壓鑄過程中模具氣蝕的分析及改善

黃 勇，廖建強，管維健，吳曉春，左鵬鵬，何剛毅，顧建華，黃志垣

（1.廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司，湖北武漢 430200；2.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室，上海 200444；4.廣東鴻圖（南通）模具有限公司，江蘇 南通 226300；5.廣東鴻圖南通壓鑄有限公司，江蘇 南通 226300；6.廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東 肇慶 526108）

高壓壓鑄作為一種傳統的金屬成型工藝，是將液態的金屬或合金澆入壓鑄機的壓室內，使之在高壓和高速下充填型腔，并在高壓下成形和結晶而獲得鑄件的一種成形方法。由于壓鑄生產循環時間短，工藝過程相對穩定，尤其適合大批量生產，所以發展迅速[1]。伴隨壓鑄工藝的創新發展，新技術不斷出現并應用于生產過程，如分段壓射，高真空，超點冷等，這些新技術的應用提高了壓鑄效率和產品質量，同時又對壓鑄模具及設備的性能提出了更高的要求[2]。

高壓壓鑄過程中，模具內工作環境條件惡劣，高溫，高壓，強沖擊，使得模具不可避免地出現各種損傷，嚴重影響生產效率和產品質量，如何有效地預防和修復這些損傷，需要壓鑄從業者不斷探索，改進提高。本文通過研究一種壓鑄過程中產生的模具損傷現象——氣蝕，探索其形成原因、特點，然后尋求對于此類損傷的改善方案。為簡化起見，以下所有表述，均以鋁合金高壓壓鑄工藝為例。

1 模具氣蝕的概述

隨著質量要求提升，很多重點汽車壓鑄件的生產都在全電腦控制的封閉壓鑄島內完成，在此條件下，工藝參數的精準度和穩定性大幅提升，產品質量和生產效率有了質的飛躍，諸多主觀因素對生產過程穩定性的影響逐漸消除；同時，一些潛在的不易控因素，正悄無聲息地蠶食著生產效率，氣蝕正是其中一種。

常見的模具表面損害，以撞擊式損害最為直觀，如沖蝕、碰傷等；而另一類型的損害，周期性壓力損害，其直觀性遠不如前者，故常被忽略。這類損害是通過長時間高頻次的反復作用，突破金屬表層的疲勞極限，致其表面破損并造成內部損傷。氣蝕，正是周期性壓力損害與微創撞擊式損害作用的復合效應。

每一種晶體單質或化合物的氣液轉換溫度值都是相對穩定的，但受液體表面壓強影響。當液體表面壓強降低時，液體氣化溫度會稍稍降低；當液體表面壓強升高時，氣化溫度會升高。在高壓壓鑄過程的中段，鋁液進入澆口并加速填充的極短時間內，瞬時溫度變化并不大，大約為20 ℃～30 ℃，如圖1 所示，但高低壓交變非常劇烈，局部區域可達到300%，如圖2 所示。壓鑄循環啟動初期，鋁液在沖頭的推動下加速向前端運動，并不斷被壓縮，經料管過澆道，抵達狹小的內澆口（此時壓強達到第一個峰值），并立即通過內澆口進入空曠的模具型腔，此時壓強突然降低，單質氣化點降低，鋁液中會析出一些微小氣泡，氣泡繼續向前運動到達型腔表面，在逃逸通道不暢的轉角，死角，盲孔等處聚集。鋁液繼續高速高壓充填型腔，在極短時間，型腔內環境又變成超高壓狀態，聚集于密閉空間的微小氣泡受此高壓，氣化點驟然升高，瞬間液化（此過程在科研中有一個專業術語，叫做氣泡“空化”），由此產生一個個微觀的高真空區域，高速向前的鋁液微粒（及夾雜質點微粒）急速填充這些高真空區域，最終在氣泡空化形成的“真空填補加速器”的復合作用下，撞擊高溫型腔表層。氣泡空化和高速撞擊持續不斷地作用于型腔表面，由微及著，由表及里，由質變引發量變，最終形成氣蝕。

圖1 壓鑄過程中型腔內溫度分布

圖2 壓鑄過程中型腔內氣壓分布

由以上分析可知，氣蝕對模具型腔的損傷來自兩個方面：1）氣泡空化過程中高低壓劇烈交變造成的型腔表面疲勞性損傷；2）氣泡空化產生高真空，高真空“吸力”加速質點，高速撞擊型腔表面。

