汽车用铝合金压铸件的工艺优化与组织及缺陷控制研究

郝立国

锦州万得汽车电器电子科技有限公司 辽宁锦州 121007

作为轻质材料的代表，铝合金的优势极为明显，如强度高、耐腐蚀、质地好、易着色，成型好等等，这些优势使铝合金成为汽车升级转型的生产材料。同时也正是由于其显著的优势，汽车工业中大量应用铝合金，以达到环保生产的要求。铝合金除了是轻质材料外，还对大型的汽车零部件成型帮助很大，但由于压铸方式不同，会出现一些固有的问题，所以需要对汽车用铝合金的压铸工艺进行分析，优化压铸工艺，控制压铸缺陷，确保发挥铝合金的突出优势。

1 何为铝合金压铸

汽车用铝合金压铸能极大的提升汽车生产效能，有利于汽车产业可持续发展。优化汽车用铝合金的压铸工艺需要了解铝合金压铸[1]。从压铸工艺的显著特征来看，相较于其他铸造合金，压铸合金的铸造要求更高，需要在实际的操作中考虑多方面的因素，如使用性能、工艺性能等等，在满足铸造要求的基础上，还应考虑其他因素：①为获得良好的压铸件，需要控制温度以及流动性；②为获取较高精度的尺寸，需要控制线收缩率以及裂纹的倾向性；③为减少压铸件的缩孔数量，需要控制结晶范围；④控制高温强度；⑤避免粘膜合金化。现阶段，汽车生产中用铝合金的数量较多，同时合金种类的使用数量也较多，如出现了AI-Si、AI-Mg、AI-Si-Cu等合金系列。

2 常见的汽车压铸工艺分析

2.1 普通的压铸方式

压铸又被称为是高压铸造，也就是说，需要高强度的压力通过高速度将熔融的金属进行填充成膜，同时还需外部压力的帮助，形成模型，压铸是一种工艺。压铸相较于其他工艺方式，具有较大的优势，如产品质量较好、生产效率高、经济价值大等，但尽管优势突出，也存在显著的压铸缺陷，不利于压铸工艺的应用。举个简单的例子，压铸需要压铸机和压铸膜，但与此同时，这些机器设备的成本较高，小批量的生产成本较高。同时压铸机的尺寸也会影响生产效果，导致无法很好的使用压铸工艺。且常见的问题是孔洞类缺陷，出现这一缺陷会不仅会影响压铸的质量，同时还会影响焊接的质量，所以对普通压铸件来说，热处理是不适用的。综上，普通压铸最重要的孔洞缺陷，尽量在压铸过程中不要出现孔洞缺陷，才能更好的优化压铸工艺。

2.2 低速缓慢型压铸方式

压铸铸件通常来说存在低速压射、高速压射以及增补压射三部分的内容，这三部分共同构成压铸件成形。一是低速压射。当压铸件处于低速过程中，冲头压射速度会十分缓慢，此时的金属液在平稳状态下进行流动，通常不会出现卷气；二是高速压射阶段。这一阶段由于速度变快，使得金属液流动异常，卷气现象出现。具体到超低速缓慢压射来说，其作为一种工艺方法，不仅要求速度很低，还要求层流方式，这样才能在较少含气量的基础上快速凝固，所以总体来说，超低速压射工艺的关键是临界压射。从国外的研究现状来看，日本很早就将超低速压铸工艺应用在生产中，且对其进行了深入研究；我国起步较晚，但也取得了些进步。如熊守美等学者曾对压射速度的条件进行了研究，加入了组织以及力学性能因素，将压射临界速度降低，升高压铸气孔的含量，此时铸件性能达到最好。

3 影响汽车压铸工艺的因素

3.1 压铸温度

压铸温度会影响压铸工艺，温度在压铸工艺上可具体分为浇注和模具两种。浇注温度在合金压铸上通常是指液体进入模具腔内的平均温度，这一温度用保温炉来显示。在压铸的过程中要保持恒温，过高或过低都会出现压铸问题。一般来说，模具有温度，其计算方式是标准的，模具温度对压铸质量的影响也较大，当压铸模具出现激冷时，压铸的组织、性能、质量都会受到严重影响。所以要采取必要措施控制模具温度。铸件组织以及性能的最大影响因素是浇注温度，所以要控制好浇注温度。

