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量的影響*

何文卿，阮 毅，胡國穎，郭 滔，楊建庭

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510705）

0 引言

壓鑄是一種將液態或半固態的金屬注入壓鑄機的壓室內，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的鑄造技術，具有尺寸精度高、穩定性好、互換性好、原材料可循環利用等優點[2]。鋁合金具有比強度高、導熱性能良好、密度小、高溫熔體流動性好等優良特性[3]。鋁合金壓鑄件結合了壓鑄與鋁合金兩者的優點，應用日益廣泛，如航空航天、汽車、機械等行業。

壓力鑄造技術涉及機械制造、材料、冶金等多種學科，并且正在向交叉的學科發展。國外壓鑄先進技術隨著人工智能、數字信息化的深度融合，能更加清晰地通過流場、溫度場進行鑄件質量的分析，優化鑄造工藝[4]。我國壓鑄行業經歷了50多年的錘煉，已經成長為具有相當規模的產業，但總體來看與西方工業強國還有一定距離，需要從設備、模具、從業人員、工藝水平等方面進行加強[5]。其中在傳統的壓鑄壓鑄生產中，對壓鑄工藝的形成過程一般只是基于經驗和一般理論上的控制，一項較為復雜的流程，不但需要一定理論基礎、一定的實踐摸索和經驗積累，更重要的是，要契合現在數字化、智能化的潮流，對工藝方面的研究更多地引入數字化進行分析[6]。

鋁合金壓鑄件的表面缺陷，如縮孔、冷隔、氣孔等，使零件在使用時易于產生引力集中，降低力學性能[7]。同時表面缺陷會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生脆裂或脆斷。因此，表面質量是壓鑄件整體質量的重要組成，目前國內對表面質量的研究大部分集中在慢壓射階段如何保持熔體平穩避免卷入氣體，從而減少或消除氣孔這方面，對于快壓射過程參數與氣孔、縮孔、冷隔等的表面缺陷之間的關系的研究很少[8]。因此研究在快壓射階段產生或加劇表面缺陷的影響因素及成因，進而改進生產工藝，提升鑄件質量，具有非常積極的意義。

1 實驗方法

本文主要目的是探索快壓射階段壓射速度-時間，壓射加速度-時間及壓射行程對鋁壓鑄件表面質量的影響，采用3臺臥式冷室鑄造機進行實驗，3臺壓鑄機編號分別為#A1、#A2、#A3，其中#A2、#A3是同一型號且進行試驗時使用的是同一套模具，#A1使用結構類似、復雜程度相當的另一套模具進行鑄造試驗。3臺均為1000 t以上的壓鑄機，雖然#A1壓鑄機略小，但3臺壓鑄機在壓射力方面沒有顯著差異，具體如表1所示。

表1 三臺壓鑄機壓射力參數

冷室壓鑄機是一種壓射室和壓射沖頭不浸于熔融金屬內的壓鑄機，它的工作原理是將熔融金屬注入壓射室內部，然后進行壓射[9]。臥式冷室壓鑄機壓射過程的分級、分段明顯并容易實現，能夠較大程度地滿足壓鑄工藝的不同要求，以適應生產各類型和要求的不同鑄件的優點，應用廣泛[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，壓射沖頭的運動過程是壓鑄工藝的關鍵，對壓鑄件的質量有重要的影響。壓射沖頭的運動過程一般可以分為3個階段[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澆道進入模具，充滿型腔；（3）增壓壓射，壓射沖頭壓力迅速增大，向前壓實模具內部的成型金屬熔體。

壓鑄機在快壓射階段的實際壓鑄參數是鑄件的表面質量形成的關鍵[14]。在快壓射階段，金屬熔體完成模具型腔的填充、結晶凝殼、成型的過程。在凝殼初始階段至凝殼穩定階段，是表面質量的形成時期。

本次實驗，#A2壓鑄機使用長行程進行壓鑄；#A3壓鑄機采用短行程壓鑄；#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-時間來表征。對于壓射速度-時間、壓射加速度-時間及壓射行程-時間的測量，需要采用示波器對位置傳感器的信號進行采集，并對示波器采取的電壓信號如下處理：（1）先測量機臺單位距離-脈沖數量來標定距離與脈沖數量的關系；（2）對采集的電壓數據進行二值化0、1處理，并計算脈沖數量；（3）利用示波器的采樣頻率與時間的關系，計算時間及脈沖的數量之間的關系；（4）再通過已經標定的距離與脈沖數量的關系，可以得到壓射行程-時間的關系；（5）有壓射行程-時間的關系可以采用差分的方法得到壓射速度-時間關系，再用擬合的方法得出函數表達式；（6）通過壓射速度-時間的函數可以很方便地得到加速度-時間的表達式，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動時間很短，要采用較高的采樣頻率，會產生較大記錄行數的電壓數據集，需要對數據進行處理后再進行分析，本試驗的數據處理采用Python3.9.4軟件。

在壓鑄實驗完成后，從各機臺生產的壓鑄件中各隨機抽樣30件，進行銑面處理及對表面缺陷進行測量與統計，從而判斷鑄件的表面質量是否符合質量要求。

2 實驗結果

對快壓射階段的速度-時間的測量，3臺設備的測量參數及數據處理結果如表2所示。

表2 三臺冷室壓鑄機最大壓射速度測量記錄表

為了直觀地表達各機臺速度、加速度-時間的關系，將函數繪制成曲（直）線形式，具體如圖2～4所示，根據速度與時間的關系，繪制壓射行程-時間的曲線。

圖2 各機臺速度-時間

圖3 各機臺加速度-時間

壓鑄機在快壓射階段從初始速度加速至最高速度的時間段，是金屬熔體對模具型腔進行填充的時間。不同初始速度加速到最高速度的時間及趨勢如表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間

