2015--铝合金压铸件中常见缺陷实例分析

第十届中国国际压铸会议论文集 1 铝合金压铸件中常见缺陷实例分析张露，邓凌曲（南京泉峰汽车精密技术有限公司，江苏南京211100）摘要：通过使用金相显微镜、扫描电子显微镜等，分析了铝合金压铸件中常出现的气孔、缩孔和缩松以及夹杂等缺陷。同时，提供大量缺陷的实例图片，对于实际生产有很强的实用性。关键词：气孔缩孔和缩松夹杂CaseStudyonCommonDefectsinAluminumAlloyDie-castingsZhanglu,Denglingqu(NanjingchevronautoprecisiontechnologyCo.,Ltd.Nanjing21100)Abstract:Commondefectsinaluminumalloydie-castings,suchasgashole,shrinkageporeandporosity,andinclusionwereanalyzedbyOpticalMicroscope,andSEM.Meanwhile,lotsofpicturesondefectswouldbeveryeffectiveforthepracticalproduction.Keywords:gasholeshrinkageporeandporosityinclusion 在铝合金压铸件的实际生产中，会伴随多种缺陷，常见的有气孔、针孔、裂纹、缩孔、疏松、变形、冷隔、浇不足等。前人对各种缺陷种类及形成机理已经有详尽的论述，但是缺乏实际缺陷案例的说明。本文就是结合实际生产，列举并分析多个铸件常见的缺陷，具有很强的实用性。1气孔1）卷气气孔压力铸造是指液态或半液态的金属，在高的压力作用下，以高的充型速度在短时间内凝固成型的加工过程。如果压铸模具浇铸系统结构设计不合理，或是压射过程中湍流运动剧烈，这就会不可避免的产生卷气，并导致卷气气孔的产生[1]。例如下面的实例：材料为ADC12的铝合金压铸件，通过X射线探伤发现存在孔洞类缺陷，沿缺陷剖开经抛光后发现气孔存在的区域与周围材质存在明显分界（便于观察已用黑色笔标出）如图1a。在金相显微镜下观察，分界线两侧区域1和2显微组织明显不同如图1b。区域1处，如图1c，α-Al枝晶细小为蔷薇状，同时针状共晶硅极为细小，整体呈现激冷特征。而区域2处，如图1d，α-Al为正常的树枝晶状态，共晶硅为长条针状，呈现一般的铸造状态。对区域1内气孔进行扫描电镜微观分析，如图1e，内壁较为光滑，只有枝晶头突出，而底部箭头所指区域，如图1f，该处内壁则极为光滑，更加确认了其为卷气气孔的形态。卷气气孔的出现主要还是与模具设计不合理，压铸工艺参数设置不当有关。第十届中国国际压铸会议论文集 2 图1a宏观缺陷图1b微观金相图片 图1c区域1处金相图片图1d区域2处金相图片 图1e气孔微观形貌图1f箭头所指内部形貌2）析出性气孔由于铝合金具有严重的氧化和吸气倾向，熔炼过程中又直接与炉气或外界大气相接触，因此，如果熔炼过程中控制稍许不当，铝合金就很容易吸收气体，而这些气体中以氢气为主。当铝合金冷却的时候，因氢在铝液中溶解度的下降氢气不断析出。如果合金熔化温度越高，熔化时间和熔化后铝液保持时间越长，则铝液吸氢量就越大，氢在铝液中扩散就越充分，出现析出气孔的几率也就越大[2]。如图2a，材料为AlSi9Cu3的压铸件，这些析出性气孔往往密密麻麻的弥散出现在厚壁部位；经扫描电镜观察断面发现，如图2b，气孔内部并非十分光滑，无法看到孔底，孔内曲折呈现不规则形态。第十届中国国际压铸会议论文集 3 图2a厚壁的中心截面图2b断面气孔形貌2缩孔、缩松缩孔和缩松同属孔洞类缺陷，都是铝合金在凝固过程中由于体积收缩得不到充分补缩而形成的。由于合金的液态收缩和凝固收缩，缩孔一般发生在铸件最后凝固的部位，形成管状或枝叉状孔洞，面积较大。低倍下可见，金相中有时也可见到缩孔及缩孔导致的共晶偏析。缩松一般存在就枝晶间细小而分散的孔洞，造成铸件内部组织不致密。压铸件大部分是薄壁件，但也存在局部相对厚大的地方，而这种壁厚的地方往往是最后凝固的区域[3]。如图3a某铝硅合金缩孔，缩孔面积较大，低倍下可见；图3b某铝硅合金缩松，缩松多分散在枝晶间；图3c为缩孔内部枝晶形貌；图3d为某铝硅合金铸件断口上缩松形貌；在铸件中存在任何形态的缩孔，都会由于它们减小受力的有效面积，以及在缩孔处产生应力集中现象，而使铸件的机械性能显著降低。