鋁壓鑄件縮孔探究，廢品率從5%到0.2%的對策 船用鋁板
縮孔是鋁合金壓鑄件常見的內部缺陷，常出現(xiàn)在產(chǎn)品壁厚較大或者易形成熱點的位置。一般來講，只要縮孔不影響產(chǎn)品的使用性能，都以合格的方式來判定。然而，對于一些重要部位，如汽車發(fā)動機汽缸體的冷卻水道孔或潤滑油道孔，出現(xiàn)縮孔是不允許判定合格的。
某企業(yè)的一款鋁合金制發(fā)動機曲軸箱，采用布勒28000kN冷室壓鑄機鑄造，材質為ADC12合金，成分見表1。鑄件毛坯質量為6.3 kg，后工序進行X射線探傷時發(fā)現(xiàn)第二個曲軸軸承孔油道出現(xiàn)縮孔，離油道約8 mm，存在較大的漏油風險。據(jù)統(tǒng)計，2017年該位置的縮孔報廢率為5%，經(jīng)過一系列的探索，成功地將廢品率降低為0.2％。
本課題從鋁合金壓鑄件縮孔的形成機理[1-5]和鑄造條件兩方面出發(fā)，分析鑄件產(chǎn)生縮孔的原因，尋求改善措施，以期為日后解決鋁合金壓鑄件縮孔問題提供參考。
表1：ADC12ZS鋁合金化學成分（wb/%）
一、鋁合金壓鑄件縮孔形成機理及形態(tài)
縮孔形成機理
導致鋁合金壓鑄件縮孔的原因較多，追溯其本源，主要是鋁合金從液相向固相轉變過程中鋁液補縮不足而導致。常見的縮孔原因有：①模溫梯度不合理，導致鋁液局部收縮不一致。②鋁液澆注量偏少，導致料餅薄，增壓階段補壓不足。③模具存在熱結或尖銳區(qū)域。④模具的內澆口寬度不夠，面積較小，導致鑄件過早凝固，增壓階段壓力傳遞受阻、鋁液無法補縮。⑤鑄造壓力設置過低，補縮效果較差。圖1為鋁合金鑄件縮孔形成的示意圖。
圖1：鑄件縮孔形成過程
鑄件縮孔形態(tài)
縮孔是一種鋁合金壓鑄件乃至鑄件常見的內部缺陷，常出現(xiàn)在產(chǎn)品壁厚較大、模具尖角和模溫溫差較大等區(qū)域。圖2為某款發(fā)動機曲軸箱縮孔形態(tài)，縮孔呈似橢圓狀，距離軸承油道孔約10 mm，內壁粗糙，無光澤。縮孔區(qū)域鑄件壁厚較大，約為22 mm；油道孔銷子前端無冷卻水，模溫較高。汽車發(fā)動機曲軸的兩大軸頸（主軸頸和連桿軸頸）工作載荷較大，磨損嚴重，工作時必須進行壓力潤滑。在此情況下，軸頸的油道孔附近若存在縮孔，將會嚴重影響潤滑效果。
圖2：曲軸箱軸承孔油道附近縮孔
二、縮孔相關對策
鋁合金壓鑄件產(chǎn)生鑄造缺陷的原因有產(chǎn)品本身的結構特征、模具設計得澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設計不合理、工藝參數(shù)設計不合理等原因[1~4]。根據(jù)常見的鑄造缺陷原因以及鋁合金鑄件缺陷處理流程，探索解決鋁合金壓鑄件厚大部位縮孔的相應對策。
前期分析及對策
鑄件縮孔的前期分析從容易操作的工藝參數(shù)出發(fā)，通過現(xiàn)場測量及觀察，測得模具內澆口厚度為4 mm，計算的內澆口速度為40 m/s，產(chǎn)品壁厚*薄處為4.6 mm；料餅厚度為25 mm；鑄造壓力為60MPa。由經(jīng)驗可知，模具設計符合產(chǎn)品的結構特征，模具澆注系統(tǒng)應該不存在增壓階段補縮不足的問題。但是，增壓階段的鋁液補縮與料餅厚度和增壓壓力有直接的關系，合適的料餅厚度與鑄造壓力才能形成內部組 織致密的鑄件，因此，可以懷疑縮孔是由鑄造壓力偏低和料餅偏薄而導致的。
