鑄造是國民經濟重要的基礎工業之一，但鑄造 過程的控制、設計及工藝流程往往依賴于經驗判斷， 因而鑄件的質量不易保證，廢品率較高。壓力鑄造 是特種鑄造的一種，其實質是液態或者半液態金屬 在高壓力作用下，以較高的速度充填型腔，并在壓力 作用下凝固而獲得鑄件的一種方法。要獲得高質 量、高水平壓鑄件，使壓鑄件達到光潔、輪廓清晰、組 織致密、強度高的要求，需要對壓鑄過程中各影響因 素進行協調統一。對于鋁合金壓鑄件，從生產準備 到批量生產，牽涉的環節很多，影響因素也很多，包 括材質、模具、設備、工藝等各方面。

1 壓鑄鋁合金的分類及性能

 壓鑄鋁合金有良好的使用性能和工藝性能，因 此鋁合金的壓鑄發展迅速，在各個工業部門中得到 廣泛的應用，用量遠遠高于其他有色合金，在壓鑄生 產中占有極其重要的地位。按所含基本元素可將鑄造鋁合金分為Al－Si合金、Al－Cu合金、Al－Mg 合 金、Al－Zn合金。

1. 1 Al－Si合金

 由于共晶Al－Si合金具有結晶溫度間隔小、合 金中硅相有很大的凝固潛熱和較大的比熱容、其線 收縮系數也比較小的特點，因此其鑄造性能一般要 比其他鋁合金的好，其充型性能也好，熱裂、縮松傾 向比較小。Al－Si共晶體中所含的脆性相(硅相) 數量最少，質量分數僅為 10% 左右，因而其塑性比 其他鋁合金好，組織中僅存的脆性相還可通過變質 處理降低其脆性。實驗表明Al－Si共晶體在其凝 固點附近溫度仍保持良好的塑性，這是其他鋁合金 所沒有的。

 鑄造合金組織中常要有相當數量的共晶體，以 保證其良好的鑄造性能;共晶體數量的增加又會使 合金變脆而降低力學性能，兩者之間存在一定的矛 盾。但是由于Al－Si共晶體有良好的塑性，能較好地兼顧力學性能和鑄造性能兩方面的要求，所以Al－Si合金是目前應用最為廣泛的壓鑄鋁合金。

 我國壓鑄鋁合金品種中，絕大多數以Al－Si合 金為主，這類合金存在強度較低、切削性能不夠好、 螺紋加工困難等現象，所以近年來我國正在開發高 強度合金。

 在美國的高強度Al－Si－Cu合金(SC84A、SC114A、SC84B、SC102A)中銅的質量分數為 2.0% ～4.0%，鋅的質量分數不超過3%，硅的質量分數 為7.5% ～12.0%(具體見表1)，具有較高的力學性 能、良好的壓鑄工藝性能和機械加工性能。近年 來我國研究的Al－Si－Cu新型高強度鋁合金有 YL112、YL113、YL117 等。

1. 2 Al－Mg合金

 Al－Mg合金的性能特點是:室溫力學性能好; 抗蝕性強;鑄造性能比較差;力學性能的波動和壁厚 效應都比較大;長期使用時，有因時效作用而使合金 的塑性下降，甚至壓鑄件出現開裂的現象;壓鑄件產 生應力腐蝕裂紋的傾向也較大等。Al － Mg 合金的 缺點部分抵消了它的優點，使其在應用方面受到一 定的影響。

1. 3 Al－Zn合金

 Al－Zn合金壓鑄件經自然時效后，可獲得較高 的力學性能。當其鋅質量分數大于10% 時，強度顯 著提高。此合金的缺點是耐腐蝕性差，有應力腐蝕 的傾向，壓鑄時易熱裂。常用的Y401合金流動性 好，易充滿型腔，缺點是形成氣孔的傾向性大，硅、鐵 含量較少時，易熱裂。

1. 4 特殊性能的壓鑄鋁合金

國內外研制的特殊性能的壓鑄鋁合金有:

 裝飾型Al－Mn合金:適用于陽極氧化處理和 著色處理，伸長率高，還具有相當的耐蝕性。但其強 度不高，收縮率大，易粘模。

 熱處理型Al－Si－Cu合金:可進行淬火后不完 全人工時效和淬火后完全人工時效至最大硬度。

 此外還有表面處理和熱處理復合型的Al－Mn－Zn合金、耐磨型過共晶Al－Si合金和防爆防振型Al－Zn合金等。另外還有壓鑄鋁合金復合材料，目 前尚未普遍生產與應用。

2 壓鑄件的氣孔缺陷及產生原因

 鋁合金壓鑄生產的工件常因氣孔存在而導致報 廢，產生氣孔的原因很多，在解決這一產品質量問題 時常常無從下手，如何快速、正確地采取措施減少因 氣孔而造成的廢品率，這是各鋁合金壓鑄廠家所關 注的問題。

