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高壓壓鑄模具的空蝕

2021-04-27 16:59:05

空蝕(Cavitation)也稱為氣蝕。其較常見于運動的流體與氣體之間相互作用在流體中形成負壓力(拔空的孔洞)的氣泡。當負壓力的氣泡在運動或流動的過程中遇到固體的表面時,氣泡湮滅釋放巨大的爆破能量使得固體的表面形成凹孔。這種現象常見于在海水中使用的葉片,其表面由于水與旋動空氣交互作用形成負壓的氣泡,其在葉片表面湮滅形成空蝕的凹坑,即通常講的“麻點”。

在鋁合金高壓壓鑄的生產過程中,空蝕也會發生。對于壓鑄制作的鋁合金外觀部件產品,如通訊類產品,有時模具的表面在生產幾百件或幾千件產品后形成凹陷的坑(也稱“麻點”)這也是由于空蝕所導致。相應的在鋁合金零件表面會產生凸出的麻點,其宏觀形態如圖1所示。

圖1 “空蝕”導致在鋁合金壓鑄件表面形成的外凸麻點

需要指出的是:在鋁合金壓鑄件表面形成的“麻點”,除了”空蝕”原因外,還有其他原因會導致,如:模具表面放電加工后打磨不徹底、或模具表面過于光亮,使得脫模劑無法在模具表面形成良好的保護膜,導致在模具表面出現點狀的溶蝕與粘?,F象。但是“空蝕”在模具表面產生的麻點與此類缺陷有形態上的不同,需要有足夠的經驗進行正確的判斷。

一.鋁合金壓鑄中空蝕產生的原因

鋁合金壓鑄是把液態的鋁合金,由沖頭高速推射到模具的整個型腔內,獲得所需產品。鋁液在流動過程中,需要經過澆道到達內澆口再噴射到模具型腔內。模具的澆道是鋁液流動的必經路徑。設計的原則是澆道的橫截面積應當處于收縮狀態, 這樣鋁液在流動過程中,可以將澆道內的空氣排向鋁液的前端。

空蝕產生的主要原因是模具設計時違背了以上的設計原則。在鋁合金液體流動所經過的澆道路徑上,澆道的橫截面積有膨脹現象。當鋁液經流膨脹的內澆道時會有體積的膨脹以及壓力的突然下降,導致鋁液中形成負壓力(或拔空)的空穴。壓射增壓時,空穴在澆道以及模具型腔內部破滅,。破滅時,形成內爆破,能夠產生巨大的能量。生產產品時,持續的多次內爆破導致金屬模具或澆道的表面產生疲勞變形,形成肉眼可見的凹坑。相應的在鑄件產品表面形成凸出的麻點。如圖1與圖2 所示。

圖2 空蝕導致在鑄件以及澆道形成凸出的“麻點”

二. 空蝕在模具表面上的形態

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圖3.是模具表面在生產了300件產品后,產生的局部空蝕的掃描電子顯微鏡照片??梢钥吹剑耗>叩谋砻姹讳X合金液體中的負壓氣泡在破滅時,由于反復地向內爆破使得金屬模具表面形成疲勞變形。負壓的氣泡湮滅時所釋放的能量破壞了模具的表面,在模具的表面形成爆破后的凹孔。圖4 是模具在持續生產后空蝕嚴重時,所導致的模具表面的嚴重損壞。

圖3 電子顯微鏡下空蝕后的模具表面

圖4 在長時間使用后由于空蝕所致模具的表面嚴重損壞的實物照片

三. 高壓壓鑄中避免空蝕的方法——正確的模具澆道設計

在模具澆道設計時需要遵守這樣的原則:從料餅開始澆道的橫截面積需要減小,并且當澆道有分支時主澆道的橫截面積需要大于兩個或者多個分支澆道橫截面積的總合。具體舉例:如圖5.所示的澆道設計中,A的主澆道分成B-E 兩個分澆道。A的橫截面積是825平方毫米,B的橫截面積是567平方毫米而E的橫截面積是750平方毫米。此時兩個分支澆道的橫截面積的總合是1317平方毫米,而A作為主澆道的橫截面積是850平方毫米。其結果是A<B+E,這樣設計的模具在壓鑄時會產生空蝕現象。正確的澆道設計應當是A>B+E,這樣才能避免空蝕的發生。

圖5 不良澆道設計示意圖

四.表面處理不能解決空蝕問題

模具材料采取表面處理是否能夠解決空蝕在模具表面形成的“麻點”?

圖6 所示是H13模具材料經過了PVD涂層處理后, 模具表面的側視金相照片??梢钥闯?,空蝕還是可以在模具表面形成“麻點”孔洞。鋁合金中負壓的氣泡在壓鑄時多次破滅所釋放的能量足以擊穿高硬度的涂層,并且在模具表面形成孔洞。

圖6 PVD表面涂層處理后模具表面的空蝕孔洞(X500)

眾所周知,H13材料的壓鑄模具,通常使用的硬度是46-48HRC(≈470HV),而經PVD(TiCN)涂層處理后,其顯微硬度是2200HV左右。 雖然提高了模具表面硬度, 但是對于解決空蝕問題依然無濟于事。

結論

空蝕在鋁合金壓鑄過程中也是較為常見的質量問題??朔祟悊栴}需要在模具的設計過程中,對整個澆道系統有良好的考量與計算,確保澆道從料餅到內澆口的整個流道處于壓縮狀態。采用表面處理提高模具的表面硬度的方法不能解決壓鑄的空蝕問題。


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