消失模鑄造鋁合金鑄件常見鑄造缺陷的探討

謝圣賀

（同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

我國的消失模鑄件目前主體是鑄鐵、鑄鋼等合金，有色合金的占比十分少，而鋁合金優點眾多，被廣泛應用于生活生產，特別是在汽車產業中需求量十分大，對其性能要求也越來越高，尤其是復雜薄壁鋁合金消失模鑄件得到了廣泛的關注，所以對鋁合金消失模鑄造缺陷和技術方面展開研究十分必要，然而鑒于鋁合金消失模鑄造合格率長期處于較低水平，許多技術難題尚未攻克，仍需要廣大鑄造工作者不斷深入研究，在此，本文淺析了鋁合金消失模鑄造幾種常見的缺陷并提出了解決方案。

1 鋁合金消失模鑄造基本情況

不同于砂型鑄造和金屬型鑄造，鋁合金消失模鑄造在技術層面上有很大的不同，以干砂填充和保溫涂層為鑄造的主要手段。熔化和澆筑溫度在鑄造過程中十分重要，只有保證溫度足夠高，才能達到使泡沫模具液化和氣化的目的，進一步促進金屬液體的填充。然而，如果澆筑溫度過高或者過低，就會造成鋁液嚴重吸氧，當溫度逐漸下降時會釋放出來更多的氫，在合金模件表面形成彌散的針孔和渣孔。在這種情況下，所澆筑的比如發動機內壁、復雜性零部件等鋁合金零件的缺陷率大幅升高。由于鋁密度小的緣故，為外部氣體的進入提供可乘之機，鋁液和泡沫發生反應后產生的氣孔在液體流停止流動的情況下會改變為氣孔，這就增大了填砂不足、粘砂和變形等缺陷的發生率。需要知道的是，鑄造的部件缺陷并非千篇一律，而是伴隨著部件結構、質量等因素的不同而不同。一般而言，零件的大小會影響到質量高低，大零件和展開面積大的零件由于鑄造難度小產生缺陷較少。除此之外，各種缺陷解決的難易程度不盡相同，一般來說，滲漏和針孔氣孔這樣的缺陷相對好解決，因為針孔一般是均勻分布的，而氣孔也相對均勻，一般集中在表面。而澆注不足、皺皮、變形等缺陷就相對較嚴重，尤其是復雜性零件，一旦出現這些問題就很難解決。最難解決的是珠狀表面或者收縮等缺陷[1]。

2 鋁合金消失模鑄造的常見缺陷

消失模鑄造技術被稱為“21 世紀的鑄造技術”、“鑄造工業的綠色革命”，這自然是極大的贊譽，但任何事物都不是單面的，都是一把雙刃劍。消失模鑄造優點固然多，但在生產過程中產生較多的缺陷，造成殘次品較多的情況也是常有且難以避免的。就鋁合金消失模鑄造來說，除了一般消失模鑄造易產生的缺陷外，結合鋁合金的特點，還會產生一些典型的區別于其他合金消失模鑄造的特點，在此將對鋁合金消失模鑄造的典型缺陷進行陳述，其他在消失模鑄造過程中通有的缺陷將不再累述。

2.1 澆不足、冷隔

澆不足和冷隔是消失模鑄造中經常出現的缺陷，特別是對鋁合金薄壁復雜件進行消失模鑄造時這類缺陷更加明顯。產生這類缺陷的主要原因歸結到一點就是，金屬液在充型過程中流動性不好。導致金屬液流動性差的原因具體說來主要有兩點：一是背壓。在充型過程中泡沫模型吸熱分解產生大量氣體對金屬液充型造成阻礙，降低了金屬液的流動性。二是金屬液前沿溫度降低。與鑄鐵等鑄造方式相比，鋁合金消失模鑄造有一個突出特點，就是溫度較低。而且在澆筑過程中模型的氣化進一步減少了熱量，溫度更低，就更容易產生澆不足和冷隔等缺陷[2]。

2.2 針孔

針孔的產生也是我國鋁合金消失模鑄造過程中非常頑強且不易規避的技術缺陷之一。其產生主要是由于金屬液裹氣引起的。具體原因有兩方面：一是鋁合金的澆注溫度高達750～780 ℃，較普通空腔澆注高很多，溫度如此之高，加上消失模鑄造采用干砂造型，冷卻速度較慢，金屬液凝固時間變長，傾向糊狀凝固，冷卻時易析出氫氣形成分散性針孔（常伴隨有渣）。此外，如果沒有嚴格遵循生產工藝的基本要求進行操作，產生諸如澆注溫度過高或過低；沒有對帶有有機質、鋁銹等雜物的回爐料充分預熱；鋁液精煉不足等等問題，也會容易產生針孔。

