定量爐在鋁合金壓鑄成型過程中的優勢

李 亞，周金男，王家錦

（寧波眾創智能科技有限公司，浙江 寧波 315000）

由于鋁合金的成型加工性能較其他金屬材料更為優異，兼具耐腐蝕和高強度低密度的優點讓鋁合金在各項制造業中大放異彩[1]。其主要作為結構材料出現在航天、汽車、航空、建筑等行業中，作為結構材料的使用量與鋼鐵材料相差無幾[2]。甚至其使用頻率在有色金屬材料中占據榜首，如汽車制造行業中，當汽車產銷量不斷增加，其尾氣排放及燃油消耗的汽車輕量化也不斷增加，這就使得那么汽車零部件上的鋁合金利用率就會大幅度地上漲[3]。

而鋁合金的主要制造方法就是鋁合金壓鑄成型，通過這種結構零件制造出高效、精密的結構零件，雖然壓鑄企業在制造行業中占有較大的份額。但鋁合金壓鑄零件的氣孔和縮松縮孔缺陷較為常見，這就使得大量的鋁合金制造零件難以投入使用，只能予以銷毀重鑄，這極大地降低了鋁合金壓鑄成型的效率。

因此，通過定量爐解決鋁合金壓鑄成型過程中的問題，對鋁合金壓鑄成型產生的氣孔缺陷防控，并針對產生氣孔缺陷的原因及機理分析。

1 鋁合金壓鑄成型理論背景

對鋁合金壓鑄成型的理論背景分析可知，鋁合金在壓鑄成型時需要借助砂型或者模具型腔塑形，通過重力鑄造合金液，對整個充型凝固的重力澆筑處理。在保證鑄件表面光潔同時提高成型率，針對鑄件內部存在的大量縮松縮孔熱處理。對鑄件組織致密性原因分析，在重力作用下對合金液鑄件表面平整性處理。通過高速充型熱處理合金液或者半固態金屬。這就使得生產結構復雜的鑄件壁比要求更厚，同時充型能力也限制了鋁合金壓鑄成型的高氣密性，使得生產鑄件表面的氣孔較少，大量的氣孔在鑄件內部生成，熱處理只能處理掉鑄件表面的氣孔，從而使得鑄件內有氣孔產生，導致鑄件內部結構脆弱。

生產高氣密性的鑄件時，當前冷卻凝固的特點會讓鑄件契合精度提高，通過高速充型壓縮生產鑄件的充型能力，雖然能夠在一定程度上保證鋁合金鑄件的出件率，但就重力作用下的充型能力而言，其效率生產鑄件的表面平整度并不高。但勝在其鋁合金成型方式不需要過多地切削，而且壓鑄成型的精度較高。

2 鋁合金壓鑄成型過程中存在問題

鋁合金壓鑄成型中鑄件內部充滿氣體，這些氣體導致鋁合金鑄件表面產生孔洞。雖然壓鑄過程中氣孔內表面光滑，但受熱膨脹的內部氣體影響了鑄件的高溫工作性能，并且為后續的強化工藝帶來了麻煩，根據形成機理判斷鋁合金壓鑄成型受熱膨脹的鑄件合金，判斷鋁合金壓鑄成型產生的氣孔的原因主要為氣體熔煉過程中卷入，這使得鋁合金鑄件中產生氫氣。

因此需要通入惰性氣體精煉鋁合金鑄件，這樣雖然能解決鋁合金鑄件中的氣孔問題，并降低鑄件內氫氣孔的產生頻率，但惰性氣體也會降低鋁合金壓鑄成型的效率。

鋁合金鑄型反應產生氣體中含有合金液雜質，這類雜質會在鑄件當中殘留，主要與模具涂料的使用量相關，模具涂料使用越多，其合金液雜質越多。此時鋁合金鑄型腔內的氣體主要構成為鈉和氦，這些氣體體積分數較氫氣更高，且不與合金液產生化學反應，導致鋁合金表面產生雜質缺陷。

3 定量爐在鋁合金壓鑄成型過程中的作用

3.1 減少了壓鑄過程中重金屬的利用

利用定量爐對鋁合金壓鑄可知，定量爐對鋁及其合金表面的化學反應具有催化作用，這就使得化學反應生成了鋁合金氧化膜，通過氧化法對金屬與特定腐蝕液處理，得到化學轉化處理的外層原子腐蝕液分離，從而促進特定腐蝕液接觸化學金屬特定外層原子，造成化學氧化條件下的腐蝕液粒子附著力降低，通過腐蝕生成物膜層的難溶性降低重金屬在壓鑄過程中的利用率，從而起到鋁合金壓鑄環保性。

通過腐蝕生成物膜層降低金屬表面的外層原子附著力，針對膜厚度為0.5^-4Elm以下的使用化學氧化技術，這樣生成的氧化膜并不厚，且壓鑄過程中的重金屬膜層質地較為柔軟。能夠較好地吸附鋁合金壓鑄成型中的重金屬，使得鋁合金涂漆底層再次涂裝防護層。

