汽車用鋁合金壓鑄件的工藝優(yōu)化與組織及缺陷控制研究

郝立國

錦州萬得汽車電器電子科技有限公司 遼寧錦州 121007

作為輕質(zhì)材料的代表，鋁合金的優(yōu)勢極為明顯，如強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)地好、易著色，成型好等等，這些優(yōu)勢使鋁合金成為汽車升級轉(zhuǎn)型的生產(chǎn)材料。同時也正是由于其顯著的優(yōu)勢，汽車工業(yè)中大量應(yīng)用鋁合金，以達(dá)到環(huán)保生產(chǎn)的要求。鋁合金除了是輕質(zhì)材料外，還對大型的汽車零部件成型幫助很大，但由于壓鑄方式不同，會出現(xiàn)一些固有的問題，所以需要對汽車用鋁合金的壓鑄工藝進(jìn)行分析，優(yōu)化壓鑄工藝，控制壓鑄缺陷，確保發(fā)揮鋁合金的突出優(yōu)勢。

1 何為鋁合金壓鑄

汽車用鋁合金壓鑄能極大的提升汽車生產(chǎn)效能，有利于汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。優(yōu)化汽車用鋁合金的壓鑄工藝需要了解鋁合金壓鑄[1]。從壓鑄工藝的顯著特征來看，相較于其他鑄造合金，壓鑄合金的鑄造要求更高，需要在實際的操作中考慮多方面的因素，如使用性能、工藝性能等等，在滿足鑄造要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮其他因素：①為獲得良好的壓鑄件，需要控制溫度以及流動性；②為獲取較高精度的尺寸，需要控制線收縮率以及裂紋的傾向性；③為減少壓鑄件的縮孔數(shù)量，需要控制結(jié)晶范圍；④控制高溫強(qiáng)度；⑤避免粘膜合金化。現(xiàn)階段，汽車生產(chǎn)中用鋁合金的數(shù)量較多，同時合金種類的使用數(shù)量也較多，如出現(xiàn)了AI-Si、AI-Mg、AI-Si-Cu等合金系列。

2 常見的汽車壓鑄工藝分析

2.1 普通的壓鑄方式

壓鑄又被稱為是高壓鑄造，也就是說，需要高強(qiáng)度的壓力通過高速度將熔融的金屬進(jìn)行填充成膜，同時還需外部壓力的幫助，形成模型，壓鑄是一種工藝。壓鑄相較于其他工藝方式，具有較大的優(yōu)勢，如產(chǎn)品質(zhì)量較好、生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)價值大等，但盡管優(yōu)勢突出，也存在顯著的壓鑄缺陷，不利于壓鑄工藝的應(yīng)用。舉個簡單的例子，壓鑄需要壓鑄機(jī)和壓鑄膜，但與此同時，這些機(jī)器設(shè)備的成本較高，小批量的生產(chǎn)成本較高。同時壓鑄機(jī)的尺寸也會影響生產(chǎn)效果，導(dǎo)致無法很好的使用壓鑄工藝。且常見的問題是孔洞類缺陷，出現(xiàn)這一缺陷會不僅會影響壓鑄的質(zhì)量，同時還會影響焊接的質(zhì)量，所以對普通壓鑄件來說，熱處理是不適用的。綜上，普通壓鑄最重要的孔洞缺陷，盡量在壓鑄過程中不要出現(xiàn)孔洞缺陷，才能更好的優(yōu)化壓鑄工藝。

