壓鑄凝固過程的缺陷分析之“縮孔”和“縮松”
縮孔和縮松有何不同
凝固是一種相變，其本質是材料由液相轉化為固相的過程。在壓鑄過程中，金屬液在衝頭的作用下以高速充填型腔，並在高壓作用下完成凝固。快速凝固是壓鑄的一大特點，在實際的產品生產過程中，金屬的冷卻速度往往能達到每秒上百甚至上千攝氏度。在這樣快的冷卻速度下，壓鑄件內部的微觀組織往往更加細小，相對於傳統鑄件來講，壓鑄件的綜合性能也更高。
圖1、處於一定過冷度的純水遇到外部形核核心後迅速凝固結晶［1］
壓鑄凝固過程的缺陷產生
與各種成形過程類似，壓鑄件在凝固過程中也會產生缺陷。
這裡的“缺陷”指的是有別於鑄件基體組織的異類組織，而最常見的凝固缺陷是我們熟知的“氣孔”、“縮孔”和“縮松”。
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氣孔是氣體在高壓作用下被壓到鑄件的內部，呈光滑的球狀，隨機分佈。其形成與型腔真空度、脫模劑，以及凝聚在表面的水分汽化有關。
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縮孔和縮松是由於凝固收縮，金屬液供給不足引起的，其形狀不規則，主要分佈在鑄件最後凝固的區域，如在型腔拐角處過熱的區域，厚大鑄件的中心區域等。
縮孔和縮松很難從本質上界定，一般來說，我們認為縮孔是尺寸相對較大的孔洞，而縮松則是相對較小、呈連續分佈的孔洞。在壓鑄過程中，縮松是更為常見的凝固缺陷。從總體上講，縮松缺陷是由於區域性液體補縮不足和異質成分與周邊組織熱收縮性不同造成的。
補縮是液體在壓力（重力引發或是外力強迫）的作用下向孔洞處流動的一種行為。如果補縮通道暢通，外力作用充分，那麼液體會自發地流向並填滿孔洞，從而避免縮松的形成。與之相反，如果補縮通道不通暢，或是外力不充分，那麼縮松缺陷就會形成。
異質成分與周邊組織熱收縮性不同而造成的收縮孔洞是縮松缺陷形成的另一主要原因。所謂異質，主要指與周邊基體組織的區別，從實際壓鑄產品來看，異質主要是指氧化夾雜。這種氧化夾雜主要是在充型過程中金屬液體表面的氧化層被捲入液體內部而形成的缺陷。
以鋁合金來講，這種氧化層主要是氧化鋁，而基體組織則主要是由鋁枝晶和共晶形成的微觀組織，由於氧化鋁的熱膨脹和熱收縮性與周邊基體組織有很大區別，因此，在後續凝固過程中會在氧化鋁周邊形成熱收縮空洞，進而形成縮松缺陷。
圖2、過冷度△T=3。6℃，Al-Cu枝晶粗化過程模擬
在冷室壓鑄過程中，合金液體首先被澆入到壓室，由於壓室溫度相對較低，其中的液體合金會發生部分凝固，這些凝固組織主要是初生相枝晶或晶粒，也被稱為預結晶。這些已經形成的預結晶晶粒會隨著餘下的金屬液在後續的充形過程中被衝頭一併推入型腔，並完成最終的凝固。
由於預結晶組織本身形成的環境（壓室）和型腔中的凝固環境不同，從一定程度上講，這些預結晶組織也是異質成分，在隨後的凝固過程中，也會由於與基體熱收縮性的不同而引發孔洞或縮松缺陷。在壓鑄過程中，低速速度越低，壓室預結晶組織越多，在凝固後期金屬液供給越不足，補縮越困難，越易形成縮松缺陷。
凝固缺陷的觀測與規避
壓鑄凝固過程形成的縮松缺陷可以採用CT檢測技術完整還原。
在大多數情況下，壓鑄件的縮松和氣孔（充形卷氣）都無法完全分離，而是混合在一起，最終對鑄件的效能產生影響。透過原位拉伸和疲勞試驗可知，縮松往往會成為裂紋源，而且在外力的作用下，裂紋往往會以連線不同縮松孔洞的方式進行拓展，最終導致材料破損。
裂紋起源的傾向性往往和孔洞的大小成正比，有效控制鑄件內部孔洞的尺寸會對鑄件效能的提高有很大的促進作用。因此，在金屬液充形過程中，如果可以有效地控制材料被氧化的傾向，就能很大程度上降低氧化夾雜的數量，也就可以有效地控制後續縮松的形成，這也是現階段真空壓鑄被廣泛應用的主要原因。
