文：广东鸿图武汉压铸有限公司 黄勇

摘 要：气蚀是压铸过程中产生的一种较为特殊的模具腐蚀类型，与日常所见的如冲蚀，化学腐蚀比较，既有相同点又具独特性，且随着压铸自动化程度的提高和新工艺的应用，危害日渐明显。本文以实际压铸过程中的经验总结为基础，分析模具气蚀的表象，形成机理，特点，进而探究对于模具气蚀的预防和修复解决方法。

关键词：气蚀；气泡空化；高真空；微观冲蚀；伴生性

高压压铸作为一种传统的金属成型工艺，是将液态的金属或合金浇入压铸机的压室内，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形和结晶而获得铸件的一种成形方法。由于压铸生产循环时间短，工艺过程相对稳定，尤其适合大批量生产，所以发展迅速。伴随压铸工艺的创新发展，新技术不断出现并应用于生产过程，如分段压射，高真空，超点冷等，这些新技术的应用提高了压铸效率和产品质量，同时又对压铸模具及设备的性能提出了更高的要求。

高压压铸过程中，模具内工作环境条件恶劣，高温，高压，强冲击，使得模具不可避免地出现各种损伤，严重影响生产效率和产品质量，如何有效地预防和修复这些损伤，需要压铸从业者不断探索，进提高。本文通过研究一种压铸过程中产生的模具损伤现象—气蚀，探索其形成原因、特点，然后寻求对于此类损伤的改善方案。为简化起见，以下所有表述，均以铝合金高压压铸工艺为例。

1、模具气蚀的概述

随着质量要求提升，很多重点汽车压铸件的生产都在全电脑控制的封闭压铸岛内完成，在此条件下，工艺参数的精准度和稳定性大幅提升，产品质量和生产效率有了质的飞跃，诸多主观因素对生产过程稳定性的影响逐渐消除；同时，一些潜在的不易控因素，正悄无声息地蚕食着生产效率，气蚀正是其中一种。

常见的模具表面损害，以撞击式损害最为直观，如冲蚀、碰伤等；而另一类型的损害，周期性压力损害，其直观性远不如前者，故常被忽略。这类损害是通过长时间高频次的反复作用，突破金属表层的疲劳极限，致其表面破损并造成内部损伤。气蚀，正是周期性压力损害与微创撞击式损害作用的复合效应。

每一种晶体单质或化合物的气液转换温度值都是相对稳定的，但受液体表面压强影响。当液体表面压强降低时，液体气化温度会稍稍降低；当液体表面压强升高时，气化温度会升高。在高压压铸过程的中段，铝液进入浇口并加速填充的极短时间内，瞬时温度变化并不大，大约为20 ℃~30℃，如图1 所示，但高低压交变非常剧烈，局部区域可达到300%，如图 2 所示。压铸循环启动初期，铝液在冲头的推动下加速向前端运动，并不断被压缩，经料管过浇道，抵达狭小的内浇口（此时压强达到第一个峰值），并立即通过内浇口进入空旷的模具型腔，此时压强突然降低，单质气化点降低，铝液中会析出一些微小气泡，气泡继续向前运动到达型腔表面，在逃逸通道不畅的转角，死角，盲孔等处聚集。铝液继续高速高压充填型腔，在极短时间，型腔内环境又变成超高压状态，聚集于密闭空间的微小气泡受此高压，气化点骤然升高，瞬间液化（此过程在科研中有一个专业术语，叫做气泡“空化”），由此产生一个个微观的高真空区域，高速向前的铝液微粒（及夹杂质点微粒）急速填充这些高真空区域，最终在气泡空化形成的“真空填补加速器”的复合作用下，撞击高温型腔表层。气泡空化和高速撞击持续不断地作用于型腔表面，由微及著，由表及里，由质变引发量变，最终形成气蚀。

