摘 要 研究了固定夹的生产工艺过程 ， 提出了模具温度对固定夹凝固结晶的影响 ； 给出了固定夹工艺参数的控制结果 。 认为挤压铸造工艺替代低压铸造或重力铸造工艺生产固定夹 ， 不论在产品品质还是在生产效率方面都具有明显优势 。 生 产固定夹模具工作温度控制在 １８０～２６０℃ 的范围最为理想 ； 当充型速度从 １４５ｍｍ／ ｓ 降至 ７０ｍｍ／ ｓ，在同样 Ｔ６ 热处理后 ， 铸件表面气泡率小于 ５％。
随着挤压铸造 （ 液态模锻 ） 技术的不断完善 ， 现已 广泛用于汽车 、 航空 、 通讯等领域 ， 尤其在汽车轻量 化方面 ， 采用具有较高力学性能指标的铝合金挤压铸造 件替代传统的球铁 、 蠕墨铸铁件等是其发展方向 。 由于 挤压铸造可实现少无切削加工 、 缩短产品生产周期 、 能 制造用传统方法难以制造的复杂工件 ， 从而可减轻汽 车的结构质量 、 提高结构性能 ， 改变传统压铸件成品率 低 、 缺陷多的现状 ， 适应大批量生产要求 ； 铸件可以进 行固溶及时效处理 ， 其力学性能明显高于其他普通铸 件 ， 甚至接近同种合金的锻件水平 。
现有 ＨＶＳＣ－３５０ＰＬ 型卧式挤压铸造机 ， 在模具结 构上设计有较大的料柄和浇道系统 （ 约占浇注料重的 １／ ２～２／ ３） ， 外加一个机械压力 （ 为 ８０～１３０ＭＰａ） ， 使得 铸件在整个凝固过程中处在高压下成形 ， 对制件厚壁处 形成连续的补缩作用 ， 所以挤压铸造件组织致密 ， 晶粒 细化 ； 一般无气孔 、 缩松等缺陷 ， 所得铸件综合性能较高。
１ 固定夹铸件结构及技术要求
图 １ 是某固定夹挤压铸件 ， 材料成分见表 １。
２ 固定夹生产工艺过程
影响挤压铸件质量的因数较多 ， 主要有模具 、 铝合金的熔炼工艺 、 挤压机设备性能和挤压工艺参数设置等 。 在工艺参数中又包括压力 、 速度 、 时间和温度 。 压力包含 充型时压力和充型后的加压保压压力 ， 时间参数包括开 始加压时间和保压时间 ， 加压速度是指不同阶段的充填 速度 ， 温度参数包括铝液浇注温度和模具温度 。
２．１ 模拟分析
为了了解固定夹成形时的状态 ， 在开始模具设计 时 ， 充分利用 Ｍａｇｍａ 模拟软件对固定夹进行充型时流 场和温度场分析 ， 以观察其充填状态和凝固状态 ， 从而 判断制件可能产生缺陷的部位 。 表 ２ 为挤压模拟用参数 。 图 ２ 为充型状态分析 ， 图 ３ 为成形凝固分析 。 给出 的这两种分析结果 ， 为模具的浇注系统和溢流系统设计 以及挤压铸造工艺参数确定提供了依据 。
从图 ２ 可知 ， 铸件在成形过程中 ， 液流充填过程较 为顺畅 ， 局部存在卷气现象 ， 但通过开设溢流和排气槽 ， 充填效果得到了改善 。 图 ３ 为铸件凝固状态分布 。 由 图 ３ 可知 ， 铸件基本实现了顺序凝固 。
２．２ 合金熔炼及热处理工艺
铝合金熔炼 、 除气是在 ４００ｋｇ 坩埚炉内进行 ， 在对铝液进行化学成分 、 测氢 、Ｋ 模检测合格后 ， 将铝液温度 控制在 （７ ００ ±１０） ℃ 范围内 ， 挤压铸造参数参照模拟 用参数进行试模 、 修正 ， 铸件在经 Ｘ 射线抽样检验 、 内 部品质均符合要求时 ， 固定挤压铸造设备工艺参数以进 行稳定生产作业 ； 再经 （５ １０ ±５） ℃ 固溶 ＋ （ １６０±５） ℃ 人工时效处理 ， 最后进行了该产品材质的各项物理性 能测试和负载试验 。
２．３ 力学性能测试结果
