guān)鍵，對壓鑄件的質(zhì)量有重要的影響。壓射沖頭的運(yùn)動(dòng)過程一般可以分為3個(gè)階段[13]：（1）慢速壓射，即壓射沖頭慢速推送金屬熔體，使金屬熔體以堆積形體充滿壓射室前段及內(nèi)澆口前沿；（2）快速壓射，即壓射沖頭快速推送金屬熔體，使金屬熔體迅速流經(jīng)澆道進(jìn)入模具，充滿型腔；（3）增壓壓射，壓射沖頭壓力迅速增大，向前壓實(shí)模具內(nèi)部的成型金屬熔體。

壓鑄機(jī)在快壓射階段的實(shí)際壓鑄參數(shù)是鑄件的表面質(zhì)量形成的關(guān)鍵[14]。在快壓射階段，金屬熔體完成模具型腔的填充、結(jié)晶凝殼、成型的過程。在凝殼初始階段至凝殼穩(wěn)定階段，是表面質(zhì)量的形成時(shí)期。

本次實(shí)驗(yàn)，#A2壓鑄機(jī)使用長行程進(jìn)行壓鑄；#A3壓鑄機(jī)采用短行程壓鑄；#A1的行程居于#A2、#A3的行程之間。

快壓射階段的壓射過程可以通過壓射速度、壓射加速度及壓射行程-時(shí)間來表征。對于壓射速度-時(shí)間、壓射加速度-時(shí)間及壓射行程-時(shí)間的測量，需要采用示波器對位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，并對示波器采取的電壓信號(hào)如下處理：（1）先測量機(jī)臺(tái)單位距離-脈沖數(shù)量來標(biāo)定距離與脈沖數(shù)量的關(guān)系；（2）對采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化0、1處理，并計(jì)算脈沖數(shù)量；（3）利用示波器的采樣頻率與時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算時(shí)間及脈沖的數(shù)量之間的關(guān)系；（4）再通過已經(jīng)標(biāo)定的距離與脈沖數(shù)量的關(guān)系，可以得到壓射行程-時(shí)間的關(guān)系；（5）有壓射行程-時(shí)間的關(guān)系可以采用差分的方法得到壓射速度-時(shí)間關(guān)系，再用擬合的方法得出函數(shù)表達(dá)式；（6）通過壓射速度-時(shí)間的函數(shù)可以很方便地得到加速度-時(shí)間的表達(dá)式，從而完成快壓射階段壓射性能的測量。

在壓鑄的快壓射期間沖頭的運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短，要采用較高的采樣頻率，會(huì)產(chǎn)生較大記錄行數(shù)的電壓數(shù)據(jù)集，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再進(jìn)行分析，本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理采用Python3.9.4軟件。

在壓鑄實(shí)驗(yàn)完成后，從各機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的壓鑄件中各隨機(jī)抽樣30件，進(jìn)行銑面處理及對表面缺陷進(jìn)行測量與統(tǒng)計(jì)，從而判斷鑄件的表面質(zhì)量是否符合質(zhì)量要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對快壓射階段的速度-時(shí)間的測量，3臺(tái)設(shè)備的測量參數(shù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示。

表2 三臺(tái)冷室壓鑄機(jī)最大壓射速度測量記錄表

為了直觀地表達(dá)各機(jī)臺(tái)速度、加速度-時(shí)間的關(guān)系，將函數(shù)繪制成曲（直）線形式，具體如圖2～4所示，根據(jù)速度與時(shí)間的關(guān)系，繪制壓射行程-時(shí)間的曲線。

圖2 各機(jī)臺(tái)速度-時(shí)間

圖3 各機(jī)臺(tái)加速度-時(shí)間

壓鑄機(jī)在快壓射階段從初始速度加速至最高速度的時(shí)間段，是金屬熔體對模具型腔進(jìn)行填充的時(shí)間。不同初始速度加速到最高速度的時(shí)間及趨勢如表3和圖5所示。

