文：陈 龙

高真空压铸汽车减震塔的组织及力学性能分析之三

1、 减震塔内部缺陷特征分析

铸造缺陷是在压铸生产中是无法避免的问题，通过对铸造缺陷分析，研究缺陷的形成机理并找到影响缺陷的因素，提出解决方案和措施，对于指导实际压铸生产具有显著意义。

对实际观察到的压铸缺陷进行分类，可以分为形状尺寸问题、外观缺陷、内部缺陷、材质缺陷及其他缺陷。其中对减震塔力学性能影响最大的缺陷是内部缺陷，内部缺陷主要有裂纹、缩松、缩孔、冷隔及冷料等。高真空压铸过程中产生的缺陷与合金熔炼、模具、压铸模式、压铸工艺参数等都有联系，本小节分析减震塔的内部缺陷，对其特征、形成机制及解决措施进行解释及说明。

1.1 裂纹

在 AlSi10MnMg 高真空压铸汽车减震塔的实际生产中，裂纹出现的较少，这与选取的材料 AlSi10MnMg 合金及合理的产品设计有关。Al Si10Mn Mg 合金具有良好的流动性及铸造性能，可以有效减少凝固过程中的应力，从而减少裂纹的形成。同时，对减震塔铸件结构进行合理的设计，保证壁厚均匀，铸件内腔圆角足够大，减少铸件收缩阻力，也可以有效减少裂纹的形成。

图1为减震塔近水口处裂纹的显微组织。该处位置为转弯处，但已经设置好圆角。分析可能是模具温度较低而导致收缩热应力过大所形成的裂纹。为避免这种裂纹的形成，可以提高该处附近的模具温度。

1.2 气孔与缩孔

孔洞缺陷是压铸中最为常见的内部缺陷之一，包括气孔与缩孔。气孔的来源有三个方面，来自熔炼过程溶解于铝液中的气体，或来自压射过程的卷气，或来自脱模剂蒸发及型腔内部的空气。对于高真空压铸来说，压射过程的高真空模式可以有效减少压室及型腔内部气体的卷入，但对于熔炼过程溶解于铝液中的气体却无能为力。因此，严格控制熔炼过程，有效除气就显得格外重要。

图2为减震塔内部气孔的金相组织图及拉伸断口SEM图。a、b两处位置位于减震塔末端转弯处以及靠近溢流槽的位置，气孔主要位于截面的芯部区域，这说明压铸过程中依然还有少量气体存在于型腔内来不及排出去。图2(c)、(d)分别为3号位置及9号位置的拉伸断口，3号位置断口中含有更多的孔洞缺陷。位于表面的气孔会在热处理过程中发生鼓泡现象，降低减震塔表面质量。对此，可通过优化设计真空排气系统，减少排气道的长度来加强排气效果，进一步减少气孔的形成。

缩孔的形成与铝液的补缩困难有关，压铸组织中的缩孔按形成机制的不同可分为宏观缩孔及晶间缩松。宏观缩孔尺寸较大，通常在热结处形成，是由凝固过程中铝液体积收缩导致的。宏观缩孔的形成与模具型腔填充条件、铸件的几何形状及尺寸有关。对于本文研究的减震塔来说，通过在压铸的增压阶段对铸件壁厚较大的区域施加额外的挤压压力，可以缩小宏观缩孔的尺寸，并将其限制在铸件芯部以降低其对减震塔的危害。压铸组织中晶间缩松尺寸较小，通常以α-Al枝晶间的不规则孔洞形式存在，其形成原因往往是压铸件芯部局部区域的铝液流量不足以抵消凝固过程中金属的收缩。晶间缩松与压铸工艺有关，铝液宽的凝固温度范围及低的温度梯度所导致的固液共存的糊状区域会促使晶间缩松的形成。因此，对于高真空压铸来说，晶间缩松往往无法避免。

图3为减震塔截面芯部区域缩松的金相组织。晶间缩松的消除是高真空压铸需要解决的一个难题。研究表明，通过控制铝液浇注温度，调整压铸工艺参数，改进模具设计，在一定程度上可以抑制缩松的形成。

1.3  冷隔

冷隔是由于温度较低的金属流相互对接但未熔合而出现的缝隙，或先进入型腔冷却的金属没有被后来进入的金属完全熔合而产生的缺陷。图4为减震塔拉伸样的断口截面金相组织。冷隔造成压铸件有效截面减少，导致其力学性能降低。冷隔的形成与原材料的流动性、压铸工艺参数设计合理、模具结构设计合理与否等因素有关。在实际生产中，可通过控制熔炼过程以减少氧化夹渣，适当提高浇注温度和模具温度，改进模具设计等调节减震塔组织以减少冷隔的形成。

1.4  冷射(Cold Shot)

冷射是一种具有比其周围的压铸正常组织小得多的微观组织结构特征，并通过一层薄的氧化层与基体组织隔开的异常组织。冷射的形成与铝液的压射过程有关，当铝液从较小的水口向型腔中高速射出时，其前端会分散形成大量细小的铝液液滴，液滴在型腔中与温度低的模具表面碰撞并失去热量，温度骤降并快速凝固。冷射在减震塔的远水口末端经常被发现，如图5中位于表层区域的黑色组织，图5所示为冷射的显微组织。冷射在金相中通常呈现为圆形或椭球形，其尺寸介于0.05－0.2mm之间。冷射对减震塔有不利的影响，当减震塔机加工需要较大的塑性变形时，如与汽车车身以铆接的形式连接，裂纹容易在冷射与基体的界面处形成并扩展，导致连接失效。

1.5  冷料

冷料的实质就是在压室中形成的大块状激冷层组织。由于其形成于压室中，冷却速度较慢，冷料组织的晶粒较为粗大，这种粗大的组织与压铸态组织形成较为鲜明的对比，造成减震塔组织的不均匀性。图6为减震塔拉伸试样断口纵向的金相组织及断口截面的SEM照片。SEM照片中黑色区域为冷料组织的断口截面，相比于普通组织，冷料区域观察不到明显的撕裂棱，呈现为平整断面，表现为脆性断裂。同时从图6(c)中可以看出在冷料周边可以看到许多缩孔。这些都说明冷料与压铸正常组织之间的连接较为脆弱。当受到拉伸力时，冷料处界面迅速断开，形成应力集中，成为裂纹的发源地，导致试样的迅速断裂。冷料的危害比孔洞要更为严重，使得压铸件的力学性能下降许多，尤其是对伸长率的影响，使得伸长率低于3%。在实际生产中，通常对压室进行加热来减少冷料的形成，生产开始时通过预生产对压室进行升温并保证压铸周期内的热平衡。通常铝液的浇注温度是在一定的范围内调整的，过高会导致大的缩孔缩松，因此通过提高浇注温度来减少冷料行不通。

2、结 论

高真空压铸汽车减震塔压铸态的力学性能为：屈服强度133MPa，抗拉强度280MPa，伸长率7.39%。减震塔近水口端及末端力学性能较差，中间位置性能较好且稳定。高真空压铸减震塔压铸件中的缺陷主要有气孔、缩孔等孔洞缺陷，冷隔及冷料，其中气孔与缩孔最为常见，而对力学性能造成最大影响的是冷料缺陷。