经测试 ， 铸件的各项指标均符合要求 （ 见图 ４） ， 尤 其是负荷试验 （ 即图 １ 中的 Ａ 方式 ）， 每次测得的负荷 值均在 ７５０Ｎ，最高可达 １ ０００Ｎ，比 设计要求的 ３６０Ｎ 高出 １ 倍以上 。
在弯曲扭力试验 （ 即图 １ 中 Ｂ 方式 ） 时 ， 其结果却不 理想 ， 扭力达到 １２０Ｎ· ｍ 以上的 ， 仅 ７０％ 左右 ， 没能完 全达到客户要求 的指标 ， 剩 下铸件的扭力在 ７０ ～１１０ Ｎ· ｍ 之间 ， 断口从插槽内圆弧处或左侧或右侧往工件中 心成约 ４５° 角延伸 （ 见图 ５，固定夹弯曲破坏断口位置 ）。
２．４ 断口状态及金相组织分析
图 ６ 是固定夹断口截面的宏观形貌和金相试样 ， 固 定夹中间 ３ 条 筋 板 的 厚 度 为 ６ ｍｍ，腹 板 的 厚 度 为 ３ ｍｍ，由于筋板与腹板的交叉位置为热节点 ， 其热节圆 约为 ８ｍｍ，远远大于作为补缩通道的腹板厚度 。 在凝 固结晶时 ， 铝液很难通过 ３ｍｍ 腹板对热节部位进行补 缩 ， 易产生缩松缺陷 。Ｂ （Ｂ １ 、Ｂ ２ ）、Ｃ （Ｃ １ 、Ｃ ２ ） 节点缩松 较明显 ； 通过对 Ｄ（ Ｄ １ 、Ｄ ２ ） 点至浇口位置的腹板加厚 １．５ｍｍ 修模处理后 ，Ｄ （Ｄ １ 、Ｄ ２ ） 点位置因距内浇口较 近 ， 其缩松状况得到明显改善 ， 宏观断口已看不到缩松 ， Ｂ（ Ｂ１、 Ｂ２） 、Ｃ （Ｃ １ 、Ｃ ２ ） 节点距离相对较远 ， 缩松状况改 善不明显 。
由图 ６ａ 可以看出 ， 当扭力为 ７０～１１０Ｎ· ｍ 时 ， 在 铸造热节部位 （Ｂ 、Ｃ 点位 ） 缩松较明显 ， 缩松组织呈三 角状态分布 ， 面积较大 ， 一直扩散到铸件外表面上 ， 铸件 热节部位外表面形如橘皮 ， 存在灼伤 、 热裂等缺陷 。
由图 ６ｂ 可以 看出 ， 当扭力为 １２０ Ｎ· ｍ 时 ， 断口 （Ｂ １ 、Ｃ １ 节点部位 ） 虽然仍存在缩松 ， 但是 ， 缩松的大小 、 分布状态与扭力小于 １２０Ｎ· ｍ 的断口明显不同 ， 其缩 松组织分布小 、 集中 ， 热节部位铸件 外表面光滑 ， 无灼 伤 、 热裂等缺陷 。 但是显微镜下观察 Ａ（ Ａ １ 、Ａ ２ ）、Ｂ （Ｂ １ 、 Ｂ ２ ）、Ｃ （Ｃ １ 、Ｃ ２ ）、Ｄ （Ｄ １ 、Ｄ ２ ） 部位均存在缩松 ， 但是缩松 的形态 、 数量不一样 ， 见图 ７。
由于 Ｂ、 Ｃ 节点部位的缩松已延伸到腹板外表面上 （ 见 图 ６ａ） ， 在外力作用下 ， 缩松部位就是裂纹源 ， 这就导致弯 曲扭力试验中扭力值不稳定 ， 无规律可寻的重要原因 。
３ 模具温度对固定夹结晶凝固的影响
为了保证铸件顺序凝固 ， 必须针对热节部位进行强 冷处理或对薄壁位置加装保温措施 ； 在挤压铸造工艺生 产中 ， 对铸件热节部位的工艺处理和控制也是至关重要 的一个环节 。 模具温度的高低不仅影响铸件品质 ， 而且 危及模具使用寿命 。 要想消除热节对铸件凝固结晶过 程中的不良作用和影响 ， 必须从优化模具冷却系统 、 合 理控制模具的温度着手 （ 见图 ８） 。
