挤压铸造原理及缺陷分析

挤压铸造技术与传统金属型重力铸造相比区别较大，对于某些铸件的生产有独特优势，然而实际生产中出现的一些铸造缺陷，成因也不同于传统铸造，本文试图从原理和生产实际出发，分析挤压铸造的原理和流程参数，及其铸造常见缺陷，利用技术上的经验和实践提出改进方法，已达到推进该项铸造技术的推广，减少损失。
挤压铸造原理及特点
1.1.基本原理
挤压铸造又可称为液态模锻，是将金属或合金升温至熔融态，不加处理注入到敞口模具中，立即闭合模具，让液态金属充分流动以充填模具，初步到达制件外部形状，随后施以高压，使温度下降已凝固的外部金属产生塑性变形，而内部的未凝固金属承受等静压，同步发生高压凝固，最后获得制件或毛坯的方法。由于高压凝固和塑性变形同时存在，制件无缩孔、缩松等缺陷，组织细密，力学性能高于铸造方法，接近或相当锻造方法；无需冒口补缩和最后清理，因而液态金属或合金利用率高，工序简化，为一具有潜在应用前景的新型金属加工工艺。
1.2.挤压铸造的特点
挤压铸造的工艺对铸造设备有特殊的要求，并且目前只对部分铸件有较好的效果。首先，挤压铸造设备，需要提供低速但流量较大的液态金属填充能力，速度约为0.5~3m/s，流量可达1~5kg/s，这样熔融态金属才能平稳地将铸型内气体排出，并填充铸型，随后铸型填满的瞬间（50ms~150ms），应能将铸型内铸造比压提升到60~100MPa，这样合金便能在高压下凝固成型。由于前述的低速大流量，且挤压铸造内浇道有冒口补缩的作用，内浇道口径较大，且位于铸件最肥厚的部位。
由于上述特点，挤压铸造适合厚壁铸件（10~50mm），但铸件尺寸不宜太大（小于200mm）。与压铸相同，挤压铸造只可使用脱模剂，不适用保温涂料，故而金属凝固速度极快，达到300~400摄氏度/s，与金属型重力铸造冷却速度相比，达到了其3~5倍，伸长率高于其他铸造方法约2~3倍。
挤压铸造的生产工艺流程
以直径190系列的铝活塞为例，介绍挤压铸造的工艺流程，挤压铸造借鉴于压力铸造和模锻工艺，其大体工艺流程为把液态金属直接浇入金属模内。然后在一定时间内以一定的压力作用于熔融的金属液体使之成形。并在此压力下结晶和塑性流动。从而获得铸件。在315t的液压机上生产铝活塞的具体流程是：首先将铝加热到700~720摄氏度，形成铝液，倒入凹模中，进行扒渣得到相对纯净的铝液，液压机上缸下行，上压头对铝液加压，主缸的峰值加压压力达到280t，上压力加压至最大表压力22MPa起，到上压头起模止，维持保压时间在350秒，保压结束后开模，用底缸将铸件顶出即可。整体上可分为四个步骤，模具准备，浇注，合模加压，开模出件。
具体的铸造过程，注意的参数如下：
顶缸上升速度和金属流速；对铸造机而言，顶缸上升速度应该是丰富可调的，而金属流速须由铸件壁厚和尺寸决定，以不产生湍流，平稳填充铸型为原则，铸件的壁厚越大，尺寸越小，则流速较小，壁厚越小，尺寸越大，则流速较大。
挤压机顶缸上升顶力和瞬间及时增压速度；当前我国普遍装备的油顶机顶缸顶力足够满足挤压铸造的需求。瞬间及时增压速度是较为重要的参数，在合金液刚刚充满铸型之初，铸造比压极小，在50ms~150ms内，下顶缸顶力上升到额定顶力，以保证高比压下合金液凝固成型。
挤压铸造缺陷分析
以铝活塞为例，介绍常见的挤压铸造的缺陷分析和解决措施。
3.1.气孔
气孔的出现一般是由于最初的铝液中气体含量较高，或者浇注过程中侵入了气体，因此气孔可分为析出性气孔和侵入性气孔。具体的应对措施由其形成原因入手。析出性气孔的减少，主要需要对铝液的精炼处理进行强化，得到含气量低的铝液。侵入性气孔则涉及更多的流程，首先熔融态合金注入模具的速度要平稳，不超过0.08m/s，避免产生涡流卷入气体，并且充分排出铸模中的气体，速度太低也可能造成金属凝固而没有充满铸模，这需要由上压头加压速度来控制，一般厚壁铸件需控制住0.03~0.06m/s，而壁薄的铸件则速度稍高，控制在0.05~0.08m/s。
3.2.缩松和缩孔
缩松和缩孔会伴随着气孔产生，通常会出现在活塞最后凝固的区域，上压头下行至型腔封闭时，铝液存在向上的反向流动，而挤压铸造不能设置冒口补缩，故只能将未凝固的铝液挤入活塞销座和头部热节处，实现补缩，这有赖于上压头的压力对铸件进行压缩，而压力不足会导致补缩效果不明显，活塞稍座和头部可能出现缩孔和缩松。
对于该问题，首先是对上压头的压力进行合理选取，依据合金类型和铸件外形因素设置压力。上压头的最低压力值需在80MPa以上，而最高不宜超过120MPa，在该范围内逐步提高压力值以减少缩松和缩孔，其次，一定的保压时间也是消除缩松和缩孔所需条件，持续的保压中，确保金属能够全部冷却凝固，不发生卸压后仍有液态金属继续凝固产生缩孔缩松，同时，过长的保压时间会导致模具温度升高，且脱模困难，不利于模具的寿命，经过验证，保压时间在150s~350s内，铸件质量较好，该时间由铸件最大壁厚来大致估计。
3.3.氧化夹杂
挤压铸造中，不设置浇冒口，也很少设置集渣包，排渣系统不足，但铝液在熔炼和浇注中，不断产生氧化夹杂，在形成铸件后，氧化夹杂融入其中，导致外圆氧化夹杂的缺陷。
对于氧化夹杂问题，首先铝合金的融化过程，温度精确控制在700~720摄氏度，使渣浮起，除尽铝液内氧化渣，并且坩埚和浇勺也清理干净，浇注之时，避免直接通过漏斗直浇道，可使用孔眼直径在1mm左右的过滤网以便滤去氧化渣和溶剂渣。加压之前，进行一个快速的扒渣，由模壁向中心，从中心剔除残渣，而在压制之前，不得有冷隔金属参与挤压铸造过程。

挤压铸造是一项优质高效的生产工艺，如果各工艺环节控制得当，可以产生质量较好的铸件，然而在实际生产中，却因为种种原因产生缺陷，给厂家和使用者带来损失，本文对缺陷原因从技术上进行了分析，从生产流程上提出了应对措施，结合实际情况，使挤压铸造技术更好地用于生产。