由以上分析可知，气蚀对模具型腔的损伤来自两个方面：

1）气泡空化过程中高低压剧烈交变造成的型腔表面疲劳性损伤；

2） 气泡空化产生高真空，高真空“吸力”加速质点，高速撞击型腔表面。

2、气蚀的危害程度

气蚀的危害，主要表现在三个方面：降低模具寿命，扰乱生产过程，影响产品质量。相关资料在分析模具表面裂纹时对疲劳性损伤做过大量的研究，已经有一定的认同度；但是经真空“吸力”加速而造成的质点撞击，真有这么大威力，能击穿高硬度高致密的模具钢表层？气蚀过程中产生的高真空负压到底有多大？鉴于工作状态下模具型腔的恶劣环境，鲜有对此过程的实地监测结论，但科研人员在对常态下液体内部气泡空化行为的研究发现，一个直径0.01mm~0.02mm 的气泡，空化时就可以产生大约-30kPa的负压。另外，相关研究表明，水泵高速运转过程中，其叶片表面气泡空化导致的液体质点（水）冲击应力，可以达到几百乃至几千个大气压，其中所蕴含的能量，足以破坏最致密的微钢材表面。气泡空化的能量之大，一个应用实例可以侧面证实，例如超声波破碎仪，如图3所示。生产中批量晶体的熔化过程，需要昂贵的设备及足量的热能供给，但由于设备局限性以及高温本身的负面破坏力，不宜长时间无限制地升温。当晶体温度正在熔点时，呈固液共存态，此时利用超声波，在共存态结晶体内部不断产生气泡析出和空化的交变循环，气泡空化产生的能量，可以将半固态枝晶均匀碎化，形成形态均衡的等温液体，满足工艺需求。其实质就是利用气泡空化破坏固体微粒内部结构，使之破碎并相互分离开来。

气蚀对压铸模具造成损害，破坏生产过程的连续性，影响产品质量。笔者曾跟踪一套缸体模具全寿命周期的压铸生产，从23000模次开始，气蚀造成非正常停机占全部非正常停机的时长比率，在短短10个月间，从 1.3%上升到6.7%。

3、气蚀的特点

3.1 隐蔽性强

首先，模具在试模阶段，小批量生产阶段，乃至正式量产的前一时段，气蚀的外在表象是不明显，一般在5000模次以后，气蚀才开始萌芽，而操作人员易将其混淆为冲蚀、粘料、热结等，运用不正确，不彻底的解决方法，致使危害持续增长，积水成渊。气蚀的初期外在表象，是一些肉眼可见的细微麻点，但颜色更深，且向外凸出（见图4）；后期麻点变大，形成结渣（见图5）；结渣持续生长，出现内部蚀空（见图6）.蚀空初期比较难于发现，等发现时通常已经比较严重了。

3.2 成长快

气蚀突破最坚固的外致密层是最为缓慢的第一步，外层突破后，气蚀的扩展速度就会加快，一方面型腔的内部质量不如表层坚固，另一方面，细小间隙的密闭性更好，发生在这些空间的气泡空化，其威力也更大。

3.3 伴生性强

气蚀突破型腔外致密层难度较高，但模具表面的其他损伤为气蚀的发展提供了突破口，所以气蚀喜欢在其他蚀缺区域伴生成长，目前所见的伴生气蚀，包括冲蚀 + 气蚀（见图7）；热裂 + 气蚀（见图8）；尖端腐蚀 + 气蚀（见图9）。在这些情形中，气蚀都不是造成损害的最早原因，但其后期发展所造成的损害，却不比其他损害小。

3.4 高真空工艺的发展加剧了气蚀的危害程度

影响气蚀危害程度的重要因素，是气泡空化时在侵害表面处造成的压差幅度。相对于普通压铸，高真空压铸型腔内的气压非常低，直接导致更多的气泡溢出，也就意味着更多的气泡空化发生，导致更为严重的危害（见图10）。此外，高真空压铸的自动化程度更高，气蚀的区域、频度、强度也更“稳定”，对自动化生产节拍的影响更明显。

4、气蚀的形成条件

气蚀形成的环境条件，有三个方面：液面区强的高低交变幅度、相对密闭的空间及铝液的可气化成分。

4.1 液面压强的高低交变幅度

气液交变过程中，在瞬时铝液温度相对稳定的前提下，要求铝液外环境压强先变低，利于气泡形成并析出；将析出的气泡限制在一个封闭空间内，然后大幅增压，强制空化并产生瞬时真空负压，吸引微质点轰击模面，并循环反复。高真空压铸条件下气蚀现象加剧，正是因为此过程压强交变幅度更大。

