镁合金铸造轮毂（镁合金轮毂压铸件缺陷及改进）

镁合金铸造轮毂（镁合金轮毂压铸件缺陷及改进）2 模具结构改进铸件较大的热节和较宽的平坦部分容易产生涡流，易包裹气体；液态合金液难以填充模具的深腔；铸件的盲孔和死角部分难以排出，易包裹气体，缩孔缩松缩凹缺陷容易出现。在设计此类浇注系统时，应考虑内浇口和溢流口的位置。生产实践表明，靠近铸件直流道处有少量气孔，气孔位置固定 沿着直流道轴线方向分布，远离浇口处气孔逐渐减少、变小。通过改变产品结构、压铸工艺参数（主要是充型速度和模具温度）、模具结构等措施，缩孔、缩松及缩凹产生均发生较大的变化。其缺陷（见图2）形成原因可能和下列因素有关：铸件壁厚均匀程度；‚内浇道处金属液流充填速度较高，造成紊流 卷入气体，形成缩孔；充填速度过低，合金液凝固较快，补缩跟不上，会出现缩凹缺陷；ƒ铸型设计不合理，金属液冲击型芯，在冲型过程中卷入气体、润滑油燃烧产生的水分；„模具温度过低每模喷涂的脱模剂水分未干；…排气不良 溢流排气道太小。【改进措施】在设计铸件时，

【研究背景】

镁合金溶液的冷却速度较快，在凝固过程中，压铸件会发生体积收缩，形成缩孔和缩松。由于铸件内部的收缩，铸件表面会出现缩凹缺陷。对于镁合金压铸件，尤其是大型压铸件，收缩和气孔是常见的问题。针对如何补偿合金液的收缩，如何防止合金液中形成缩孔缩松等缺陷，如何防止气体、包裹气体的产生，以及如何排出气体，从而消除或减少缩孔缩松等缺陷进行了分析和研究，从而提高压铸件的成品率。

【问题描述】

采用Pro/E三维造型软件进行镁合金轮毂零件的虚拟建模，见图1。镁合金轮毂压铸件外观最大轮廓尺寸大致为φ460 mm´91 mm，压铸件质量1.50 kg，轮缘壁厚5.3 mm，轮辐部位厚10.3 mm，轮毂部位最厚22.4 mm，中心部位较厚，轮辐和轮圈处有5个热节，轮毂中心为主轴孔，铸件材质为AM60B镁合金，合金密度为1.8 g/cm3，材料收缩率为0.6%。该合金成形后综合力学性能较好，抗冲击韧性、抗拉强度较好，成型尺寸较稳定，易于压铸成形和机械加工，适于轮毂等运动部件。AM60B合金熔化起始温度为468 ℃，熔化结束温度为596 ℃，固液相线温度区间为165 ℃。根据铸件的结构和浇注系统设计的要点，压铸件浇注系统采用直流道中心浇注。该轮毂压铸件的投影面积为0.165 m2 最大锁模力为350吨 轮毂浇注重量2.60千克 模具结构采用一模一件。

生产实践表明，靠近铸件直流道处有少量气孔，气孔位置固定 沿着直流道轴线方向分布，远离浇口处气孔逐渐减少、变小。通过改变产品结构、压铸工艺参数（主要是充型速度和模具温度）、模具结构等措施，缩孔、缩松及缩凹产生均发生较大的变化。其缺陷（见图2）形成原因可能和下列因素有关：铸件壁厚均匀程度；‚内浇道处金属液流充填速度较高，造成紊流 卷入气体，形成缩孔；充填速度过低，合金液凝固较快，补缩跟不上，会出现缩凹缺陷；ƒ铸型设计不合理，金属液冲击型芯，在冲型过程中卷入气体、润滑油燃烧产生的水分；„模具温度过低每模喷涂的脱模剂水分未干；…排气不良 溢流排气道太小。

【改进措施】

在设计铸件时，尽可能地消除或减少热节，将热节的尖角变为圆角，铸件厚度应均匀，在铸件壁厚相差很大的接头处过渡应逐渐平滑，可适当增大过渡圆角半径；如果铸件设计不可避免热节、凸耳、凸台等，可采用空心结构或肋结构，均匀壁厚，消除缺陷。

铸件较大的热节和较宽的平坦部分容易产生涡流，易包裹气体；液态合金液难以填充模具的深腔；铸件的盲孔和死角部分难以排出，易包裹气体，缩孔缩松缩凹缺陷容易出现。在设计此类浇注系统时，应考虑内浇口和溢流口的位置。

2 模具结构改进

内浇口位置及截面积大小的改进。内浇口的位置远离出现缩孔缩松缩凹缺陷的热节，则需要适当改变合金液进入内浇口的位置、内浇口的数量和内浇口进入型腔的方向，以便合金液能够有序地填充在腔体内，有效传递压力，有效消除腔体内的气体，从而有效地消除了热节影响，达到补缩的目的。增加内浇口的截面积，以防止内浇口中合金液的过早凝固，从而阻塞加压和进料通道，增强补缩能力，延长进料时间。