2 氣蝕的危害程度

氣蝕的危害，主要表現在三個方面：降低模具壽命，擾亂生產過程，影響產品質量。

相關資料在分析模具表面裂紋時對疲勞性損傷做過大量的研究，已經有一定的認同度；但是經高真空“吸力”加速而造成的質點撞擊，真有這么大的威力，能擊穿高硬度高致密的模具鋼表層？氣蝕過程中產生的高真空負壓到底有多大？鑒于工作狀態下模具型腔的惡劣環境，鮮有對此過程的實地監測結論，但科研人員在對常態下液體內部氣泡空化行為的研究發現，一個直徑0.01 mm～0.02 mm 的氣泡，空化時就可以產生大約-30 kPa 的負壓。另外，相關研究表明，水泵高速運轉過程中，其葉片表面氣泡空化導致的液體質點（水）沖擊應力，可以達到幾百乃至幾千個大氣壓，其中所蘊含的能量，足以破壞最致密的微鋼材表面。

氣泡空化的能量之大，一個應用實例可以側面證實，例如超聲波破碎儀，如圖3 所示。生產中批量晶體的熔化過程，需要昂貴的設備及足量的熱能供給，但由于設備局限性以及高溫本身的負面破壞力，不宜長時間無限制地升溫。當晶體溫度正在熔點時，呈固液共存態，此時利用超聲波，在共存態結晶體內部不斷產生氣泡析出和空化的交變循環，氣泡空化產生的能量，可以將半固態枝晶均勻碎化，形成形態均衡的等溫液體，滿足工藝需求。其實質就是利用氣泡空化破壞固體微粒內部結構，使之破碎并相互分離開來。

圖3 超聲波破碎儀

氣蝕對壓鑄模具造成損害，破壞生產過程的連續性，影響產品質量。筆者曾跟蹤一套缸體模具全壽命周期的壓鑄生產，從23 000 模次開始，氣蝕造成非正常停機占全部非正常停機的時長比率，在短短10 個月間，從1.3%上升到6.7%.

3 氣蝕的特點

3.1 隱蔽性強

首先，模具在試模階段，小批量生產階段，乃至正式量產的前一時段，氣蝕的外在表象是不明顯的，一般在5 000 模次以后，氣蝕才開始萌芽，而操作人員易將其混淆為沖蝕、粘料、熱結等，運用不正確，不徹底的解決方法，致使危害持續增長，積水成淵。氣蝕的初期外在表象，是一些肉眼可見的細微麻點，但顏色更深，且向外凸出（見圖4）；后期麻點變大，形成結渣（見圖5）；結渣持續生長，出現內部蝕空（見圖6）.蝕空初期比較難于發現，等發現時通常已經比較嚴重了。

圖4 氣蝕（初期麻點）

圖5 氣蝕（中期結渣）

圖6 氣蝕（末期蝕空）

3.2 成長快

氣蝕突破最堅固的外致密層是最為緩慢的第一步，外層突破后，氣蝕的擴展速度就會加快，一方面型腔的內部質量不如表層堅固，另一方面，細小間隙的密閉性更好，發生在這些空間的氣泡空化，其威力也更大。

3.3 伴生性強

氣蝕突破型腔外致密層難度較高，但模具表面的其他損傷為氣蝕的發展提供了突破口，所以氣蝕喜歡在其他蝕缺區域伴生成長，目前所見的伴生氣蝕，包括沖蝕+氣蝕（見圖7）；熱裂+氣蝕（見圖8）；尖端腐蝕+氣蝕（見圖9）.在這些情形中，氣蝕都不是造成損害的最早原因，但其后期發展所造成的損害，卻不比其他損害小。

圖7 伴生氣蝕（沖蝕+氣蝕）

圖8 伴生氣蝕（熱裂+氣蝕）

圖9 伴生氣蝕（尖端腐蝕+氣蝕）

3.4 高真空工藝的發展加劇了氣蝕的危害程度

影響氣蝕危害程度的重要因素，是氣泡空化時在侵害表面處造成的壓差幅度。相對于普通壓鑄，高真空壓鑄型腔內的氣壓非常低，直接導致更多的氣泡溢出，也就意味著更多的氣泡空化發生，導致更為嚴重的危害（見圖10）.此外，高真空壓鑄的自動化程度更高，氣蝕的區域、頻度、強度也更“穩定”，對自動化生產節拍的影響更明顯。

圖10 真空流道上的氣蝕

4 氣蝕的形成條件

氣蝕形成的環境條件，有三個方面：液面區強的高低交變幅度、相對密閉的空間及鋁液的可氣化成分。

4.1 液面壓強的高低交變幅度

氣液交變過程中，在瞬時鋁液溫度相對穩定的前提下，要求鋁液外環境壓強先變低，利于氣泡形成并析出；將析出的氣泡限制在一個封閉空間內，然后大幅增壓，強制空化并產生瞬時真空負壓，吸引微質點轟擊模面，并循環反復。高真空壓鑄條件下氣蝕現象加劇，正是因為此過程壓強交變幅度更大。