2.2 低速緩慢型壓鑄方式

壓鑄鑄件通常來說存在低速壓射、高速壓射以及增補(bǔ)壓射三部分的內(nèi)容，這三部分共同構(gòu)成壓鑄件成形。一是低速壓射。當(dāng)壓鑄件處于低速過程中，沖頭壓射速度會十分緩慢，此時的金屬液在平穩(wěn)狀態(tài)下進(jìn)行流動，通常不會出現(xiàn)卷氣；二是高速壓射階段。這一階段由于速度變快，使得金屬液流動異常，卷氣現(xiàn)象出現(xiàn)。具體到超低速緩慢壓射來說，其作為一種工藝方法，不僅要求速度很低，還要求層流方式，這樣才能在較少含氣量的基礎(chǔ)上快速凝固，所以總體來說，超低速壓射工藝的關(guān)鍵是臨界壓射。從國外的研究現(xiàn)狀來看，日本很早就將超低速壓鑄工藝應(yīng)用在生產(chǎn)中，且對其進(jìn)行了深入研究；我國起步較晚，但也取得了些進(jìn)步。如熊守美等學(xué)者曾對壓射速度的條件進(jìn)行了研究，加入了組織以及力學(xué)性能因素，將壓射臨界速度降低，升高壓鑄氣孔的含量，此時鑄件性能達(dá)到最好。

3 影響汽車壓鑄工藝的因素

3.1 壓鑄溫度

壓鑄溫度會影響壓鑄工藝，溫度在壓鑄工藝上可具體分為澆注和模具兩種。澆注溫度在合金壓鑄上通常是指液體進(jìn)入模具腔內(nèi)的平均溫度，這一溫度用保溫爐來顯示。在壓鑄的過程中要保持恒溫，過高或過低都會出現(xiàn)壓鑄問題。一般來說，模具有溫度，其計算方式是標(biāo)準(zhǔn)的，模具溫度對壓鑄質(zhì)量的影響也較大，當(dāng)壓鑄模具出現(xiàn)激冷時，壓鑄的組織、性能、質(zhì)量都會受到嚴(yán)重影響。所以要采取必要措施控制模具溫度。鑄件組織以及性能的最大影響因素是澆注溫度，所以要控制好澆注溫度。

3.2 壓鑄速度

壓鑄工藝質(zhì)量還會受到速度的影響，從壓鑄速度來看，分為壓射和充射兩種速度。具體來看，壓射是一種室內(nèi)的移動速度，表現(xiàn)為壓射沖頭將金屬液推動的速度。而充填速度主要表現(xiàn)為內(nèi)澆口的速度。盡管壓射速度與充填速度存在差異，二者之間也可以轉(zhuǎn)化，通過計算公式來轉(zhuǎn)化[2]。國外學(xué)者在壓鑄速度的研究上給了國內(nèi)學(xué)者啟發(fā)，國外有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)金屬液在流動的過程中會遵循一定的定律，如質(zhì)量守恒等，當(dāng)將流動的金屬液與沖頭進(jìn)行聯(lián)系時，會發(fā)現(xiàn)壓射速度的控制能在一定程度上優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升鑄件的質(zhì)量。國內(nèi)學(xué)者在這方面的研究也主要表現(xiàn)在慢壓射速度上，因為速度較快，會帶來大量的氣孔，從而將力學(xué)性能降低。

3.3 壓鑄時長

壓鑄時長對壓鑄工藝的影響較大，分為充填、保壓以及留模三個時間。充填時間主要指的是金屬液從澆口到填滿的時間，影響充填時間的因素較多，如結(jié)構(gòu)、面積等都會影響充填的時間；保壓時間主要指的是金屬液滿了之后的凝固時間；留模時間從保壓時間完成到開模之間的時間，這一時長要控制好，一旦出現(xiàn)較長的留模時間，將會帶來抽芯困難的問題，進(jìn)而壓鑄件上會出現(xiàn)裂紋；較短的留模時間也不利于鑄件，時間短，鑄件的強(qiáng)度低，易出現(xiàn)變形、開裂等問題，影響鑄件的質(zhì)量。

3.4 壓鑄強(qiáng)度

壓鑄強(qiáng)度給鋁合金鑄件帶來的影響主要表現(xiàn)在壓力上，壓力是活塞推動的力量，壓力的大小與工作液壓力以及油缸面積有關(guān)。壓力又稱為比壓，也就是在填充過程中的增壓比壓等。比壓能增加金屬液的補(bǔ)縮能力，降低縮孔和縮松出現(xiàn)的機(jī)會。當(dāng)增壓強(qiáng)度較大時，會改變氣孔的面積和尺寸，提升鑄件的密度，帶動提升鑄件的力學(xué)性能。國內(nèi)學(xué)者在壓力的研究方面主要通過實驗的方式來對鑄件壓力進(jìn)行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)鑄件孔洞與力學(xué)性能之間的關(guān)系，進(jìn)而更好的采取措施，提升壓鑄件的質(zhì)量。