分流道的设计形式的改进。设计分流道结构形式时，尽量引导合金液顺畅的流向模具深腔、薄壁、较大平面的中间位置，铸件质量要求较高的位置和难以成形的位置，这些部位急需大量纯净的合金液快速有序填充，防止合金液的涡流和夹带，消除或减轻合金液对模具壁或型芯的正面冲击。另外，分流道的设计时，还要防止合金液过早凝固，从而堵塞分型面或排气通道。

排气通道改进。铸模腔体的深腔、死角、中部不能排气或排气不顺畅，可采用排气塞、顶杆和模块镶嵌结构进行排气；点冷却可加快厚壁部分合金液的凝固速度；点加热可以提高模具薄壁部分的温度，从而有效地传递压力，保障合金液正常流动，消除了涡流夹带，可减少甚至消除铸件收缩缺陷。合理通道改进可以消除不良排气现象。

模具温度调节系统改进。为了降低模具过热部分的温度，提高合金液模具的冷却效率，需要在压铸过程中喷出更多的涂料并在模具表面进行空冷，以使合金液同时在模具内部凝固，达到快速冷却效果，防止出现缩孔等缺陷。此时，在远离内浇口的热节容易形成大的缩孔，铸件内部也会有大量的气孔。因此，在设计模具温度调节系统时，必须提高远离内浇口、铸件薄壁、模具深腔和非主流道的填充腔的模具温度。在内浇口附近的空腔位置、型芯的高温部分和铸件的热节部分需要降低模具温度，整个模具温度调节系统可通过采油介质模温机实现，合理调节模具各部分的温度。

另外，若出现压铸件表面的微凹缩孔、剥落及小气泡等缺陷，可通过对铸模内表面进行喷丸、放电或抛光来粗化，从而有助于气体排出，提高模具导热系数，提高冷却速度，可大大减少缺陷产生。若模具在使用中变形，则产生凸出部分，这导致铸件的表面凹陷，只要修好模具并消除模具缺陷。

3工艺参数与和合金液熔炼改进

压射速度的调整。提高压铸机的注射充模压力和升压进给压力，增加增压阀的开度（缩短增压时间），可以提高合金液的流动进给能力，进而提高铸件结构的质量密度。通过降低低速和高速喷射速度，延缓高速起动位置，可降低合金液中的气体含量。高速也可用于使内浇口速度达到50-110米/秒，并允许合金液喷雾填充空腔。虽然铸件中总气体含量增加，但较大的气泡不会被包裹，缩孔缩松缩凹尺寸明显减小，孔径不会超过标准。生成试验表明，低充填速度下会产生气孔，但气孔的数量和总量较小，高充填速度下气孔的数量和总量较大，但尺寸较小。速度不稳或者高速早期启动将引起喷射室和转轮中合金液的湍流产生夹带。压铸合金的熔化或浇注温度越高，合金内部的气体吸收越多，铸件的晶粒越大，凝固合金的收缩率越大。

浇注温度的调整。在合金液的熔化和保温过程中，应控制合金液的浇注温度不要过热，合金液在高温下的保温时间也不要过长。如果合金液需要停产2 h以上，AM60B镁合金温度应降至510～520℃。从而降低合金液的收缩率和含气量。

铸模温度的调整。如果铸件表面宏观组织疏松、不致密，就会在热点处产生收缩。这是因为模具的温度太低。适当提高模具温度和合金液浇注温度，减少涂料用量，提高注射比压。对于经常产生缩孔缩凹等缺陷的模具型腔内表面，可以使用多喷脱模剂降低模具的局部温度；冷却油管也可以用来在固定点和固定时间内在模具的局部表面上喷射冷却油，以降低铸模的温度，缺点是容易缩短模具的寿命。

合金液熔炼改进。空气中的水、炉膛中的水和油污中的有机物在高温下会分解成氢原子。随着温度的升高，更多的氢原子被吸附并溶解在镁合金液中。同时，合金液氧化渣和夹杂物团聚体中的氢原子容易被吸收。在合金液凝固过程中，所附的氢原子会自动脱离固体进入液体。当液体中的氢原子积聚过量时，随着温度的降低，氢原子结合形成氢气。过多的氢气产生膨胀压力，促进了液体的进料流动，也促进了合金液体中较大收缩空洞的形成。由于氢原子会粘附在氧化渣和杂质上，可以通过合金液的彻底脱气精炼操作来解决，从而更好地降低合金液的气体含量和杂质含量。