4.2 相對密閉的空間

如果氣泡聚集在一個有逃氣通道的空間內，壓鑄正壓和氣泡空化產生的真空負壓能通過這些通道得到快速補償，正負壓交變幅度就會大大降低，不僅對型腔壁的作用力減弱，對質點的加速作用也同等遞減，損害隨之減弱。氣蝕在電極腐蝕區域發生較明顯，是因為大多數尖角處本身就是通道死角，更容易形成密閉空間。

4.3 鋁液中的可氣化組分

包括鋁液中的溶融氣體，壓鑄條件下可氣液轉化的夾雜物等。對這些組分的管控，僅具有理論上的可行性，在實際操作中成本高、工藝繁瑣，通常不采用。

5 氣蝕的設計預防要點及后期的修復改善方法

從氣蝕的形成機理可知，氣蝕傷害過程既包含高低壓交變的應力疲勞，也包含微粒子的沖擊效應，因此影響沖蝕損害的因素，大多也影響氣蝕損害，但在此討論中，我們側重關注氣蝕形成的特定因素。在壓鑄過程中，高低壓交變是壓鑄的基礎工藝條件，大幅變更會影響壓鑄過程；鋁液成分的調整在實際中操作空間有限。所以，壓鑄過程氣蝕預防的最佳途徑，就是盡量減弱乃至消除可能產生氣蝕的密閉空間。據此，本文按開發過程的不同階段，分為如下兩部分講述。

5.1 氣蝕的設計預防

設計過程中的預防分成兩塊，產品設計階段和模具設計階段，這兩個階段相互關聯。在產品設計階段，除了規避產品尖端結構，還應盡量減少無通孔深腔柱位、筯位、掛臺位等結構（見圖11），在類似結構無法規避時，穴腔深端表面就不宜規定成精密原生鑄面，為后續模具上對端面的分體成型創造條件。后期模具設計中，針對這些部位，在模具上優先排布溢流井（見圖12）、逃氣道、頂針、盲孔鑲針、平頭鑲件等。在壓鑄過程中高低壓交變時，這些分體配件間的細小間隙可以極大地補償壓差。此外，設計產品時盡量減少料流填充方向上的轉角、死角、夾心區，并在模具設計時調整澆口位置及方向，增加排溢通道等，能預先規避氣蝕聚集密閉區域，降低乃至消滅氣蝕滋生場所。

圖11 型腔內耳臺易形成半密閉空間

圖12 加擠針及渣包，以規避氣蝕

特別要提到真空溢流道的設計，很多設計者為了加工工藝簡化和所謂的排布美觀，將真空流道設計成直線加90°轉角通道，并在轉角處加上一段緩沖回料區，如圖13 中的三個標注區域[3]，這個緩沖回料區絕對是氣蝕高發區，也是導致真空流道粘模，造成自動壓鑄單元停機的禍害之一，要從結構上根本改善如圖14 中的標注區域。

5.2 氣蝕缺陷的后期改善

在產品先期策劃及設計過程中的相關預防，不一定能徹底地杜絕氣蝕。當氣蝕麻點、結渣、腐蝕空洞已經形成，為了避免粘模，拉傷拉斷，缺料等，就必須對這些區域進行必要的修復，修復工作宜早、宜勤、宜徹底，因為氣蝕發生慢而發展快。發現初生的氣蝕麻點，馬上處理，用油石推平模面，涂抺防護油膏，并在后期生產中密切監控其滋生發展。對于已經結渣的部位，要用橡膠打磨頭仔細清除細渣，用油石推平模面，涂抺防護油膏，切忌直接用砂質磨頭打磨，以免劃傷型腔致密表面為氣蝕提供便利。必要時，這些部位可增加涂覆焊等表層防護措施。經驗表明，表面涂覆焊可以將氣蝕發生延遲大約9 000 至15 000 模次，且可削弱氣蝕程度。對于已經產生腐蝕空洞的部位，在清理結渣后，在空洞處銑挖切削，徹底去除孔穴及松疏部位，然后氬弧焊填補、磨平、拋光，再作好相應的防護處理。

圖13 真空流道末端死角且直面沖擊方向

圖14 真空流道無死角，高壓料流回旋逸出

雖然氣蝕常常不經意造成麻煩，但具有成型周期較長，前期危害較小的特點，壓鑄從業者要勤監控，早預防，一治到位，力爭將其負面損害降到最低點。

6 結論

通過研究與實踐，可以得出以下結論：

1）局部密閉空間高低壓交變引起的氣泡空化，是造成模具氣蝕的根本原因；

2）氣蝕發生和發展隱蔽性強，成長性高，忽視就會導致模具型腔損害；

3）選擇正確的產品和模具設計方案，可以減弱和消除氣蝕隱患；

4）氣蝕的后期修復改善，宜早，宜勤，宜徹底。