4 影響汽車用鋁合金壓鑄件組織出現(xiàn)缺陷的因素

4.1 高低速切換位置因素

高低速切換位置會影響鋁合金壓鑄件組織出現(xiàn)缺陷。從本質(zhì)上看，高低速切換主要指壓射沖頭的速度，也就是說速度處于變化的過程中，從低速轉(zhuǎn)換為高速時，能對排氣效果產(chǎn)生影響，進(jìn)而對鑄件的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。因此鋁合金在壓鑄的過程中需要合理控制高低速切換的位置，減少壓鑄卷氣的出現(xiàn)，提升鑄件生產(chǎn)的質(zhì)量[3]。通常來說，當(dāng)出現(xiàn)較大范圍的高低速切換位置，則孔洞數(shù)量會降低，且卷氣的含量也會降低；相應(yīng)的高低速切換位置變小，會出現(xiàn)較多數(shù)量的孔洞，且伴隨著大量的卷氣。盡管高低速切換位置變大，能給鑄件帶來好處，但也不是說位置越大越好，因為越大位置的高低速切換，所形成的壓射弧形長，金屬降溫時間也較長，所以會帶來鑄件遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的問題，降低鑄件的致密度。因此，要想獲取完整且性能好鑄件需要綜合考慮高低速切換點(diǎn)的位置，選擇合適的位置，才能改善鑄件質(zhì)量，提升鑄件的密度。

4.2 澆注溫度因素

澆注溫度影響鋁合金組織，產(chǎn)生缺陷。熔融金屬在流動中會與湯勺、模具等進(jìn)行交換，在交換的過程中會損耗熱能，這樣壓室內(nèi)的溫度會降低，平均降低3-6攝氏度，這樣一來，鋁熔體會出現(xiàn)較低的溫度，改變合金的凝固組織。因此對ADC12合金而言，當(dāng)組織出現(xiàn)變化，一般是熔體溫度較高。對其進(jìn)行熱力學(xué)分析可知，熔體出現(xiàn)過熱現(xiàn)象會讓組織細(xì)化，這是一種自發(fā)的結(jié)晶過程。多相態(tài)會構(gòu)成熔體，當(dāng)溫度較高時，熔體的溶解度以及活性都會受到影響，所以要合理控制熔體的溫度。并且還應(yīng)合理控制澆注溫度，不能出現(xiàn)過高或過低的澆注溫度。

4.3 臨界壓射速度因素

臨界壓射速度也會使鋁合金壓鑄件組織出現(xiàn)缺陷。鑄件成形需要經(jīng)過三個階段，低速、高速以及增壓補(bǔ)縮。而臨界壓射主要指的是高速壓射過程中的速度，這一速度能直接對卷氣帶來影響[4]。但也會受到如鑄件壁厚、尺寸等因素的影響。如較大尺寸鑄件其壓射速度一般也較快，反之就會較慢；同時當(dāng)出現(xiàn)較大速度的臨界壓射時，金屬填充會出現(xiàn)運(yùn)動紊亂，生成孔洞類的缺陷，影響鑄件的質(zhì)量。對鋁合金來說，其存在固有的特征，所以在操作中本身就容易卷氣，因此鑄件本身存在少量的孔洞。通過壓射速度實驗發(fā)現(xiàn)，速度高的壓射，金屬液中會卷入數(shù)量多的氣體，伴隨著充形的高速度，能有效縮短充型時間，相應(yīng)的充型時間短，鑄件內(nèi)的空氣無法及時排出，便會被鑄成形。