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

本次試驗#A1、#A2、#A3使用同一模具分別生產相同時長，再隨機各取30件樣品對外觀質量進行測量、檢驗，具體取樣結果如表4所示，外觀質量評判標準：（1）φ10區域內，φ0.5～φ0.7砂孔不超過3個或φ1.5至多1個；（2）表面不允許超過φ1.5砂孔缺陷；（3）氣孔是內壁較為光滑，形狀為圓形或橢圓形的孔，縮孔是內壁粗糙、形狀不規則的孔。缺陷形式如圖6～7所示。

表4 表面質量取樣結果

圖7 缺陷-縮孔

3 結果分析

本次試驗主要是為了驗證壓射速度、加速度及壓射行程對鋁合金鑄件的表面質量的影響，鋁合金鑄件的表面質量以出現砂孔（光滑形為氣孔、非光滑形為縮孔）及孔的數量作為檢驗的標準。

冷室壓力鑄造在鑄造過程中，熔體是經澆道填充進入型腔，從慢速在澆道口堆積、排氣到快速運動推動金屬熔體充滿整個型腔，是熔體填充期及凝殼產生與生長期，對于表面質量的形成是至關重要的，具體可以表述如下。

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

（2）慢速推進達到設定位置時，推桿快速推動熔體填充模具型腔，熔體填充的過程中，溫度會隨著填充的距離、時間不斷下降。

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

（4）凝殼破裂，在溫度高的區域，金屬液體流動性好，在收縮回彈時，會迅速得到補充。在溫度較低的區域，凝殼回彈破裂重新凝固時，金屬流動性不足，會無法進行補充或補充不足從而產生縮孔。

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

以上表明，在鑄造時凝殼是否會產生破裂，金屬熔體能否及時補充及熔體在快壓射的行程中是否會將模具中的空氣卷入是鑄件表面質量的關鍵。本實驗中，由于3臺設備采用的鑄造模具類型及復雜程度相當的模具，在鋁合金熔體的牌號一致、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長、壓射速度、壓射加速度及壓射行程是決定表面質量的主要因素。

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生的凝殼所承受的沖擊要比另外兩臺的大，尤其是快壓射階段的末期。同時快壓射階段的時間，#A2要顯著多于#A1、#A3，時間過長，高溫熔體經模腔熱傳遞的熱量比較多，熔體溫度下降快，金屬熔體的流動性會變差，在快壓射階段末期的凝殼在較高沖擊力的作用下，產生破裂時，由于熔體的流動性下降，難以進行補充，易產生縮孔。同時從圖4中可看出，#A2的壓射行程要顯著大于其他兩臺，意味著熔體從開始壓射到達澆注口距離較長且存有較多空氣，壓射開始時，快速運動的熔體會卷入空氣，從而在鑄件中形成氣孔。結合表4表明，壓射行程過長、壓射速度過快均對表面質量有負面影響，其中壓射行程過長而引起的氣孔對鑄件質量的影響更大。

圖4 壓射行程-時間

#A1壓鑄機與#A3壓鑄機相比，快壓射最高速度相差較?。?A3的要略大于#A1），但在加速到壓射最高速度的時間、壓射行程及初始加速度等方面，兩臺壓鑄機的有明顯區別。

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。過短的快壓射時間，會導致金屬熔體在快壓射階段形成的凝殼過薄，同時熔體的熱量經模具傳遞較少溫度較高，使凝殼的強度不足以抵抗高的加速度的沖擊及凝殼因激冷產生的高頻振動，容易發生破裂，在流動性較好的區域，高溫熔體可以及時補充，但是對于流動性較差或熱傳遞快速的區域，破裂的凝殼得不到完全的補充，從而產生縮孔等缺陷。從抽樣結果來看，表面質量的缺陷發生在流動性較差、熱傳遞較快的區域為多。結合表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間縮短，會對鑄件的表面質量會產生不利的影響。

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長影響較小。在慢壓射-快壓射初始階段的熔體推進速度，可以選擇使熔體推進平穩避免大量卷入空氣又與溫度降低相匹配的適當的較慢速度。

4 結束語

本次實驗的結果表明合理的壓射過程對于鑄件表面質量的影響具有關鍵意義。快壓射階段的時長、最高速度、加速度及行程之間是相互關聯、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量，過長的行程易于高溫熔體將氣體卷入而產生氣孔，氣孔會降低鑄件整體的力學性能，同時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縮孔。過高的壓射加速度、速度均會破壞凝殼的穩定，加劇縮孔等表面缺陷的產生；過長的壓射時間，會使鑄件末端的熔體溫度下降過多，降低流動性，從而產生縮孔等缺陷。在進行壓鑄的工藝設計時，既要對進行壓鑄金屬熔體的凝固特性有深入的認識，又要對壓射過程的各因素對鑄件質量的影響有深入的理解，并且在實際生產中不斷總結經驗與積累數據進行分析，才能制定出合理的壓鑄工藝。