3.2 压铸速度

压铸工艺质量还会受到速度的影响，从压铸速度来看，分为压射和充射两种速度。具体来看，压射是一种室内的移动速度，表现为压射冲头将金属液推动的速度。而充填速度主要表现为内浇口的速度。尽管压射速度与充填速度存在差异，二者之间也可以转化，通过计算公式来转化[2]。国外学者在压铸速度的研究上给了国内学者启发，国外有学者研究发现金属液在流动的过程中会遵循一定的定律，如质量守恒等，当将流动的金属液与冲头进行联系时，会发现压射速度的控制能在一定程度上优化生产工艺，提升铸件的质量。国内学者在这方面的研究也主要表现在慢压射速度上，因为速度较快，会带来大量的气孔，从而将力学性能降低。

3.3 压铸时长

压铸时长对压铸工艺的影响较大，分为充填、保压以及留模三个时间。充填时间主要指的是金属液从浇口到填满的时间，影响充填时间的因素较多，如结构、面积等都会影响充填的时间；保压时间主要指的是金属液满了之后的凝固时间；留模时间从保压时间完成到开模之间的时间，这一时长要控制好，一旦出现较长的留模时间，将会带来抽芯困难的问题，进而压铸件上会出现裂纹；较短的留模时间也不利于铸件，时间短，铸件的强度低，易出现变形、开裂等问题，影响铸件的质量。

3.4 压铸强度

压铸强度给铝合金铸件带来的影响主要表现在压力上，压力是活塞推动的力量，压力的大小与工作液压力以及油缸面积有关。压力又称为比压，也就是在填充过程中的增压比压等。比压能增加金属液的补缩能力，降低缩孔和缩松出现的机会。当增压强度较大时，会改变气孔的面积和尺寸，提升铸件的密度，带动提升铸件的力学性能。国内学者在压力的研究方面主要通过实验的方式来对铸件压力进行研究，通过研究发现铸件孔洞与力学性能之间的关系，进而更好的采取措施，提升压铸件的质量。

4 影响汽车用铝合金压铸件组织出现缺陷的因素

4.1 高低速切换位置因素

高低速切换位置会影响铝合金压铸件组织出现缺陷。从本质上看，高低速切换主要指压射冲头的速度，也就是说速度处于变化的过程中，从低速转换为高速时，能对排气效果产生影响，进而对铸件的力学性能产生影响。因此铝合金在压铸的过程中需要合理控制高低速切换的位置，减少压铸卷气的出现，提升铸件生产的质量[3]。通常来说，当出现较大范围的高低速切换位置，则孔洞数量会降低，且卷气的含量也会降低；相应的高低速切换位置变小，会出现较多数量的孔洞，且伴随着大量的卷气。尽管高低速切换位置变大，能给铸件带来好处，但也不是说位置越大越好，因为越大位置的高低速切换，所形成的压射弧形长，金属降温时间也较长，所以会带来铸件远离内浇口的问题，降低铸件的致密度。因此，要想获取完整且性能好铸件需要综合考虑高低速切换点的位置，选择合适的位置，才能改善铸件质量，提升铸件的密度。

4.2 浇注温度因素

浇注温度影响铝合金组织，产生缺陷。熔融金属在流动中会与汤勺、模具等进行交换，在交换的过程中会损耗热能，这样压室内的温度会降低，平均降低3-6摄氏度，这样一来，铝熔体会出现较低的温度，改变合金的凝固组织。因此对ADC12合金而言，当组织出现变化，一般是熔体温度较高。对其进行热力学分析可知，熔体出现过热现象会让组织细化，这是一种自发的结晶过程。多相态会构成熔体，当温度较高时，熔体的溶解度以及活性都会受到影响，所以要合理控制熔体的温度。并且还应合理控制浇注温度，不能出现过高或过低的浇注温度。