5 優(yōu)化與組織汽車用鋁合金壓鑄件及控制缺陷的方法

5.1 使用科學(xué)的熱處理工藝

要優(yōu)化汽車用鋁合金壓鑄工藝，控制壓鑄缺陷，需要使用科學(xué)的熱處理工藝。高強(qiáng)度的壓鑄件一般與壓鑄鋁合金的熱處理有關(guān)，通常的固溶會出現(xiàn)重新溶解、共晶硅以及均勻的合金元素三種變化。同時壓鑄鋁合金氣孔膨脹也與固溶溫度有關(guān)。AI-Si-Mg合金中有AC4CH，經(jīng)過計算后，發(fā)現(xiàn)AC4CH中存在a-AI、MgSi等初生相，他們在固溶處理時，需要考慮處理溫度，如果高于共品溫度，則共晶體熔點(diǎn)也相對較高，此時將共晶與晶界溶化后，會產(chǎn)生較大的組織晶粒，損失合金的性能，帶來氣體膨脹。反之溫度較低的固溶，強(qiáng)化相無法有效溶解，鑄件的強(qiáng)度也會受到影響。

5.2 優(yōu)化固溶處理的方式

固溶處理能對顯微組織產(chǎn)生影響，不同固溶溫度與實踐會帶來相學(xué)特征差異的共晶硅，而共晶硅的變化主要與溫度與時間有關(guān)，所以當(dāng)出現(xiàn)較高溫度的固溶處理方式，且伴隨著較長的固溶時間，就會快速擴(kuò)散Si元素，幫助該元素球化；對AC4CH合金中的第二相來說，要明確富鐵尺寸，才能進(jìn)行合金的塑性。不然就容易受到應(yīng)力的影響，合金出現(xiàn)裂紋[5]；即AC4CH在固溶階段會發(fā)生鐵熔斷現(xiàn)象，而在控制溫度以及時間后能在一定程度上解決這一問題；此外，固溶處理也能影響力學(xué)性能。固溶時長不同，也會帶來性能差異，固溶溫度上升，會使合金的強(qiáng)度以及斷后延伸率出現(xiàn)變化，所以要有效的優(yōu)化鋁合金壓鑄件工藝，需要將固溶處理的方式進(jìn)行優(yōu)化，控制壓鑄件出現(xiàn)缺陷。

5.3 使用時效硬化的方法

時效處理屬于合金性能穩(wěn)定的重要手段，而要對時效硬化進(jìn)行分析，需要對不同溫度下時效中的組織變化進(jìn)行分析。從效果上看，固溶處理工藝能借助時效工藝改變來對時效行為進(jìn)行改變，不同溫度下，合金時效硬度值存在顯著差異，且時效時間也不同，但綜合力學(xué)性能伴隨著時效溫度的提升而提升。對鋁合金的時效過程來說，需要分析強(qiáng)化相析出。一般的合金在時效時間短的環(huán)境下，會析出G.P區(qū)，強(qiáng)化合金的效果不突出；在顯微組織中的時效硬化行為會出現(xiàn)變化。

6 結(jié)語

輕質(zhì)材料的首選是鋁合金，所以分析汽車用鋁合金的壓鑄件工藝是符合汽車環(huán)保生產(chǎn)要求的，能極大的改善汽車生產(chǎn)的效能，推動汽車產(chǎn)業(yè)朝著可持續(xù)方向發(fā)展。但與此同時，鋁合金的壓鑄工藝要求高，一旦無法滿足鋁合金的壓鑄工藝，將會使鋁合金出現(xiàn)缺陷，影響汽車的生產(chǎn)與制造。所以需要對汽車用鋁合金的壓鑄件工藝進(jìn)行了解，掌握壓鑄件工藝要求，分析壓鑄件工藝的影響因素，在分析因素的過程中，針對性的解決壓鑄件工藝問題。鋁合金壓鑄件工藝問題通常表現(xiàn)為鑄件缺陷，卷氣多，孔洞數(shù)量多等，這些缺陷不利于鋁合金的使用，所以要在研究中合理控制鑄件的缺陷，提升鋁合金壓鑄件的工藝質(zhì)量。