前期消除鑄件縮孔的對策分為兩個：①鑄造壓力由之前的65MPa提高至90MPa；②料餅厚度有原來的25 mm調整為30 mm。采用上述措施后，經(jīng)過小批量專流驗證，縮孔率由5%減低為4.8%，效果不明顯，說明工藝參數(shù)不是引起鑄件縮孔的主因。
中期分析及對策
由于引起鑄件縮孔的本質原因是鋁液凝固時補縮不足而導致，而模具溫度分布不均容易導致鋁液凝固順序不合理，從而補縮不足，因此，中期對策分析主要從確保合理的模具溫度入手。由產(chǎn)品3D模型可知，鑄件縮孔處壁厚為22.6mm，壁厚較大，容易引起較高的模具溫度。鋁液凝固時，壁厚較大鑄件內部鋁液由于溫度較高，尚處于液相或者固液混合相，而此時內澆口進行補縮的通道可能已經(jīng)凝固。這樣，在增壓階段鑄件無法進行鋁液補縮，從而有形成縮孔的可能。為確保合適的模具溫度，采用熱成像儀測得脫模劑噴涂后模具*高溫度為272℃（見圖3），高于正常的模具噴涂后溫度，其他區(qū)域模具溫度及其分布整體正常。因此，需要降低縮孔處模溫。另外，測得此處冷卻水孔底部距離模具型腔表面距離較大為20 mm，因為較大的熱傳遞距離會降低模具的冷卻效果，所以需要對冷卻水孔進行更改。
圖3：改善前噴涂后的模具溫度
為降低縮孔處模具溫度，主要采取3個方法：①改善模具冷卻系統(tǒng)。將縮孔附件的冷卻水孔深度加深，由距模具表面20 mm變成12 mm，以此快速帶走附近模具熱量，降低模溫；將所有模具冷卻水管與水管統(tǒng)一編號，一一對應，防止模具保全時裝錯，影響冷卻效果[5，6]。②降低澆注溫度，由675℃變?yōu)?45℃。③延長縮孔處模具噴涂時間，由2 s變成3 s。實施上述整改措施后，縮孔區(qū)域模具噴涂后溫度大幅度降低，約為200℃，屬于正常范圍？s孔率有4.8%降低到4%，說明此類措施對縮孔具有一定效果，但不能徹底解決此區(qū)域的縮孔問題。
后期分析及對策
通過前面兩次改善，基本保證壓鑄模具處于理論上的合理狀態(tài)，即澆注系統(tǒng)設計合理、冷卻系統(tǒng)布置合適，工藝參數(shù)設計*優(yōu)。然而，鑄件縮孔率仍有4%之多。鑄件縮孔處壁厚為22.6 mm，遠大于其他部位的壁厚，較大的壁厚可能引起鑄件中心凝固時補縮不足，增壓結束后此區(qū)域還沒有完全凝固,繼續(xù)收縮產(chǎn)生縮孔[7~10]，模流分析見圖4。因此，如何解決鑄件縮孔處的補縮不足，也許才是問題的關鍵。一般來講，鑄件的補縮時通過料餅→澆道→內澆口→鑄件這條路徑進行的。由于鑄件厚大部位后于內澆口凝固，切斷了增壓后期的補縮通道，因此無法補縮。
圖4：鑄件凝固階段的多孔性