4.2 相对密闭的空间

如果气泡聚集在一个有逃气通道的空间内，压铸正压和气泡空化产生的真空负压能通过这些通道得到快速补偿，正负压交变幅度就会大大降低，不仅对型腔壁的作用力减弱，对质点的加速作用也同等递减，损害随之减弱。气蚀在电极腐蚀区域发生较明显，是因为大多数尖角处本身就是通道死角，更容易形成密闭空间。

4.3 铝液中的可气化组分

包括铝液中的溶融气体，压铸条件下可气液转化的夹杂物等。对这些组分的管控，仅具有理论上的可行性，在实际操作中成本高、工艺繁琐，通常不采用。

5、气蚀的设计预防要点及后期的修复改善方法

从气蚀的形成机理可知，气蚀伤害过程既包含高低压交变的应力疲劳，也包含微粒子的冲击效应，因此影响冲蚀损害的因素，大多也影响气蚀损害，但在此讨论中，我们侧重关注气蚀形成的特定因素。在压铸过程中，高低压交变是压铸的基础工艺条件，大幅变更会影响压铸过程；铝液成分的调整在实际中操作空间有限。所以，压铸过程气蚀预防的最佳途径，就是尽量减弱乃至消除可能产生气蚀的密闭空间。据此，本文按开发过程的不同阶段，分为如下两部分讲述。

5.1 气蚀的设计预防

设计过程中的预防分成两块，产品设计阶段和模具设计阶段，这两个阶段相互关联。在产品设计阶段，除了规避产品尖端结构，还应尽量减少无通孔深腔柱位、筯位、挂台位等结构（见图11），在类似结构无法规避时，穴腔深端表面就不宜规定成精密原生铸面，为后续模具上对端面的分体成型创造条件。后期模具设计中，针对这些部位，在模具上优先排布溢流井（见图12）、逃气道、顶针、盲孔镶针、平头镶件等。在压铸过程中高低压交变时，这些分体配件间的细小间隙可以极大地补偿压差。此外，设计产品时尽量减少料流填充方向上的转角、死角、夹心区，并在模具设计时调整浇口位置及方向，增加排溢通道等，能预先规避气蚀聚集密闭区域，降低乃至消灭气蚀滋生场所。

特别要提到真空溢流道的设计，很多设计者为了加工工艺简化和所谓的排布美观，将真空流道设计成直线加90°转角通道，并在转角处加上一段缓冲回料区，如图13中的三个标注区域，这个缓冲回料区绝对是气蚀高发区，也是导致真空流道粘模，造成自动压铸单元停机的祸害之一，要从结构上根本改善如图14中的标注区域。

5.2 气蚀缺陷的后期改善

在产品先期策划及设计过程中的相关预防，不一定能彻底地杜绝气蚀。当气蚀麻点、结渣、腐蚀空洞已经形成，为了避免粘模，拉伤拉断，缺料等，就必须对这些区域进行必要的修复，修复工作宜早、宜勤、宜彻底，因为气蚀发生慢而发展快。发现初生的气蚀麻点，马上处理，用油石推平模面，涂抺防护油膏，并在后期生产中密切监控其滋生发展。对于已经结渣的部位，要用橡胶打磨头仔细清除细渣，用油石推平模面，涂抺防护油膏，切忌直接用砂质磨头打磨，以免划伤型腔致密表面为气蚀提供便利。必要时，这些部位可增加涂覆焊等表层防护措施。经验表明，表面涂覆焊可以将气蚀发生延迟大约9000至15000模次，且可削弱气蚀程度。对于已经产生腐蚀空洞的部位，在清理结渣后，在空洞处铣挖切削，彻底去除孔穴及松疏部位，然后氩弧焊填补、磨平、抛光，再作好相应的防护处理。虽然气蚀常常不经意造成麻烦，但具有成型周期较长，前期危害较小的特点，压铸从业者要勤监控，早预防，一治到位，力争将其负面损害降到最低点。

6、结 论

通过研究与实践，可以得出以下结论：

1）局部密闭空间高低压交变引起的气泡空化，是造成模具气蚀的根本原因；

2）气蚀发生和发展隐蔽性强，成长性高，忽视就会导致模具型腔损害；

3）选择正确的产品和模具设计方案，可以减弱和消除气蚀隐患；

4）气蚀的后期修复改善，宜早，宜勤，宜彻底。