2.3 縮孔、縮松

鋁合金消失模鑄造的過程中，還需要關注的一點是冒口的設計，如果鋁合金消失模鑄造其冒口處的金屬液溫度、壓力偏低，較鑄鋼、鑄鐵件消失模鑄造來說更易產生縮孔、縮松類缺陷。

2.4 表面碳缺陷（皺皮）

表面碳缺陷又稱為皺皮，其主因多半是鑄造過程中產生了聚苯乙烯分解產物。聚苯乙烯在不同溫度條件下呈現出不同狀態，一旦溫度低于750 ℃，就會變成類似瀝青的液體狀態，這些液體易于吸收，通常情況下被吸收后會產生一層薄膜，吸附在液體與涂層中間，進一步生成結晶碳，這就導致了碳缺陷的產生。倘若希望降低缺陷率，就應當在控制環節更加嚴格，做好預先處理與事后補救措施。同時，需要嚴格把控原材料的質量，包括所用的涂料與泡沫模板，澆注過程中嚴格按照科學合理的工藝流程進行，做好每一個生產關鍵環節，對澆筑溫度、涂料金屬液的質量、生產速度都加以嚴格把控。

2.5 表面凹凸現象

表面凹凸現象也是消失模鑄造過程中較為常見的缺陷之一，它的成因多半是模板上排氣塞的不平坦和模具表面存在缺陷。這種缺陷是在生產前就可以發現的，屬于先天性缺陷。對于這類缺陷，我們的防止措施更加簡單，可以在生產前，就對模具模板進行定期檢查管理維修，篩選掉不合格的模具模板，一旦出現小問題，積極進行處理。在模具的采購環節，盡量選擇有品質保障的生產廠家，確保模具模板質量過硬，這樣才能生產出好的消失模部件。

2.6 其他

鋁合金消失模鑄造易產生的缺陷還有：粘砂、結瘤、塌砂、表面孔洞、珠粒表面等等，他們的成因各異，解決方式也比較繁瑣，在此不多加贅述。

3 常采用的控制措施

針對鋁合金消失模鑄造過程中常出現的缺陷，在實際生產中已經廣泛采用如下措施來消除這些缺陷，在此將對幾種典型的工藝進行介紹。

3.1 精煉鋁合金

鋁合金液在充型過程中與泡沫模型發生物理化學反應及能量傳遞，這些都要求鋁合金液更加潔凈。鋁合金液經過精煉，可以達到除氣、除渣的目的，能有效減少鑄件缺陷。

3.2 適當提高澆注溫度

澆鑄溫度與金屬液的流動性關系非常大，通過提高澆鑄溫度可以大大增加金屬液的流動性，減少一些缺陷產生，但也不能采用過高的溫度。一方面，隨著溫度的升高，泡沫模型分解產生的氣體也越多，背壓增大。另一方面，過高的溫度會導致鋁合金液吸收更多的氣體，增大部件產生氣孔和氧化夾渣等缺陷的概率。

3.3 控制好涂料

涂料是生產的重要原料之一，涂料的質量以及涂抹比例對于消失模鑄造部件的質量有些非常大的影響。為了保證部件的基本質量，涂料應選擇質量過硬的，同時需要均勻致密地涂抹在模具表面，確保性能良好。

3.4 合理設置泡沫模樣

合理的泡沫模樣主要包括模樣密度、珠粒熔合和幾何結構。高密度的模樣在充型過程中會吸收更多的熱量，對金屬液前沿的激冷效果更加明顯，而且會產生更多的氣體，增大背壓。低度的熔合，顆粒間氣孔體積大，提高了整個模樣的氣孔率，使金屬液流動更加暢通。幾何結構越復雜、壁越薄、拐彎越多越易產生澆不足冷隔。

3.5 加壓

壓力大小對于鑄造質量也有一定的影響。如果增大部件所承受的壓力，會產生比較多的好處，例如提高金屬液體的塑型能力，增加部件的致密性，有效減少表面凹凸不平問題，從而大幅改進產品質量。

3.6 施加機械振動

除上述方法之外，還可以采用增加振動的方法減少缺陷，振動主要增加在模型凝固期間，好處是可以增加鑄件的內核凝聚，使得其質量細化，組織結構更加優越。此種方法易于操作，成本也低，環境友好程度高，因此被大量采用[3]。

4 結語

為了提高我國鋁合金消失模鑄造水平，廣大的鑄造工作者正在不斷研究改進工藝以控制缺陷的發生。但就目前來說進展還是很緩慢，許多技術難題還未攻克，像鋁合金消失模壓力凝固技術、振動技術依然沒有太大突破。在此，筆者認為當前應大力研究以下方面：一是努力提高泡沫模型的質量，二是深入開展涂料和造型砂的研究，三是加深對鋁合金的精煉；四是深入研究壓力凝固技術與振動技術。相信經過廣大鑄造工作者辛勤的努力，定能將我國鋁合金消失模鑄造技術推上一個新的高度。