文/南京华舜轮毂有限公司/陆斌
摘要：汽车安全件是指在整车组装后与人身安全密切相关的零件（如车轮、发动机缸体等），其质量等级通常要达到ASTME1025中定义的22T级，其内部缺陷要求也极其严格。为了使压铸件也能适用于汽车安全件，近年来出现了一些无气孔压铸（Pore-Free Die Casting Process，简称“PF”法压铸）新技术，最具代表性的就是真空充氧压铸法。
理论基础
普通压力铸造就是在高压、高速下形成铸件，而当金属液在高压状态下被快速压射进入充满空气的压铸型腔时，型腔中的气体却很难完全排除，常以气孔形式存留在铸件中，造成压铸件内出现一定数量的气孔，影响了铸件的致密性和气密性，并使压铸件失去了淬火处理和焊接的可能性，因为这些铸件孔隙中的气体在热处理过程中会发生膨胀，使得铸件“起泡”。同时通过检查发现，压铸件气孔中的气体绝大部分为N2和H2，几乎没有O2，主要原因是O2与活性金属发生反应生成了固体氧化物（见图1），这为充氧压铸技术提供了理论基础。充氧压铸就是在压铸前将氧气充入型腔，以取代其中的空气，当金属液进入型腔时，一部分O2从排气槽排出，残留的氧与金属发生反应，生成弥散状的氧化物微粒，在铸弄中形成瞬间真空，从而得到无气孔的压铸件。
固体化合物（如压铸铝合金时的氧化铝）的微粒很小（1μm或以下），占整个铸件重量的0.1%-0.2%。实际上，这些化合物不影响铸件的力学性能和加工性能，且少量的化合物还能使压铸件的硬度提高数个百分点，并可使铸件进行热处理和焊接。如图2所示，对采用A356材料充氧压铸车轮固溶体的显微组织进行的分析表明，在一般容易形成疲劳裂纹的区域有着很细的晶粒，其中均匀地分布着硅基球形微粒，而重力铸造车轮的材料中却含有大量拉长的铁基相的针状析出物，这种析出物的存在就会使塑性变坏。
虽然氧能与许多材料发生强烈反应，但在压铸时先用这种气体吹洗型腔，然后再注入金属液时还是安全的。因为在密闭空间内需要快速增压才能爆炸，但是，当金属液进入吹氧的型腔时，氧和流进的金属液前端快速反应，实际上减少了型腔压力而形成局部真空。这也有助于金属液流向型腔凹部和狭窄区域。由于这个机理，充氧压铸也能用于压铸薄壁件。
实现过程
图3所示为一套充氧压铸过程的示意图，当压铸模具14闭合时，形成与压铸室12相连的模具型腔5，金属液13通过敞开的注液口9加入压铸室，活塞杆10推动活塞11将金属液压入模具型腔中，金属液充满型腔后，在压铸模内冷却凝固成型。
1.模具预热
为防止热冲击和提高生产率，生产前，压铸模具应先预热到150～200℃
2.抽真空
模具型腔通过真空管3与真空泵4连接，在对模具型腔进行抽真空时，真空管有带进空气和水蒸气的可能，因此在起模杆1和其套管之间以及压铸模的凹、凸模之间均装有密封件2，与起模杆相连的注液口也被活塞所关闭，这样就避免了空气和水蒸气通过注液口进入压铸室。抽真空时间通常保持1～2s，注液口就被活塞关闭，与传统真空压铸相比，充氧压铸前的抽真空时间稍长，真空压铸的抽真空时间一般不到1s，这样长时间的抽真空，使模具型腔内的压力低于10kPa，就能将型腔中原始的水蒸气和蒸发后附着在压铸模内表面的水蒸气更有效地抽走。当抽气速率达到50～80kPa/s时，甚至连复杂结构模具型腔中狭窄部位的残留气体也能被抽走。
模具型腔先抽真空比简单的直接充氧，能更有效地驱除模具型腔中的水蒸气。如果模具型腔的真空度达不到10kPa左右，大量的剩余气体仍会留在模具型腔内，如未被氧气所取代，最终将进入铸件之中。
3.充氧
抽真空以后，通过气阀7与供氧站8相连的氧气嘴6被打开，氧气便进入压铸室内部，并由此进入模具型腔，当氧气进入预抽真空的模具型腔时，能以较快的速度进入型腔中的那些狭窄部位，以便绝大部分原始的水蒸气能被氧气冲走(见图4)。充氧时间应保持3～4s，直到位于模具的两个凹、凸模间的型腔中的气体和氧气都能通过排气槽排出为止。
4.注液
活塞往回移动， 以便打开注液口(见图5)，此时充氧仍在继续，注液口敞开着，氧气也通过注液口溢出。排出的氧气能有效地阻止空气和水蒸气从注液口进入压铸室。
图3所示为一套充氧压铸过程的示意图，当压铸模具14闭合时，形成与压铸室12相连的模具型腔5，金属液13通过敞开的注液口9加入压铸室，活塞杆10推动活塞11将金属液压入模具型腔中，金属液充满型腔后，在压铸模内冷却凝固成型。
