消失模鑄造鋁合金鑄件常見鑄造缺陷的探討

謝圣賀

（同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

我國的消失模鑄件目前主體是鑄鐵、鑄鋼等合金，有色合金的占比十分少，而鋁合金優(yōu)點眾多，被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)，特別是在汽車產(chǎn)業(yè)中需求量十分大，對其性能要求也越來越高，尤其是復(fù)雜薄壁鋁合金消失模鑄件得到了廣泛的關(guān)注，所以對鋁合金消失模鑄造缺陷和技術(shù)方面展開研究十分必要，然而鑒于鋁合金消失模鑄造合格率長期處于較低水平，許多技術(shù)難題尚未攻克，仍需要廣大鑄造工作者不斷深入研究，在此，本文淺析了鋁合金消失模鑄造幾種常見的缺陷并提出了解決方案。

1 鋁合金消失模鑄造基本情況

不同于砂型鑄造和金屬型鑄造，鋁合金消失模鑄造在技術(shù)層面上有很大的不同，以干砂填充和保溫涂層為鑄造的主要手段。熔化和澆筑溫度在鑄造過程中十分重要，只有保證溫度足夠高，才能達到使泡沫模具液化和氣化的目的，進一步促進金屬液體的填充。然而，如果澆筑溫度過高或者過低，就會造成鋁液嚴(yán)重吸氧，當(dāng)溫度逐漸下降時會釋放出來更多的氫，在合金模件表面形成彌散的針孔和渣孔。在這種情況下，所澆筑的比如發(fā)動機內(nèi)壁、復(fù)雜性零部件等鋁合金零件的缺陷率大幅升高。由于鋁密度小的緣故，為外部氣體的進入提供可乘之機，鋁液和泡沫發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的氣孔在液體流停止流動的情況下會改變?yōu)闅饪祝@就增大了填砂不足、粘砂和變形等缺陷的發(fā)生率。需要知道的是，鑄造的部件缺陷并非千篇一律，而是伴隨著部件結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等因素的不同而不同。一般而言，零件的大小會影響到質(zhì)量高低，大零件和展開面積大的零件由于鑄造難度小產(chǎn)生缺陷較少。除此之外，各種缺陷解決的難易程度不盡相同，一般來說，滲漏和針孔氣孔這樣的缺陷相對好解決，因為針孔一般是均勻分布的，而氣孔也相對均勻，一般集中在表面。而澆注不足、皺皮、變形等缺陷就相對較嚴(yán)重，尤其是復(fù)雜性零件，一旦出現(xiàn)這些問題就很難解決。最難解決的是珠狀表面或者收縮等缺陷[1]。

2 鋁合金消失模鑄造的常見缺陷

消失模鑄造技術(shù)被稱為“21 世紀(jì)的鑄造技術(shù)”、“鑄造工業(yè)的綠色革命”，這自然是極大的贊譽，但任何事物都不是單面的，都是一把雙刃劍。消失模鑄造優(yōu)點固然多，但在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較多的缺陷，造成殘次品較多的情況也是常有且難以避免的。就鋁合金消失模鑄造來說，除了一般消失模鑄造易產(chǎn)生的缺陷外，結(jié)合鋁合金的特點，還會產(chǎn)生一些典型的區(qū)別于其他合金消失模鑄造的特點，在此將對鋁合金消失模鑄造的典型缺陷進行陳述，其他在消失模鑄造過程中通有的缺陷將不再累述。

2.1 澆不足、冷隔

澆不足和冷隔是消失模鑄造中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷，特別是對鋁合金薄壁復(fù)雜件進行消失模鑄造時這類缺陷更加明顯。產(chǎn)生這類缺陷的主要原因歸結(jié)到一點就是，金屬液在充型過程中流動性不好。導(dǎo)致金屬液流動性差的原因具體說來主要有兩點：一是背壓。在充型過程中泡沫模型吸熱分解產(chǎn)生大量氣體對金屬液充型造成阻礙，降低了金屬液的流動性。二是金屬液前沿溫度降低。與鑄鐵等鑄造方式相比，鋁合金消失模鑄造有一個突出特點，就是溫度較低。而且在澆筑過程中模型的氣化進一步減少了熱量，溫度更低，就更容易產(chǎn)生澆不足和冷隔等缺陷[2]。

2.2 針孔

針孔的產(chǎn)生也是我國鋁合金消失模鑄造過程中非常頑強且不易規(guī)避的技術(shù)缺陷之一。其產(chǎn)生主要是由于金屬液裹氣引起的。具體原因有兩方面：一是鋁合金的澆注溫度高達750～780 ℃，較普通空腔澆注高很多，溫度如此之高，加上消失模鑄造采用干砂造型，冷卻速度較慢，金屬液凝固時間變長，傾向糊狀凝固，冷卻時易析出氫氣形成分散性針孔（常伴隨有渣）。此外，如果沒有嚴(yán)格遵循生產(chǎn)工藝的基本要求進行操作，產(chǎn)生諸如澆注溫度過高或過低；沒有對帶有有機質(zhì)、鋁銹等雜物的回爐料充分預(yù)熱；鋁液精煉不足等等問題，也會容易產(chǎn)生針孔。

2.3 縮孔、縮松

鋁合金消失模鑄造的過程中，還需要關(guān)注的一點是冒口的設(shè)計，如果鋁合金消失模鑄造其冒口處的金屬液溫度、壓力偏低，較鑄鋼、鑄鐵件消失模鑄造來說更易產(chǎn)生縮孔、縮松類缺陷。