圖5 快壓射從初始速度加速至最高壓射速度的時(shí)間

表3 快壓射階段從初始速度（0.3～0.6 m/s）至達(dá)到最高壓射速度的時(shí)間

本次試驗(yàn)#A1、#A2、#A3使用同一模具分別生產(chǎn)相同時(shí)長，再隨機(jī)各取30件樣品對外觀質(zhì)量進(jìn)行測量、檢驗(yàn)，具體取樣結(jié)果如表4所示，外觀質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：（1）φ10區(qū)域內(nèi)，φ0.5～φ0.7砂孔不超過3個(gè)或φ1.5至多1個(gè)；（2）表面不允許超過φ1.5砂孔缺陷；（3）氣孔是內(nèi)壁較為光滑，形狀為圓形或橢圓形的孔，縮孔是內(nèi)壁粗糙、形狀不規(guī)則的孔。缺陷形式如圖6～7所示。

表4 表面質(zhì)量取樣結(jié)果

圖7 缺陷-縮孔

3 結(jié)果分析

本次試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證壓射速度、加速度及壓射行程對鋁合金鑄件的表面質(zhì)量的影響，鋁合金鑄件的表面質(zhì)量以出現(xiàn)砂孔（光滑形為氣孔、非光滑形為縮孔）及孔的數(shù)量作為檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

冷室壓力鑄造在鑄造過程中，熔體是經(jīng)澆道填充進(jìn)入型腔，從慢速在澆道口堆積、排氣到快速運(yùn)動(dòng)推動(dòng)金屬熔體充滿整個(gè)型腔，是熔體填充期及凝殼產(chǎn)生與生長期，對于表面質(zhì)量的形成是至關(guān)重要的，具體可以表述如下。

（1）熔體在慢速堆積期，進(jìn)入模具型腔的前端，此時(shí)熔體溫度較高，與模具接觸產(chǎn)生激冷，迅速凝殼，此時(shí)熔體的溫度高，同時(shí)后部熔體的熱量會(huì)不斷傳遞至凝殼，初生的凝殼強(qiáng)度小、厚度薄。

（2）慢速推進(jìn)達(dá)到設(shè)定位置時(shí)，推桿快速推動(dòng)熔體填充模具型腔，熔體填充的過程中，溫度會(huì)隨著填充的距離、時(shí)間不斷下降。

（3）理論已經(jīng)表明，在熔體凝殼初期，凝殼并不是緊貼著模具表面進(jìn)行熱傳遞的，在凝殼形成時(shí)，由于激冷且凝殼的強(qiáng)度較小，殼體表層凝固收縮，導(dǎo)熱能力下降，次表層區(qū)域受熱重熔回糊狀區(qū)，凝殼減薄強(qiáng)度減小[15]。在壓力的作用下殼體與模具再次接觸，凝殼會(huì)形成類似高頻振動(dòng)的狀態(tài)。在高頻振動(dòng)下，如果凝殼不具有抵抗外力的作用的強(qiáng)度，會(huì)出現(xiàn)破裂。

（4）凝殼破裂，在溫度高的區(qū)域，金屬液體流動(dòng)性好，在收縮回彈時(shí)，會(huì)迅速得到補(bǔ)充。在溫度較低的區(qū)域，凝殼回彈破裂重新凝固時(shí)，金屬流動(dòng)性不足，會(huì)無法進(jìn)行補(bǔ)充或補(bǔ)充不足從而產(chǎn)生縮孔。

（5）壓射期間，熔體需要保持平穩(wěn)，否則會(huì)卷入空氣，在鑄件中形成氣孔，氣孔分布在整個(gè)截面中，在鑄件表面也會(huì)存在[16]。

以上表明，在鑄造時(shí)凝殼是否會(huì)產(chǎn)生破裂，金屬熔體能否及時(shí)補(bǔ)充及熔體在快壓射的行程中是否會(huì)將模具中的空氣卷入是鑄件表面質(zhì)量的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)中，由于3臺(tái)設(shè)備采用的鑄造模具類型及復(fù)雜程度相當(dāng)?shù)哪＞?，在鋁合金熔體的牌號(hào)一致、快壓射初始速度、澆注溫度也基本相同的情況下，快壓射階段中金屬熔體的填充時(shí)長、壓射速度、壓射加速度及壓射行程是決定表面質(zhì)量的主要因素。