採用真空壓鑄，在金屬液充型過程中將型腔中的空氣抽出，可以有效地保證金屬液和氧氣的隔離，從而極大控制了氧化層和氧化夾雜的形成。同時，我們可以使用特製的分流錐將預結晶組織在進入型腔前進行收集和阻擋，從而避免後續凝固過程中可能產生的孔洞和縮松缺陷。
在壓鑄件中，特別是鎂合金鑄件，我們常常能觀察到另一種型別的缺陷：這種缺陷不是單獨的、孤立的孔洞，而在鑄件內部呈現帶狀、環狀或層狀分佈，我們將這種缺陷稱為“缺陷帶”。
圖3、AZ91D壓鑄凝固收縮缺陷SEM金相組織形貌［2］
在現有研究中一般認為，缺陷帶是由於較熱的金屬液在較冷的、已凝固的金屬表面發生剪下而形成的，這和壓鑄充形、凝固本身的特點是相關的。在壓鑄中，較熱的金屬液在高速情況下充填型腔，早入型腔的金屬液和較冷的型腔表面發生接觸而快速凝固，在型腔表面形成了一層激冷層，後續流入的金屬液和這層激冷層接觸發生剪下，從而產生了缺陷帶。
由於充形速度大，這種冷熱交織的剪下在壓鑄充形過程中發生的機率極高，同時，後續的壓鑄增壓往往會繼續增加遺留液相的層移，加劇剪下的力度，從而促使缺陷帶的形成。採用CT檢測壓鑄件的缺陷帶可以看出，缺陷帶的三維幾何形貌並不對稱，而是帶有明顯的流動遺傳特徵，也證明了缺陷帶的形成受到流動的影響更大些。
影響壓鑄件縮松缺陷形成的另一個關鍵因素是傳熱，也即鑄件-鑄型的介面換熱狀態。
模具的溫度達到較好的狀態時，鑄件金屬和鑄型之間會達到比較高效的傳熱狀態，鑄件內部組織的凝固狀態和金屬液體的補縮狀態也會達到最佳，這對降低鑄件內部縮松的形成會產生積極的作用。影響鑄件-鑄型介面換熱狀態的因素很多，但經過研究發現，最主要的影響因素是鑄型本身的溫度狀態，因此，採用模具溫調機並結合實際鑄造節拍，將鑄型溫度保持在一個相對最佳的範圍可以有效地減少鑄件內部縮松的形成。
圖4、模具表面溫度和鑄件可能存在的熱節
對於不同合金，由於材料本身屬性的差異，最佳的鑄型溫度也不盡相同。實驗證明，對於大部分鋁合金，最佳的鑄型表面溫度大約在230℃-270℃左右；而對於鎂合金，這個溫度略高，大約在260℃-300℃左右。在這個溫度範圍進行壓鑄，所獲得的鑄件產品質量往往會比其他溫度範圍的更好。
除了實際經驗以外，為了避免縮松的形成，我們可以採取一個更為有效的方法，即計算機模擬模擬技術。
在模擬模擬技術中，傳熱的計算是相對比較成熟的，求解溫度場變化本身難度不大，決定計算精度的關鍵因素是鑄件-鑄型介面換熱係數或介面熱阻（針對壓鑄過程介面換熱係數的討論在之前的文章中有所涉及，感興趣的讀者可以翻閱之前的文章）。
在數值計算中，只有精確地設定了介面換熱係數才能獲得精確的溫度場，從而在後續的分析中獲得鑄件凝固熱節並判斷潛在的縮松位置和大小。
［1］圖片來源：
https：//io9。gizmodo。com/how-to-freeze-water-in-about-half-a-second-512869494
［2］圖片來源：
https：//www。researchgate。net/publication/267709423_Melt_conditioned_high_pressure_die_casting_MC-HPDC_of_Mg-alloys/stats
作者：
郭志鵬
畢業於清華大學（本、博），牛津大學、英國皇家學會研究會員，長期從事數字化工業方面的研究，包括高效能演算法、高能X射線檢測、影象處理以及相關工業領域的材料和核心工藝開發等，立志創造有國際競爭力的自主化CAE軟體，擺脫國際壟斷，提升和振興民族工業水平。