2.4 表面碳缺陷（皺皮）

表面碳缺陷又稱為皺皮，其主因多半是鑄造過程中產(chǎn)生了聚苯乙烯分解產(chǎn)物。聚苯乙烯在不同溫度條件下呈現(xiàn)出不同狀態(tài)，一旦溫度低于750 ℃，就會變成類似瀝青的液體狀態(tài)，這些液體易于吸收，通常情況下被吸收后會產(chǎn)生一層薄膜，吸附在液體與涂層中間，進一步生成結(jié)晶碳，這就導(dǎo)致了碳缺陷的產(chǎn)生。倘若希望降低缺陷率，就應(yīng)當(dāng)在控制環(huán)節(jié)更加嚴(yán)格，做好預(yù)先處理與事后補救措施。同時，需要嚴(yán)格把控原材料的質(zhì)量，包括所用的涂料與泡沫模板，澆注過程中嚴(yán)格按照科學(xué)合理的工藝流程進行，做好每一個生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對澆筑溫度、涂料金屬液的質(zhì)量、生產(chǎn)速度都加以嚴(yán)格把控。

2.5 表面凹凸現(xiàn)象

表面凹凸現(xiàn)象也是消失模鑄造過程中較為常見的缺陷之一，它的成因多半是模板上排氣塞的不平坦和模具表面存在缺陷。這種缺陷是在生產(chǎn)前就可以發(fā)現(xiàn)的，屬于先天性缺陷。對于這類缺陷，我們的防止措施更加簡單，可以在生產(chǎn)前，就對模具模板進行定期檢查管理維修，篩選掉不合格的模具模板，一旦出現(xiàn)小問題，積極進行處理。在模具的采購環(huán)節(jié)，盡量選擇有品質(zhì)保障的生產(chǎn)廠家，確保模具模板質(zhì)量過硬，這樣才能生產(chǎn)出好的消失模部件。

2.6 其他

鋁合金消失模鑄造易產(chǎn)生的缺陷還有：粘砂、結(jié)瘤、塌砂、表面孔洞、珠粒表面等等，他們的成因各異，解決方式也比較繁瑣，在此不多加贅述。

3 常采用的控制措施

針對鋁合金消失模鑄造過程中常出現(xiàn)的缺陷，在實際生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛采用如下措施來消除這些缺陷，在此將對幾種典型的工藝進行介紹。

3.1 精煉鋁合金

鋁合金液在充型過程中與泡沫模型發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)及能量傳遞，這些都要求鋁合金液更加潔凈。鋁合金液經(jīng)過精煉，可以達到除氣、除渣的目的，能有效減少鑄件缺陷。

3.2 適當(dāng)提高澆注溫度

澆鑄溫度與金屬液的流動性關(guān)系非常大，通過提高澆鑄溫度可以大大增加金屬液的流動性，減少一些缺陷產(chǎn)生，但也不能采用過高的溫度。一方面，隨著溫度的升高，泡沫模型分解產(chǎn)生的氣體也越多，背壓增大。另一方面，過高的溫度會導(dǎo)致鋁合金液吸收更多的氣體，增大部件產(chǎn)生氣孔和氧化夾渣等缺陷的概率。

3.3 控制好涂料

涂料是生產(chǎn)的重要原料之一，涂料的質(zhì)量以及涂抹比例對于消失模鑄造部件的質(zhì)量有些非常大的影響。為了保證部件的基本質(zhì)量，涂料應(yīng)選擇質(zhì)量過硬的，同時需要均勻致密地涂抹在模具表面，確保性能良好。

3.4 合理設(shè)置泡沫模樣

合理的泡沫模樣主要包括模樣密度、珠粒熔合和幾何結(jié)構(gòu)。高密度的模樣在充型過程中會吸收更多的熱量，對金屬液前沿的激冷效果更加明顯，而且會產(chǎn)生更多的氣體，增大背壓。低度的熔合，顆粒間氣孔體積大，提高了整個模樣的氣孔率，使金屬液流動更加暢通。幾何結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、壁越薄、拐彎越多越易產(chǎn)生澆不足冷隔。

3.5 加壓

壓力大小對于鑄造質(zhì)量也有一定的影響。如果增大部件所承受的壓力，會產(chǎn)生比較多的好處，例如提高金屬液體的塑型能力，增加部件的致密性，有效減少表面凹凸不平問題，從而大幅改進產(chǎn)品質(zhì)量。

3.6 施加機械振動

除上述方法之外，還可以采用增加振動的方法減少缺陷，振動主要增加在模型凝固期間，好處是可以增加鑄件的內(nèi)核凝聚，使得其質(zhì)量細(xì)化，組織結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越。此種方法易于操作，成本也低，環(huán)境友好程度高，因此被大量采用[3]。

4 結(jié)語

為了提高我國鋁合金消失模鑄造水平，廣大的鑄造工作者正在不斷研究改進工藝以控制缺陷的發(fā)生。但就目前來說進展還是很緩慢，許多技術(shù)難題還未攻克，像鋁合金消失模壓力凝固技術(shù)、振動技術(shù)依然沒有太大突破。在此，筆者認(rèn)為當(dāng)前應(yīng)大力研究以下方面：一是努力提高泡沫模型的質(zhì)量，二是深入開展涂料和造型砂的研究，三是加深對鋁合金的精煉；四是深入研究壓力凝固技術(shù)與振動技術(shù)。相信經(jīng)過廣大鑄造工作者辛勤的努力，定能將我國鋁合金消失模鑄造技術(shù)推上一個新的高度。