4.3 临界压射速度因素

临界压射速度也会使铝合金压铸件组织出现缺陷。铸件成形需要经过三个阶段，低速、高速以及增压补缩。而临界压射主要指的是高速压射过程中的速度，这一速度能直接对卷气带来影响[4]。但也会受到如铸件壁厚、尺寸等因素的影响。如较大尺寸铸件其压射速度一般也较快，反之就会较慢；同时当出现较大速度的临界压射时，金属填充会出现运动紊乱，生成孔洞类的缺陷，影响铸件的质量。对铝合金来说，其存在固有的特征，所以在操作中本身就容易卷气，因此铸件本身存在少量的孔洞。通过压射速度实验发现，速度高的压射，金属液中会卷入数量多的气体，伴随着充形的高速度，能有效缩短充型时间，相应的充型时间短，铸件内的空气无法及时排出，便会被铸成形。

5 优化与组织汽车用铝合金压铸件及控制缺陷的方法

5.1 使用科学的热处理工艺

要优化汽车用铝合金压铸工艺，控制压铸缺陷，需要使用科学的热处理工艺。高强度的压铸件一般与压铸铝合金的热处理有关，通常的固溶会出现重新溶解、共晶硅以及均匀的合金元素三种变化。同时压铸铝合金气孔膨胀也与固溶温度有关。AI-Si-Mg合金中有AC4CH，经过计算后，发现AC4CH中存在a-AI、MgSi等初生相，他们在固溶处理时，需要考虑处理温度，如果高于共品温度，则共晶体熔点也相对较高，此时将共晶与晶界溶化后，会产生较大的组织晶粒，损失合金的性能，带来气体膨胀。反之温度较低的固溶，强化相无法有效溶解，铸件的强度也会受到影响。

5.2 优化固溶处理的方式

固溶处理能对显微组织产生影响，不同固溶温度与实践会带来相学特征差异的共晶硅，而共晶硅的变化主要与温度与时间有关，所以当出现较高温度的固溶处理方式，且伴随着较长的固溶时间，就会快速扩散Si元素，帮助该元素球化；对AC4CH合金中的第二相来说，要明确富铁尺寸，才能进行合金的塑性。不然就容易受到应力的影响，合金出现裂纹[5]；即AC4CH在固溶阶段会发生铁熔断现象，而在控制温度以及时间后能在一定程度上解决这一问题；此外，固溶处理也能影响力学性能。固溶时长不同，也会带来性能差异，固溶温度上升，会使合金的强度以及断后延伸率出现变化，所以要有效的优化铝合金压铸件工艺，需要将固溶处理的方式进行优化，控制压铸件出现缺陷。

5.3 使用时效硬化的方法

时效处理属于合金性能稳定的重要手段，而要对时效硬化进行分析，需要对不同温度下时效中的组织变化进行分析。从效果上看，固溶处理工艺能借助时效工艺改变来对时效行为进行改变，不同温度下，合金时效硬度值存在显著差异，且时效时间也不同，但综合力学性能伴随着时效温度的提升而提升。对铝合金的时效过程来说，需要分析强化相析出。一般的合金在时效时间短的环境下，会析出G.P区，强化合金的效果不突出；在显微组织中的时效硬化行为会出现变化。

6 结语

轻质材料的首选是铝合金，所以分析汽车用铝合金的压铸件工艺是符合汽车环保生产要求的，能极大的改善汽车生产的效能，推动汽车产业朝着可持续方向发展。但与此同时，铝合金的压铸工艺要求高，一旦无法满足铝合金的压铸工艺，将会使铝合金出现缺陷，影响汽车的生产与制造。所以需要对汽车用铝合金的压铸件工艺进行了解，掌握压铸件工艺要求，分析压铸件工艺的影响因素，在分析因素的过程中，针对性的解决压铸件工艺问题。铝合金压铸件工艺问题通常表现为铸件缺陷，卷气多，孔洞数量多等，这些缺陷不利于铝合金的使用，所以要在研究中合理控制铸件的缺陷，提升铝合金压铸件的工艺质量。