由于现行的模具结构 ， 包括模具的水冷系统已定 型 ， 很难再对其作大的水冷结构改造 ， 只能依赖模具从 冷模状态到热模状态的模具温度变化为着手 。 模具试制过程时间为一个台班 ， 分 ４ 个时间段 ， 对模具的温度 进行测试跟踪 ， 采用的测温设备为 Ｇ１００ＥＸＤ 红外线热 成像仪 。 图 ８ 为 ４ 段模具温度情况 ， 在每次的测温点处 开始取样 １０ 件 ； 第一次检测 ， 取样 １０ 件 ， 后每间隔 ２ｈ 测量模具温度一次 ， 取样 １０ 件 ， 到一个台班挤压作业为 止 ， 共取样 ４０ 件 ； 经除渣包 、 切料柄 、 除飞边毛刺等清理 工序加工后装框进入连续式热处理炉作 Ｔ６ 工艺处理 。 表 ３ 是固定夹的挤压铸造工艺规范 ； 表 ４ 是固定夹的热 处理工艺规范 ； 表 ５ 是上述试验 ４０ 件固定夹 Ｔ６ 热处 理后扭力性能的合格情况 。
从试验过程可以看出 ， 在模具上机生产开始时 ， 模 具仅表面温度上升 ， 内部较低 ， 模具有足够过冷度可以 施加于铸件上 ， 结晶凝固时铸件内部不会产生缩松或缩 松数量少 、 质点小 、 弥散性好 ； 随着生产继续 ， 模具蓄热 量增多 ， 模具温度继续升高 ， 模具温度上到一定值以后 ， 在铸件结晶凝固时模具施加到铸件上过冷作用变小 ， 在 铸件有热节部位就会出现缩松 。 模具温度越高 ， 对铸件 上过冷作用就越小 ， 铸件产生的缩松就越多 ， 体积增大 ， 弥散度变差 。 第一次模具测温时 １０ 件固定夹 ， 即 “ 冷 模状态 ” 取样 ， 铸件扭力性能测试值合格率在 ９０％，随 着模具温度升高 ， 铸件扭力性能测试值的合格率不断降 低 。 当模具温度升高到一定值 ， 吸热和散热达到平衡 ， 反应到铸件扭力性能测试值的合格率趋向一个常数 ， 即 第 ２～４ 次模具测温时 ，１ ０ 件固定夹铸件的扭力性能测 试值的合格率均为 ７０％ 的原因 。
图 ９ 为模具温度曲线 。 模具抽芯件的测温值为阴 面照射成像数据 ， 其阳面 （ 与制件接触的一面 ） 因贴近动 模面 ， 空间窄小 ， 无法取得成像数据 ， 实际 数值应高出 ５０ ℃ 以上 。
对模具温度合理控制 ， 在挤压铸造生产中具有重要 作用 ， 在针对固定夹的挤压铸造过程中 ， 一旦模具工 作温度超过 ３００℃ 以上 ， 铸件的质量合格率将大幅度下 降 。 要想提高铸件的最终合格率 ， 必须从降低模具的工作温度入手 ， 优化模具内部的水冷降温系统 ， 现行的模 具结构无法实现 ， 只能在备模中进行考虑 ； 采用强化目 前惯用喷雾降低模具温度的方法实现降低模温工作温 度 ， 把之前的喷雾降模温操作的先动模喷雾降温 ２０ｓ 加再定模喷雾降温 ２０ｓ，修改为先动模喷雾降温 ２０ｓ、 再定模喷雾降温 ２０ｓ、最后再追加动模喷雾降温 １０～ ２０ｓ，延长喷雾冷却降温时间 ， 并将生产节拍延长 ４０ｓ， 从而使动模模温降低到 １５０～１８０ ℃，定 模模温降低到 １３０ ～１６０ ℃，让 模具合模压铸生产后的工作温度控制 在 １８０～２７０ ℃ 的范围内 。
４ 固定夹工艺参数的综合控制
４．１ 铝液浇注温度控制
铝液浇注温度过高或过低都对合金成形有明显影 响 ， 理想的浇注温度是铝液能够充满模具型腔的最低温 度 。 浇注温度选用 ６９０～７１０ ℃ 时较合适 。
４．２ 加压开始时间控制
加压开始时间对于加压效果有很大的影响 。 因为 铝液注入型腔后 ， 由于表面张力的作用 ， 会在定 （ 凹 ） 模 的表面铺填成壳 ， 然后回流至充填补满整个铸型 、 集渣 包 、 排气槽等 ， 若加压 不 及 时 ， 易 造 成 冷 隔 层 ， 产 生 欠 铸 、 组织不致密等缺陷 。 因此 ， 一旦铝液注满型腔 ， 加压 时间愈早 ， 铸件结晶组织的致密性越好 ， 伸长率和抗拉 强度愈高 ， 一般情况下加压开始时间不应超过 ５ｓ。
