定量炉在铝合金压铸成型过程中的优势

2021-12-04周金男王家锦

世界有色金属 2021年17期

李亚，周金男，王家锦

（宁波众创智能科技有限公司，浙江宁波 315000）

由于铝合金的成型加工性能较其他金属材料更为优异，兼具耐腐蚀和高强度低密度的优点让铝合金在各项制造业中大放异彩[1]。其主要作为结构材料出现在航天、汽车、航空、建筑等行业中，作为结构材料的使用量与钢铁材料相差无几[2]。甚至其使用频率在有色金属材料中占据榜首，如汽车制造行业中，当汽车产销量不断增加，其尾气排放及燃油消耗的汽车轻量化也不断增加，这就使得那么汽车零部件上的铝合金利用率就会大幅度地上涨[3]。

而铝合金的主要制造方法就是铝合金压铸成型，通过这种结构零件制造出高效、精密的结构零件，虽然压铸企业在制造行业中占有较大的份额。但铝合金压铸零件的气孔和缩松缩孔缺陷较为常见，这就使得大量的铝合金制造零件难以投入使用，只能予以销毁重铸，这极大地降低了铝合金压铸成型的效率。

因此，通过定量炉解决铝合金压铸成型过程中的问题，对铝合金压铸成型产生的气孔缺陷防控，并针对产生气孔缺陷的原因及机理分析。

1 铝合金压铸成型理论背景

对铝合金压铸成型的理论背景分析可知，铝合金在压铸成型时需要借助砂型或者模具型腔塑形，通过重力铸造合金液，对整个充型凝固的重力浇筑处理。在保证铸件表面光洁同时提高成型率，针对铸件内部存在的大量缩松缩孔热处理。对铸件组织致密性原因分析，在重力作用下对合金液铸件表面平整性处理。通过高速充型热处理合金液或者半固态金属。这就使得生产结构复杂的铸件壁比要求更厚，同时充型能力也限制了铝合金压铸成型的高气密性，使得生产铸件表面的气孔较少，大量的气孔在铸件内部生成，热处理只能处理掉铸件表面的气孔，从而使得铸件内有气孔产生，导致铸件内部结构脆弱。

生产高气密性的铸件时，当前冷却凝固的特点会让铸件契合精度提高，通过高速充型压缩生产铸件的充型能力，虽然能够在一定程度上保证铝合金铸件的出件率，但就重力作用下的充型能力而言，其效率生产铸件的表面平整度并不高。但胜在其铝合金成型方式不需要过多地切削，而且压铸成型的精度较高。

2 铝合金压铸成型过程中存在问题

铝合金压铸成型中铸件内部充满气体，这些气体导致铝合金铸件表面产生孔洞。虽然压铸过程中气孔内表面光滑，但受热膨胀的内部气体影响了铸件的高温工作性能，并且为后续的强化工艺带来了麻烦，根据形成机理判断铝合金压铸成型受热膨胀的铸件合金，判断铝合金压铸成型产生的气孔的原因主要为气体熔炼过程中卷入，这使得铝合金铸件中产生氢气。

因此需要通入惰性气体精炼铝合金铸件，这样虽然能解决铝合金铸件中的气孔问题，并降低铸件内氢气孔的产生频率，但惰性气体也会降低铝合金压铸成型的效率。

铝合金铸型反应产生气体中含有合金液杂质，这类杂质会在铸件当中残留，主要与模具涂料的使用量相关，模具涂料使用越多，其合金液杂质越多。此时铝合金铸型腔内的气体主要构成为钠和氦，这些气体体积分数较氢气更高，且不与合金液产生化学反应，导致铝合金表面产生杂质缺陷。

3 定量炉在铝合金压铸成型过程中的作用

3.1 减少了压铸过程中重金属的利用

利用定量炉对铝合金压铸可知，定量炉对铝及其合金表面的化学反应具有催化作用，这就使得化学反应生成了铝合金氧化膜，通过氧化法对金属与特定腐蚀液处理，得到化学转化处理的外层原子腐蚀液分离，从而促进特定腐蚀液接触化学金属特定外层原子，造成化学氧化条件下的腐蚀液粒子附着力降低，通过腐蚀生成物膜层的难溶性降低重金属在压铸过程中的利用率，从而起到铝合金压铸环保性。

通过腐蚀生成物膜层降低金属表面的外层原子附着力，针对膜厚度为0.5^-4Elm以下的使用化学氧化技术，这样生成的氧化膜并不厚，且压铸过程中的重金属膜层质地较为柔软。能够较好地吸附铝合金压铸成型中的重金属，使得铝合金涂漆底层再次涂装防护层。