在鋁合金壓鑄生產中，依氣孔產生的原因，常有 如下幾類。

2. 1 精煉除氣質量不良產生的氣孔

 在鋁合金壓鑄生產中，熔化了的鋁液澆注溫度 一般常在610～660℃，在此溫度下，鋁液中溶解有 大量的氣體(主要是氫氣)，鋁合金氫氣的溶解度與 鋁合金的溫度密切相關，在660℃左右的液態鋁液 中約為0.69cm3/100g，而在660℃左右的固態鋁合 金中僅為0.036cm3/100g，此時液態鋁液中含氫量 約為固態的 19 ～20 倍。所以當鋁合金凝固時，便有 大量的氫析出以氣泡的形態存在于鋁合金壓鑄件 中。

 減少鋁液中的含氣量，防止大量的氣體在鋁合 金凝固時析出而產生氣孔，這就是鋁合金熔煉過程 中精煉除氣的目的。如果在鋁液中本來就減少了氣 體的含量，那么凝固時析出氣體量就會減少，因而產 生的氣泡也顯著減少。因此，鋁合金的精煉是非常 重要的工藝手段，精煉質量好，氣孔必然少，精煉質 量差，氣孔必然多。保證精煉質量的措施是選用良 好的精煉劑，良好的精煉劑是在660℃ 左右可以起 反應產生氣泡，所產生氣泡不太劇烈，而是均勻不斷 的產生氣泡，通過物理吸附作用，這些氣泡與鋁液充 分接觸，吸附了鋁液中的氫將其帶出液面。因此冒 泡時間不宜過短，一般要有6～8min的冒泡時間。

 當鋁合金冷卻到300℃時，氫在鋁合金中的溶 解度僅為0.001cm3/100g以下，此時僅為液態時的1/700，這種凝固后氫氣析出而產生的氣孔是分散 的，細小的針孔，這不影響漏氣和加工表面，肉眼基 本看不見。

 在鋁液凝固時因氫氣析出所產生的氣泡比較 大，多在鋁液最后凝固的心部，雖然也分散，但這些 氣泡常常導致滲漏，嚴重時常導致工件報廢。

2. 2 因排氣不良產生的氣孔

 在鋁合金壓鑄中，因模具的排氣通道不暢，模具 排氣設計結構不良，壓鑄時型腔內的氣體無法完全 順暢排出，造成在產品某些固定部位存在氣孔。這 種由模具型腔中氣體形成的氣孔時大時小，氣孔的 內壁呈鋁與空氣氧化的氧化色，與氫氣析出產生的 氣孔不同，氫氣析出氣孔內壁不如空氣孔光滑，沒有 氧化色，而是灰亮的內壁。對于因排氣不良而產生 的氣孔，應改進模具的排氣通道，及時清理模具排氣 通道上的殘留鋁皮就可以避免。

2. 3 因壓鑄參數不當造成卷氣產生的氣孔

 在壓鑄生產中壓鑄參數選擇不當，鋁液壓鑄充 型速度過快，使型腔中氣體不能完全及時平穩的擠出型腔，而被鋁液的液流卷入鋁液中，因鋁合金表面 快速冷卻，被包在凝固的鋁合金外殼中，無法排出形 成了較大的氣孔。這種氣孔往往在工件表面之下， 鋁液進口比最后匯合處少，呈梨形或橢圓狀，在最后 凝固處又多又大。對于這種氣孔應調整充型速度， 使鋁合金液流平穩推進，不產生高速流動而卷氣。

2. 4 鋁合金的縮氣孔

 鋁合金同其它材料一樣，在凝固時產生收縮，鋁 合金的澆鑄溫度愈高，這種收縮就愈大，單一的因體 積收縮產生的氣孔是存在于合金最后凝固部位，呈 不規則形狀，嚴重時呈網狀。往往在產品中，它與凝 固時因氫氣析出的氣孔同時存在，在氫析出氣孔或 卷氣孔的周圍存在縮氣孔，在氣泡周圍有伸向外部 的絲狀或網狀氣孔。

 對于這種氣孔，應從澆鑄溫度著手解決，在壓鑄 工藝條件允許的情況下，盡量降低壓鑄時的鋁液澆 鑄溫度。這樣可以減少鑄件的體積收縮，減少縮氣 孔及縮松。如果常在加熱部位出現這種氣孔，可以 考慮增加抽芯或冷鐵，使其改變最后凝固部位，解決 滲漏缺陷問題。

2. 5 因產品壁厚差過大而引起的氣孔

 產品形狀常有壁厚差過大問題，在壁厚中心是 鋁液最后凝固的地方，也是最易產生氣孔的部位，這 種壁厚處的氣孔是析出氣孔和收縮氣孔的混合體， 不是一般措施所能防止的。

 對產品的形狀在設計時就應考慮盡量減少壁厚 不均勻，或過厚的問題，采取空心結構，在模具設計 上應考慮增設抽芯或冷鐵，或水冷，或增加模具此處 的冷卻速度。在壓鑄生產中，要注意厚度大部位的 過冷量，適當降低澆注溫度等。

 從上述氣孔的分類可知，在鋁合金壓鑄生產中 產品產生氣孔的原因很多，必須找出原因對癥下藥 才能解決問題。防止氣孔的措施和途徑主要有:

 (1)保證鋁合金熔煉的精煉除氣質量，選用好 的精煉劑、除氣劑，減少鋁液中的含氣量，及時清除 液面浮渣、泡子之類氧化物，防止再次帶入氣體進入 壓鑄件中。

 (2)選擇良好的脫模劑，所選用的脫模劑應是 在壓鑄中不產生氣體的，又有良好脫模性能的。

 (3)保證模具排氣通暢不堵死，排氣順暢，保證 模具中的氣體完全排出，尤其是在鋁液最后聚合處 排氣通道必須通暢。

(4)調整好壓鑄參數，充型速度不可過快，防止卷氣。澆鑄溫度也要控制好。

(5)產品設計和模具設計中應注意抽芯和冷卻 的使用，盡量減少壁厚差過大。

(6)對常在固定部位出現的氣孔，應從模具和 設計上改善。

3 鋁合金壓鑄技術的新發展

 近年來，人們為了解決壓鑄件內部存在的氣孔 和縮孔問題，使之能生產出高強度、高致密性、可焊 接、能進行熱處理、可扭曲等各種性能的壓鑄件，在 繼續完善真空壓鑄以外又發展了擠壓鑄造和半固態 壓鑄等新技術，并概括地稱之為“高密度壓鑄法”。

3. 1 真空壓鑄技術

 真空壓鑄法是將型腔中的氣體抽空或部分抽 空，降低型腔中的氣壓，以利于充型和排除合金熔體 中的氣體，使合金熔體在壓力作用下充填型腔，并在 壓力下凝固而獲得致密的壓鑄件。

3. 2 充氧壓鑄技術

 壓鑄件中的氣體絕大部分為 N 2 和 H 2 ，幾乎沒 有 O 2 ，主要原因是 O 2 與活性金屬發生反應生成了 固體氧化物，這為充氧壓鑄技術提供了理論基礎。 充氧壓鑄是在壓鑄前將氧氣充入型腔，取代其中的 空氣。當進入型腔時，一部分氧氣從排氣槽排出，殘 留的氧與金屬液發生反應，生成彌散狀的氧化物微 粒，在鑄型內形成瞬間真空，從而獲得無氣孔的壓鑄 件。

3. 3 半固態壓鑄技術

 半固態壓鑄是在液態金屬凝固時進行攪拌，在 一定冷卻速度下獲得約 50% 甚至更高固相組分的 漿料，然后通過壓鑄使漿料成形的技術。目前，半固 態壓鑄有兩種工藝:即流變成形工藝和觸變成形工 藝。前者是將液態金屬送入特殊設計的壓射成形機 筒中，由螺旋裝置施加剪切使其冷卻成半固態漿料， 然后進行壓鑄。后者是將固態金屬粒或碎屑送入螺 旋壓射成形機中，在加熱和受剪切的條件下使半固 態金屬顆粒經壓鑄成形。

3. 4 擠壓壓鑄技術

 擠壓壓鑄又稱“液態金屬模壓”。其鑄件致密 性好，力學性能高，且無澆冒口。我國一些企業已將 其應用于實際生產中。擠壓壓鑄技術具有極好的工 藝優勢，它不僅能替代傳統的壓鑄、擠壓鑄造、低壓 鑄造、真空壓鑄工藝，還能對差壓鑄造、連鑄連鍛、半固態流變鑄造工藝進行兼容。專家認為，擠壓壓鑄 技術是一項前沿性的新技術，橫跨多個工藝領域，內 涵豐富，創新性強，極具挑戰性。

3. 5 電磁泵低壓鑄造技術

 電磁泵低壓鑄造是一種新崛起的低壓鑄造工 藝，同氣體式低壓鑄造技術相比，在加壓方式方面與 其完全不同。其采用非接觸式的電磁力直接作用于 液態金屬，大大降低了由于壓縮空氣不純及分壓過 高所帶來的氧化和吸氣等問題，實現了鋁液的平穩 輸送和充型，可防止由于紊流造成的二次污染。另 外電磁泵系統完全采用計算機數字元控制，工藝執 行非常準確、重復性好，使這種工藝在成品率、力學 性能、表面質量和金屬利用率等方面都具有明顯優 勢。隨著研究的不斷深入，這項工藝也愈來愈成熟。

4 結 語

 鋁合金圓盤、圓筒壓鑄件由于其壁厚不均勻，容 易產生氣孔和縮氣孔等壓鑄質量缺陷。通過不斷的 澆注試驗，工程師可以尋求更優化的壓鑄工藝參數。 這樣既能選擇合理的工藝參數，又能避免實際澆鑄 的成本浪費，為企業帶來顯著的經濟效益。希望通 過本課題能對實際生產有一定幫助，最終的目的是 生產出合格的壓鑄件，滿足企業實際生產的需求。 從近年來的國內外壓鑄研究來看，隨著理論研究方 面工作的更加深入，尤其是計算機模擬技術的發展， 使金屬在填充型腔的流動形態、金屬在型腔中的凝 固過程、型腔內金屬液體的流動壓力、模具的溫度梯 度、模具的變形等方面有很大的理論突破。

本文出自輕 金 屬 2012年11期  作者：向 東，陳 晉