1.模具预热
为防止热冲击和提高生产率，生产前，压铸模具应先预热到150～200℃
2.抽真空
模具型腔通过真空管3与真空泵4连接，在对模具型腔进行抽真空时，真空管有带进空气和水蒸气的可能，因此在起模杆1和其套管之间以及压铸模的凹、凸模之间均装有密封件2，与起模杆相连的注液口也被活塞所关闭，这样就避免了空气和水蒸气通过注液口进入压铸室。抽真空时间通常保持1～2s，注液口就被活塞关闭，与传统真空压铸相比，充氧压铸前的抽真空时间稍长，真空压铸的抽真空时间一般不到1s，这样长时间的抽真空，使模具型腔内的压力低于10kPa，就能将型腔中原始的水蒸气和蒸发后附着在压铸模内表面的水蒸气更有效地抽走。当抽气速率达到50～80kPa/s时，甚至连复杂结构模具型腔中狭窄部位的残留气体也能被抽走。
模具型腔先抽真空比简单的直接充氧，能更有效地驱除模具型腔中的水蒸气。如果模具型腔的真空度达不到10kPa左右，大量的剩余气体仍会留在模具型腔内，如未被氧气所取代，最终将进入铸件之中。
3.充氧
抽真空以后，通过气阀7与供氧站8相连的氧气嘴6被打开，氧气便进入压铸室内部，并由此进入模具型腔，当氧气进入预抽真空的模具型腔时，能以较快的速度进入型腔中的那些狭窄部位，以便绝大部分原始的水蒸气能被氧气冲走(见图4)。充氧时间应保持3～4s，直到位于模具的两个凹、凸模间的型腔中的气体和氧气都能通过排气槽排出为止。
4.注液
活塞往回移动， 以便打开注液口(见图5)，此时充氧仍在继续，注液口敞开着，氧气也通过注液口溢出。排出的氧气能有效地阻止空气和水蒸气从注液口进入压铸室。
产品特点
真空充氧压铸与普通压铸相比具有以下特点。
(1)消除或减少了压铸件内部气孔，提高了铸件致密度(见表1)。
(2)真空充氧压铸件比普通压铸件铸态强度可提高10％，伸长率增加30％～50％，并可对充氧压铸件进行热处理进一步提高力学性能，热处理后强度能提高30％以上，伸长率增旅加80％～100％，屈服极限及冲击韧性也有显著提高(见表2)。
(3)如图6所示，在相同条件下注入空气(490℃热处理后)两种压铸方法的对比。真空充氧压铸件在热处理或焊接时不起泡，不变形，可在200～300℃的高温环境中工作。
(4)真空充氧压铸对合金成分烧损甚微。
(5)真空充氧压铸需附加抽真空和充氧控制装置，给压铸型抽真空和充氧不但消耗氧气，也会增加压铸循环时间，这将使真空充氧压铸件比普通压铸件的成本要高10％～15％。但对质量要求较高的汽车安全件，采用真空充氧压铸后降低了铸件废品率和减少了质量控制费用，综合起来考虑，成本反而可以降低。
发展与展望
真空充氧压铸可用于与氧反应的Al、Mg、Zn等合金，用此法生产的铸，含气量只有普通压铸法的1／10，并可进行固溶处理和焊接。与传统压铸法相比，其产品具有成品率高、组织致密、良好的拉伸强度和耐疲劳性能等优点，完全能满足汽车安全件的要求。国外该方法已广泛用于铝车轮的生产，日本轻金属株式会社于1983年开始用此方法大批量生产轿车铝合金车轮，到1986年产量达到70万只，较采用其他铸造方法生产的同类产品重量减少了15％，加工切削量由原来的2～3mm减少到0.75mm，车轮价格降低了10％。美国铸锻公司于1982年开始用充氧压铸法生产汽车铝合金车轮，代替了原来的低压铸造法，并使铝车轮的重量减轻了18％。由于有较高的力学性能和较轻的重量，充氧压铸铝车轮用于紧急救援车和高级车辆是十分理想的。
我国在20世纪20年代已有一些单位对真空充氧压铸进行试验研究，但由于历史的原因，长期以来进展缓慢，特别是在设备和模具制造方面，还难以达到要求，到目前为止还没有将其用于产品批量生产的报道，与国外相比差距是显而易见的。近些年又有国内学者开始对该项技术进行工艺试验研究，但要将其成功地应用于产品的批量生产，显然还有许多工作要做。
2009年我国的汽车工业已迈入千万辆时代，尤其是轿车制造业正处于高速发展阶段，预计在今后的一段时期内汽车铸件产量会有较大的增加，同时对汽车铸件质量的要求也将更为严格。这将为在我国推广、发展真空充氧压铸新技术带来新的契机。为此，消化吸收国外的先进铸造技术和经验，结合自身的实际来实现再创新，提高国内汽车在国际市场的竞争力，是国内汽车界同行共同努力的目标。