鑒于常規(guī)增壓階段壓射沖頭通過料餅施加鑄造壓力而實現(xiàn)補縮作用，采取的措施是在鑄件縮孔附近增加一個類似渣包結構來充當料餅，利用一副油缸抽芯機構充當沖頭，在鑄件凝固后期對易產(chǎn)生縮孔的區(qū)域進行二次增壓補縮，以達到消除縮孔的目的。通常來講，這樣的二次加壓機構叫做擠壓銷，它的加壓原理是在金屬液或合金液澆注后到完全凝固前施加適當?shù)膲毫σ约訌婅T件凝固補縮效果,達到提高鑄件致密度、減小或消除縮孔的目的。加壓凝固能夠改變金屬及其合金物理參數(shù)和結晶過程，改變疏松空洞的分布和尺寸，提高鑄件的致密度，改善鑄件的拉伸強度和硬度等性能。
根據(jù)鑄件補縮、增壓規(guī)律，擠壓銷動作信號采用鑄造過程的增壓信號，并在此基礎上延遲作為啟動信號，因此，擠壓銷主要控制擠壓深度和擠壓延遲時間兩個參數(shù)。擠壓深度依鑄件結構和縮孔分布、大小而定，一般為10~20 mm；擠壓延時主要參考增壓時間設定，一般為2~5 s。實際工程中，擠壓參數(shù)的確定是在經(jīng)驗值的基礎上根據(jù)鑄造情況再作優(yōu)化。為了方便調整擠壓參數(shù)，通常采用單獨油缸控制擠壓銷動作。
針對曲軸箱鑄件，后期的改善措施為在模具軸承孔附近對稱布置兩根擠壓銷（位置見圖5），通過調整擠壓深度和擠壓延時兩個主要參數(shù)，優(yōu)化擠壓銷的二次加壓的補縮效果，從而降低鑄件縮孔率。在前述措施的基礎上，模具追加兩根擠壓銷后縮孔率明顯下降，不良率由4%降低到0.2%。同時，在0.2%的縮孔不良品中，其縮孔大小明顯減小。因此，擠壓銷方案對于控制壁厚加大的鑄件縮孔率起到了較好的作用。但是，在本次改善過程中，鑄件縮孔不良率也曾出現(xiàn)過波動現(xiàn)象，通過優(yōu)化擠壓參數(shù)擠壓深度15 mm、擠壓延遲時間2.5 s和規(guī)定擠壓銷使用壽命（次/8000模）等相關規(guī)范，使鑄件不良率穩(wěn)定在0.2%附近。
圖6為鑄件縮孔區(qū)域改善前后的X射線探傷對比照？梢钥闯觯T件縮孔出現(xiàn)在軸承孔附近，分布較廣且分散，組 織較為疏松，由于汽缸體軸承孔需要通以壓力潤滑油，因此鑄件在使用期間存在漏油風險；通過改善后，從X射線探傷照片上已看不出疏松的縮孔分布，鑄件內部組 織顯得更加致密。
圖5：模具增加擠壓銷位置
圖6：鑄件X-Ray探傷圖片
三、結論
（1）縮孔是一種常見的鑄件內部缺陷，易出現(xiàn)在壁厚較大、模溫較高等區(qū)域。通常從模具設計（澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)）、工藝參數(shù)設置和鑄造條件保證等幾方面出發(fā)。針對涉及的壁厚較大鑄件，傳統(tǒng)的改善措施只能起到緩解作用，而不能徹底解決問題。
（2）仿照沖頭在增壓階段的補縮作用設計了兩根擠壓銷，對縮孔區(qū)域起到了二次加壓的補縮作用，效果較為明顯。
5083船用鋁板作船板優(yōu)勢
5083鋁合金是高鎂合金,在不可熱處理合金中強度良好，耐蝕性、可切削性良好。陽極化處理后表面美觀。電弧焊性能良好。5083合金中的主要合金元素為鎂，具有良好的抗蝕性與可焊接性能，以及中等強度。優(yōu)良的抗腐蝕性能使5083合金廣泛用于海事用途如船舶，以及汽車、飛機焊接件、地鐵輕軌。
