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​压铸过程中模具气蚀的分析及改善
发布时间:2022年03月16日 10:01



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。