3.2 降低了壓鑄過程中的能源損耗

利用直流電源對鋁合金陽極氧化，還需要添加外加設備與添加劑，難以達到當前對于鋁合金制品的環保要求，且在壓鑄過程中損耗的能源較高，整體成膜的生成率較低。

通過定量爐對鋁合金壓鑄同時需要混合其他硫酸，對鋁及鋁合金進行陽極氧化，通過混合酸氧化促進鋁合金壓鑄鑄件成膜。應用定量爐不僅使得壓鑄進程縮短，同時也改進了陽極氧化工藝條件，使得壓鑄過程中的能源損耗減少。通過添加有機酸，使得電解液中鑄造鋁合金制備氧化膜的效率提高，并利用定量爐疊加有機添加劑，減少鋁合金壓鑄中陰極放出的熱量，并利用普通陽極氧化交流電源縮短鋁合金壓鑄的周期，使得單個鋁合金鑄件壓鑄功率提升。定量爐同時也能降低短時間內沖擊電壓，保證鋁合金壓鑄過程的制備安全。定量爐同時也能增厚壓鑄過程中的能源阻擋層，并增加膜層的厚度，減少鋁合金鑄件的孔隙率。

3.3 提高了鋁合金壓鑄表面的耐磨性

定量爐提高了鋁合金壓鑄表面的耐磨性，通過定量爐的微弧氧化，促進鋁合金壓鑄表面的普通陽極氧化，利用鋁合金壓鑄定量爐電化學反應，促進壓鑄鑄件物理放電過程，使得鋁合金壓鑄共同作用，提高等離子體氧化效果，使得鋁合金壓鑄電壓局限于陽極氧化電壓過程中，在擊穿材料表面氧化層的同時，針對臨界值氧化電壓測量。以此判斷定量爐鋁合金鑄表面的穩定性。

通過確定鋁合金壓鑄材料表面氧化層厚度，判斷定量爐對鋁合金壓鑄耐蝕性、耐磨性的提高。針對不同性質的鋁和鋁合金制品電解結果分析可知，工藝條件不同的鋁合金存在天然形成的陽極氧化膜。

定量爐使得鋁合金壓鑄的陽極氧化膜結構呈現出更多的特性，這些特性作為鋁合金材料的功能，可以應用到眾多嶄新的領域，通過定量爐鋁合金壓鑄對磁學、光學、光電學產生影響，并在分離膜及印刷電路板中應用鋁合金壓鑄。

因此，定量爐能夠使鋁合金壓鑄成型過程中產生微弧氧化層，并在基體表面生成新的陶瓷膜層，定量爐鋁合金壓鑄形成的膜層最大厚度可達到200μm～300μm，陶瓷膜層的硬度在3000HV以上，且陶瓷層膜的絕緣電阻>100M。上述特性使得鋁合金兼具耐磨損和耐腐蝕的特性，其耐熱沖擊及絕緣性較其他合金材料更高。

4 定量爐在鋁合金壓鑄成型過程中的應用實例分析

4.1 實踐過程

利用定量爐壓鑄鋁合金，選擇ADC12合金錠和Al-SV作為基礎原料，Al-lOSr作為中間澆筑合金。將定量爐內溫度調整至150℃，預熱后加入基礎原料，向定量爐內填充1%SF6的CO2混合氣體保護合金材料壓鑄過程。

另外選擇一個電阻爐，將ADC 12合金錠熔化在電阻爐中，當電阻爐升溫至740℃后，在電阻爐中加入Al-l OSr和Al-5 V中間合金材料，攪拌并熔化全部合金基礎原料。在精煉總質量為1%的熔煉合金中加入精煉黏合劑。

對合金溶體精煉并漂清表面的浮渣，在靜置20min后，合金溶液的溫度降低至720℃，將表面出現的浮渣雜質處理干凈。進行合金熔體的精煉準備前的最后一步，在自制模具上澆筑涂層，將壓鑄過程轉移至2000t的冷室中，壓鑄全過程需要在壓鑄機上進行罩蓋，避免雜質污染壓鑄鋁合金鑄件。

4.2 結果分析

分析結果可知，應用定量爐壓射比壓為80 MPa以下，壓鑄過程中的模具預熱溫度為200℃以下，壓塑的速率在2 m/s以上，通過壓鑄鋁合金澆筑纖維組織內的試樣晶粒變化判斷定量爐鋁合金壓塑成型的內部組織分布，可見定量爐中溫度保持不變的晶粒粗細分布較為均勻，組織分布均勻性使得鋁合金壓鑄的罩蓋緊密性更優良。定量爐提高了鋁合金壓鑄成型的澆筑分布性能。

使用定量爐的壓射比壓在80MPa以上時，其定量爐的模具預熱溫度在200℃以上，定量爐的壓射速度保持在2m/s不變，此時定量爐中鋁合金壓鑄的澆注溫度較高，使得壓鑄而成的罩蓋試樣在室溫下的磨損體積降低。根據澆注溫度的不同，對磨損試樣編號，可知澆筑溫度越高，鋁合金壓鑄成型的耐磨損性能越高。由此確定定量爐中鋁合金壓鑄成型中ADC12-VSr鋁合金的磨損試樣澆筑結果，由此得到磨損性能試樣的澆筑磨痕情況，據此可以發現定量爐的使用能夠顯著提高鋁合金壓鑄過程中的耐磨損性能，得到的鋁合金鑄件表面磨痕也比較少。

5 結束語

通過本文研究，分析定量爐在鋁合金壓鑄過程中的作用，通過實例分析，證實了定量爐的使用能夠有效降低鋁合金鑄件表面的耐磨損性能。今后的研究過程中，應更加注重定量爐在合金壓鑄方面的工藝設計，通過優化鑄造鑄模提高合金壓鑄工藝的效率，設計自檢步驟增加合金壓鑄過程的容錯率。