由于缩孔的存在，还降低铸件的气密性和物理化学性能。因此，缩孔是铸件的重要缺陷之一，必须设法消除。  图3a某亚共晶铝硅合金缩孔图3b某亚共晶铝硅合金缩松图3c缩孔内部的枝晶形貌图3d铸件断口上缩松第十届中国国际压铸会议论文集 4 3夹杂1）氧化膜夹杂铝液中的非金属夹杂主要是氧化夹杂物, 它一部分来源于炉料, 而大部分则是在熔化和浇铸过程中形成的。根据夹杂物在熔铸过程中形成的时间, 可分为一次氧化夹杂物和二次氧化夹杂物。 通常将铝液在浇铸前的熔炼过程中所形成的氧化夹杂物称为一次氧化夹杂物.二次氧化夹杂物是在浇铸、充型过程中形成的[4]。JohnCampbell[5]将这种氧化膜定义为Bifilm，其来源主要有两种，一是充型过程中金属液的紊流运动导致氧化膜卷入，另一种是液体表面收缩，氧化膜随同收缩而卷入。图4a是某过共晶铝硅合金内部缺陷，这就是第一种由于铝液紊流运动导致的氧化膜夹杂，形态弯曲折叠，其中还伴随着气孔。图4b是扫描电镜下断口处氧化膜夹杂，如箭头所示。氧化膜夹杂在机械加工表面出现往往疑似裂纹形态，经过高速切削造成部分剥落，产品直接报废。     图4a金相显微镜下氧化膜夹杂图4bSEM下观察氧化膜2）氧化物夹杂    某铝合金压铸件在机加工时偶尔会在浇口附近发现黑色夹杂，如图5a。金相观察，如图5b，黑色夹杂不规则，有块状也有紊乱的条带；经扫描电镜观察，如图5c和图5d，选取三处进行能谱分析，将所得数据汇集表1中。图5c中红色箭头所指区域，可能的物质为CaF2，该物质常常用在铝合金熔炼净化过程中，用以精炼除渣。该处测得表明在除渣过程中，残余CaF2留在铝液里并在压铸过程中混入产品。图5c中黄色箭头所指区域可能的物质是Al2O3·MgO形成的复杂氧化物，图5d中，绿色箭头所指区域，可能的物质是Al2O3这些主要是在熔炼过程中，铝液与空气接触形成的氧化物，后期也没有去除干净而混入产品。在文献[6,7]中也有相关的氧化物夹杂的论述，这些夹杂物主要是由于铝液精炼过程中除渣不彻底所致，同时夹杂物硬度常常远高于基体硬度，成为切削过程中的硬质点，导致刀具磨损甚至崩刃，所以加强熔炼净化对产品质量尤为重要。 图5a 黑色夹杂宏观形貌                  图5b金相显微镜下观察夹杂 第十届中国国际压铸会议论文集 5 图5c在SEM下观察图5d在SEM下观察表1三处位置的能谱分析OAlMgCaF可能的物质红色箭头-01.18-51.8646.96CaF2 黄色箭头25.8057.4016.80--Al2O3·MgO绿色箭头46.96 53.04---Al2O33）破碎激冷层夹杂浇注到压室内的金属液受到压室壁面及冲头端面的激冷作用，其温度急剧下降，形成一层 薄的凝固层。压射时被冲头剥离、破碎产生了破碎激冷层，并卷入金属液中，从而在压铸件中形成了破碎激冷层，宏观观察破碎激冷层比正常组织更致密、更光亮, 多呈片状，如图6a和6b。破碎激冷层，尤其是大片状的破碎激冷层，如果存在于零件的受力部位，往往导致沿着破碎激冷层与基体的分界面发生断裂。          图6a铸件中夹杂着破碎激冷层      图6b破碎激冷层（上）与基体有明显分界 4结论    卷气气孔、缩孔和缩松以及夹杂是铝合金压铸件中常见的缺陷。结合金相显微镜、扫描电子显微镜以及能谱分析等方法可以较为准确的判定这些缺陷类型，为解决实际生产中遇到的压铸缺陷指明方向。  参考文献：[1]张士林,任颂赞.简明铝合金手册[M].2006.上海科学技术文献出版社[2]王金太,金吉琰.铝合金压铸件中的气孔分析[J].铸造技术.2008,1:134-136[3]唐剑,王德满,刘静安等.铝合金熔炼与铸造技术[M].2009.冶金工业出版社[4]毕娟娟,廖恒成,潘冶等.铸造铝合金中氧化夹杂物的研究进展[J].铸造,2009,58（12）：1224-1228第十届中国国际压铸会议论文集 6 [5]JohnCampbell.Castings[M].2003[6]张晓妍,于兴芝.ZL111铝合金压铸件硬质点缺陷分析[J].特种铸造及有色合金.2009,29(1):30-31[7]金吉琰,王金太.铝合金压铸件加工面硬质点的判定[J].铸造技术,2007,28（12）:1612-1613