從表2、圖2、圖4可知，#A2的最高壓射速度要明顯比#A1、#A3的高，在快壓射階段，#A2在快壓射階段熔體產(chǎn)生的凝殼所承受的沖擊要比另外兩臺(tái)的大，尤其是快壓射階段的末期。同時(shí)快壓射階段的時(shí)間，#A2要顯著多于#A1、#A3，時(shí)間過長，高溫熔體經(jīng)模腔熱傳遞的熱量比較多，熔體溫度下降快，金屬熔體的流動(dòng)性會(huì)變差，在快壓射階段末期的凝殼在較高沖擊力的作用下，產(chǎn)生破裂時(shí)，由于熔體的流動(dòng)性下降，難以進(jìn)行補(bǔ)充，易產(chǎn)生縮孔。同時(shí)從圖4中可看出，#A2的壓射行程要顯著大于其他兩臺(tái)，意味著熔體從開始?jí)荷涞竭_(dá)澆注口距離較長且存有較多空氣，壓射開始時(shí)，快速運(yùn)動(dòng)的熔體會(huì)卷入空氣，從而在鑄件中形成氣孔。結(jié)合表4表明，壓射行程過長、壓射速度過快均對表面質(zhì)量有負(fù)面影響，其中壓射行程過長而引起的氣孔對鑄件質(zhì)量的影響更大。

圖4 壓射行程-時(shí)間

#A1壓鑄機(jī)與#A3壓鑄機(jī)相比，快壓射最高速度相差較小（#A3的要略大于#A1），但在加速到壓射最高速度的時(shí)間、壓射行程及初始加速度等方面，兩臺(tái)壓鑄機(jī)的有明顯區(qū)別。

從表2與圖2～4可以看出。#A3要比#A1的壓射行程及壓射時(shí)間要顯著小，#A3要比#A1的初始加速度要顯著大。過短的快壓射時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致金屬熔體在快壓射階段形成的凝殼過薄，同時(shí)熔體的熱量經(jīng)模具傳遞較少溫度較高，使凝殼的強(qiáng)度不足以抵抗高的加速度的沖擊及凝殼因激冷產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，容易發(fā)生破裂，在流動(dòng)性較好的區(qū)域，高溫熔體可以及時(shí)補(bǔ)充，但是對于流動(dòng)性較差或熱傳遞快速的區(qū)域，破裂的凝殼得不到完全的補(bǔ)充，從而產(chǎn)生縮孔等缺陷。從抽樣結(jié)果來看，表面質(zhì)量的缺陷發(fā)生在流動(dòng)性較差、熱傳遞較快的區(qū)域?yàn)槎?。結(jié)合表4表明，過短的壓射行程與過快的初始加速度使得填充階段的時(shí)間縮短，會(huì)對鑄件的表面質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

另外，從表3、圖5可看出，快壓射階段的初始速度對于填充階段的時(shí)長影響較小。在慢壓射-快壓射初始階段的熔體推進(jìn)速度，可以選擇使熔體推進(jìn)平穩(wěn)避免大量卷入空氣又與溫度降低相匹配的適當(dāng)?shù)妮^慢速度。

4 結(jié)束語

本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明合理的壓射過程對于鑄件表面質(zhì)量的影響具有關(guān)鍵意義?？靿荷潆A段的時(shí)長、最高速度、加速度及行程之間是相互關(guān)聯(lián)、互相影響的?？傮w而言，行程的長短可以顯著影響鑄件的表面質(zhì)量，過長的行程易于高溫熔體將氣體卷入而產(chǎn)生氣孔，氣孔會(huì)降低鑄件整體的力學(xué)性能，同時(shí)停留在表面的氣孔屬于表面缺陷；過短的行程，凝殼在壓射階段容易被破壞而出現(xiàn)縮孔。過高的壓射加速度、速度均會(huì)破壞凝殼的穩(wěn)定，加劇縮孔等表面缺陷的產(chǎn)生；過長的壓射時(shí)間，會(huì)使鑄件末端的熔體溫度下降過多，降低流動(dòng)性，從而產(chǎn)生縮孔等缺陷。在進(jìn)行壓鑄的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，既要對進(jìn)行壓鑄金屬熔體的凝固特性有深入的認(rèn)識(shí)，又要對壓射過程的各因素對鑄件質(zhì)量的影響有深入的理解，并且在實(shí)際生產(chǎn)中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與積累數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，才能制定出合理的壓鑄工藝。