3.2 降低了压铸过程中的能源损耗

利用直流电源对铝合金阳极氧化，还需要添加外加设备与添加剂，难以达到当前对于铝合金制品的环保要求，且在压铸过程中损耗的能源较高，整体成膜的生成率较低。

通过定量炉对铝合金压铸同时需要混合其他硫酸，对铝及铝合金进行阳极氧化，通过混合酸氧化促进铝合金压铸铸件成膜。应用定量炉不仅使得压铸进程缩短，同时也改进了阳极氧化工艺条件，使得压铸过程中的能源损耗减少。通过添加有机酸，使得电解液中铸造铝合金制备氧化膜的效率提高，并利用定量炉叠加有机添加剂，减少铝合金压铸中阴极放出的热量，并利用普通阳极氧化交流电源缩短铝合金压铸的周期，使得单个铝合金铸件压铸功率提升。定量炉同时也能降低短时间内冲击电压，保证铝合金压铸过程的制备安全。定量炉同时也能增厚压铸过程中的能源阻挡层，并增加膜层的厚度，减少铝合金铸件的孔隙率。

3.3 提高了铝合金压铸表面的耐磨性

定量炉提高了铝合金压铸表面的耐磨性，通过定量炉的微弧氧化，促进铝合金压铸表面的普通阳极氧化，利用铝合金压铸定量炉电化学反应，促进压铸铸件物理放电过程，使得铝合金压铸共同作用，提高等离子体氧化效果，使得铝合金压铸电压局限于阳极氧化电压过程中，在击穿材料表面氧化层的同时，针对临界值氧化电压测量。以此判断定量炉铝合金铸表面的稳定性。

通过确定铝合金压铸材料表面氧化层厚度，判断定量炉对铝合金压铸耐蚀性、耐磨性的提高。针对不同性质的铝和铝合金制品电解结果分析可知，工艺条件不同的铝合金存在天然形成的阳极氧化膜。

定量炉使得铝合金压铸的阳极氧化膜结构呈现出更多的特性，这些特性作为铝合金材料的功能，可以应用到众多崭新的领域，通过定量炉铝合金压铸对磁学、光学、光电学产生影响，并在分离膜及印刷电路板中应用铝合金压铸。

因此，定量炉能够使铝合金压铸成型过程中产生微弧氧化层，并在基体表面生成新的陶瓷膜层，定量炉铝合金压铸形成的膜层最大厚度可达到200μm～300μm，陶瓷膜层的硬度在3000HV以上，且陶瓷层膜的绝缘电阻>100M。上述特性使得铝合金兼具耐磨损和耐腐蚀的特性，其耐热冲击及绝缘性较其他合金材料更高。

4 定量炉在铝合金压铸成型过程中的应用实例分析

4.1 实践过程

利用定量炉压铸铝合金，选择ADC12合金锭和Al-SV作为基础原料，Al-lOSr作为中间浇筑合金。将定量炉内温度调整至150℃，预热后加入基础原料，向定量炉内填充1%SF6的CO2混合气体保护合金材料压铸过程。

另外选择一个电阻炉，将ADC 12合金锭熔化在电阻炉中，当电阻炉升温至740℃后，在电阻炉中加入Al-l OSr和Al-5 V中间合金材料，搅拌并熔化全部合金基础原料。在精炼总质量为1%的熔炼合金中加入精炼黏合剂。

对合金溶体精炼并漂清表面的浮渣，在静置20min后，合金溶液的温度降低至720℃，将表面出现的浮渣杂质处理干净。进行合金熔体的精炼准备前的最后一步，在自制模具上浇筑涂层，将压铸过程转移至2000t的冷室中，压铸全过程需要在压铸机上进行罩盖，避免杂质污染压铸铝合金铸件。

4.2 结果分析

分析结果可知，应用定量炉压射比压为80 MPa以下，压铸过程中的模具预热温度为200℃以下，压塑的速率在2 m/s以上，通过压铸铝合金浇筑纤维组织内的试样晶粒变化判断定量炉铝合金压塑成型的内部组织分布，可见定量炉中温度保持不变的晶粒粗细分布较为均匀，组织分布均匀性使得铝合金压铸的罩盖紧密性更优良。定量炉提高了铝合金压铸成型的浇筑分布性能。

使用定量炉的压射比压在80MPa以上时，其定量炉的模具预热温度在200℃以上，定量炉的压射速度保持在2m/s不变，此时定量炉中铝合金压铸的浇注温度较高，使得压铸而成的罩盖试样在室温下的磨损体积降低。根据浇注温度的不同，对磨损试样编号，可知浇筑温度越高，铝合金压铸成型的耐磨损性能越高。由此确定定量炉中铝合金压铸成型中ADC12-VSr铝合金的磨损试样浇筑结果，由此得到磨损性能试样的浇筑磨痕情况，据此可以发现定量炉的使用能够显著提高铝合金压铸过程中的耐磨损性能，得到的铝合金铸件表面磨痕也比较少。