合金液化学成分的改进。如果合金液的化学成分超过极限，合金的体积收缩率就会增加。随着镁合金中锌含量的增加，合金的体积收缩率增大。因此，有必要对合金液进行常规检验，控制和调整化学成分，并适当控制回炉料比。采用密度检测器以及光学显微镜对镁合金轮毂试样进行检测，见图3，观察了试样的凝固抑制程度，观察了合金液的收缩率和气体含量。一般来说，结晶温度范围大的合金容易产生集中缩孔，铸件容易排气，而结晶温度范围小的合金容易产生分散缩孔，铸件不易排气。为了提高铸件的密度，可以对合金液进行改性。在镁合金液中加入0.12%～0.18%的Ti和Sr晶粒细化剂可降低合金的收缩倾向。

此外，采用半固态压铸工艺可大大减少缩孔等缺陷的产生。将固体分数为3%-50%的浆料通过注射方式填充到模具空腔中。虽然浆料中已经存在固体颗粒，但它可以加速合金的凝固和消除大的缩孔，但仍有一些液态合金正在结晶。当发生体积收缩时，最终会出现小的收缩孔或孔隙。半固态压铸与液态压铸相比，缩孔和孔隙率明显减小，缩孔数量也明显减少。

4操作过程改进

浇注方式改进。采用定量浇注来保证压铸件的料柄厚度。

涂脱剂的使用。过量的喷涂脱模剂到型腔，涂层产生的大量气体，涂层的高浓度，以及涂层在浇注前未蒸发的水分含量，将导致大量的气体卷入合金液。如果气体在型腔表面和金属与液体之间的界面之间被压缩，在铸件的表层下就会出现大孔，铸件表面就会发生收缩，形成缩凹。空气收缩孔的内表面被油漆氧化和污染，大部分为深灰色。这需要低浓度、低剂量、均匀地喷涂涂料；喷涂后，空腔表面的水应该被压缩空气干燥，以便在关闭模具之前使水蒸发干净；模具的温度应该提高，以便铸模中的水汽快速蒸发，必要时也可使用低气体排放的涂脱剂。

润滑剂的使用。定期检查并控制冲头所用润滑剂的用量。如果内浇口截面有气孔或灰黑和黄黑渣夹杂，则为冲头涂层、模具涂层、冲头润滑剂等泄漏，在注入室中遇到合金液后，会进入合金液，产生大量的气体和氧化渣。若润滑剂混入注射室中的合金液，使合金液含有大量的气体，更容易产生明显缺陷，特别是在压铸件内浇口截面处产生气孔和氧化渣，这些缺陷也会出现在整个铸件内浇口截面上。

此外，若模具表面或型芯表面由于合金液体的冲击或在铸件的热节处过热，压铸合金层将粘附到压铸表面。这种压铸合金层将阻碍合金液在结晶和凝固过程中的快速传热和传输，并增加铸件缩孔等缺陷的概率。此时，除了及时对模具表面的粘结合金进行清洗、抛光和氮化处理外，在模具的过热部分设置冷却管，并通过油冷降低模具过热部分的温度。

5 强制补缩改进

利用外力实现铸件强制送料有两种方法：一种是局部挤压，另一种是锻造送料。采用压铸填充、挤压进给或模锻进给是解决铸件缩松缺陷的有效途径。在压铸工艺的基础上，添加强制局部挤压和补缩措施，可以适应压铸工艺的特点，解决压铸件的局部缩松问题。

【生产试制】

分析完轮毂铸件产生缩孔缩松缩凹等缺陷形成的原因及解决办法后，对铸件进行了试制，试验结果表明轮毂毛坯充型完整(见图4a)，经表面喷丸处理后(见图4b)，外观完好，表面无较大缺陷，机加工后的轮毂表面光滑(见4c)。经严格的力学性能检测，其结果为σb为228 MPa、布氏硬度为72 HBS、δ5为10.8%和ak为18.7×104J/m2，以上力学性能表明该轮毂铸件达到了摩托车轮毂技术标准要求，也证明轮毂铸件内部无重大缩孔缩松缩凹等缺陷。

【结论】

整个压铸过程中的气体来源是造成缩孔缩松缩凹缺陷的主要原因。特别是合金液结晶过程中的体积收缩、液态合金中的夹杂物气体和溶解在液态合金中的氢原子的析出气体。主要措施是尽量避免气体来源，设计无热节、易充填的铸件，加快合金的收缩，降低热节部位的温度，精炼合金液，减少合金液充填型腔时产生气体的机会是关键。此外，镁合金液已氧化，整个压铸过程尽量封闭进行，最好用惰性气体保护，尽量避免和空气接触，减少合金液氧化以及空气中水汽的混入，镁合金液遇水会产生爆炸，在需要冷却铸模时，严禁采用冷却水介质。总之，为了真正防止缩孔缩松缩凹缺陷，必须控制各方面。

【来源】

张占领，张艳琴 (1.郑州科技学院机械工程学院；2.郑州城市职业学院)

2021中国国际压铸高层论坛暨第三届压铸CEO峰会论文集