４．３ 加压速度控制
固定夹原加压充型速度为 １４５ ｍｍ／ ｓ，铸件在 Ｔ６ 热处理后 ， 其表面气泡达 ３０％ ～４０％，本 次 试 验 生 产 中 ， 充型速度降至为 ７０ｍｍ／ ｓ，在同样 Ｔ６ 热处理工艺 处理后 ， 表面气泡率在 ５％ 以下 。
在 挤 压 铸 造 生 产 中 ， 铝 液 进 入 内 浇 道 之 前 采 用 １００～１５０ ｍｍ／ ｓ 的 速 度 ， 充 型 后 变 慢 速 挤 压 ， 速 度 为 ４０～７０ｍｍ／ ｓ，直至在保压压力下结晶凝固 ， 才能提高 铸件的综合合格率 。
４．４ 加压压力控制
加压的主要作用是消除材料的缩松和气孔及提高 其力学性能 。 压力大小对铸件的力学性能 、 铸造缺陷 、 组织 、 偏析 、 熔点及相平衡等都有直接影响 。 压力大小的选择取决于合金的种类 、 铸件和模具结构 、 设备能力 等因素 。 比压过小 ， 铸件表面与内在 品质都会产生不 良 ， 比压过大 ， 容易损坏模具和产生安全隐患 。 一般情 况下主要是参考设备能力来确定 ： 为 ８０～１３０ ＭＰａ。
４．５ 保压时间控制
压力保持时间主要取决于铸件厚度 ， 在保证成形 、 凝固结晶条件下 ， 保压时间以短为好 。 但保压时间过 短 ， 铸件热节处 、 内浇口接合部位等未完全凝固就卸压 ， 会使热节处产生缩松 、 缩孔 、 裂纹等缺陷 ； 保压时间过 长 ， 则铸件温度低收缩应力增大 ， 脱型因难 ， 易造成铸件 易变形 ， 影响出品率 、 降低生产效率 ， 同时也缩短模具寿 命 。 在加压压力小时 ， 铸件的强度 、 塑性指标均随保压 时间的延长而增加 ， 在加压压力大时 ， 强度指标下降 ， 塑 性指标增大 。 固定夹挤压铸造的保压时间选用 １５ｓ 左 右 。
４．６ 热处理工艺参数确定
决定挤压铸造件的热处理工艺主要有 ３ 个方面 ， 即 铸件的合金材质 、 制件的最大壁厚和制件在挤压铸造时 的加压速度 ； 固溶处理温度对铸件的力学性能影响很 大 。 固溶处理时温度是由铸件的合金材质所决定的 ， 温 度越高 ， 强化元素溶解速度越快 ， 数量就越多 ， 强化效果 越好 。 温度过高 ， 会发生铸件过烧现象 ， 固溶处理应略 低于合金的过烧温度 ， 低 ２５～３０℃ 为宜 ； 根据以往的试 验结果 ： 该改良 ３５４ 铝合金固溶处理温度为 ５３５℃ 时发 生轻微过烧 （ 出现复熔球 ），５ ４５ ℃ 时严重过烧 （ 出现三 角晶界 ）， 所以设定固溶处理温度为 （５ １５ ±５） ℃。
５ 结 论
（１ ） 挤压铸造工艺替代低压铸造或重力铸造工艺生 产固定夹制件产品不论在产品品质还是在生产效率方 面都具有明显优势 ， 力学性能得到大幅度提高 。
（２ ） 优化模具结构设计 、 合理控制挤压铸造模具温 度 ， 是确保制造高品质挤压铸造件的先决条件 ， 固定夹 动模模温控制在 １５０～１８０ ℃，定 模温度控制在 １３０～ １６０ ℃，模具工作温度控制在 １８０～２７０ ℃ 的范围 ， 最 为理想 。
（３ ） 固定夹原加压充型速度为 １４５ ｍｍ／ ｓ，铸件在 Ｔ６ 热处理后 ， 其表面气泡在 ３０％ ～４０％，本 次试验生 产中 ， 充型速度降至为 ７０ｍｍ／ ｓ，同样在 Ｔ６ 热处理后 ， 表面鼓泡现象明显减少 ， 减小到 ５％ 以下 ， 不但数量减 少 ， 而且气泡的尺寸也变小 （ 在 ２ｍｍ 以内 ）， 使铸件表 面品质从根本上得到改善 。