广东鸿图：铝合金压铸试片内部冷料的缺陷分析和对策

李小林朱宇等发表于2026/7/22 9:48:58 铝合金压铸试片内部冷料缺陷分析

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原标题：铝合金压铸试片内部冷料的缺陷分析和对策

压铸作为一种高效、经济的金属成形技术，在汽车、航空航天和电子通信等领域得到广泛应用。铝合金材料的性能是压铸工艺中重要的基础和保障。为了验证铝合金材料性能，通常会开发试片或试棒专用模具进行打样并进行拉伸等试验。铸造缺陷会对试验结果产生影响，其中铸造冷料是试片模中最常见的缺陷之一，严重干扰试验的准确性。本研究旨在系统分析试片内部冷料缺陷的成因，并探索有效的预防与改善措施，以提升铝合金压铸试片的整体品质，旨在为相关研究提供参考。

图文结果

试片尺寸为300 mm×300 mm，厚度为3 mm。试片浇注工艺方案设计及取样位置见图1，图1中1~6为取样位置。制样采用3 500 kN东洋卧式冷室压铸机，压室直径为50 mm，压室有效长度为370 mm，设计充满度为38.5%。为验证效果，在试片上6个不同位置取样进行拉伸试验。试样满足GB/T13822-2017所规定的有色金属压铸B型拉伸试样要求，见图2。

试验采用结构件常用材质AlSi10MnMg（AC-43500， EN 1706），其主要成分和力学性能要求见表1和表2。

图1 压铸试片浇注结构及取样位置

图2 GB T13822-2017 B型拉伸试样尺寸示意图

表1 AlSi10MnMg合金的主要化学成分(%)

表2 铸态AlSi10MnMg合金的力学性能

根据试片壁厚、压室充满度以及模拟结果，T1试作采用工艺参数见表3。

采用上述工艺生产的试片外观和内部质量合格，见图3和图4。取其中3个试片按图1位置切割拉伸试片，拉伸试验结果见表4。从图4可以看出，试片断口显示存在异物，且比例高达61%。

在拉伸试验中，试样断口出现异物，表现为光亮的片状区域，与正常断口的粗糙亚光形态不符。断口存在异物的抗拉强度、屈服强度和伸长率均低于正常水平，表明异物对试片的力学性能产生了显著影响。

表3 T1试作参数

图3 试片质量合格

图4 断口外观对比

表4 试样的力学性能

异物的断口都发现有不同程度的片状光亮断面，与正常的断口的不规则形状的粗糙的亚光断面存在明显差异，见图4。

对异常断口、正常断口以及含杂质断口进行扫描电镜对比分析，见图5。可以看出，异物断口的光亮断面（图5a）与正常断口（图5b）的主要合金元素都是Al、Si和Mg，与一般杂质造成的断口（图5c）存在含C、O的化合物不同，可以判断异常断口光亮断面为非杂质造成。另外，光亮区域的Si含量明显高于材料标注成分，该区域富含Si元素，可以判断为凝固过程不平衡产生偏析导致的。

异物断口的金相组织主要分为4个区域，见图6，区域1位置为正常的初生Al相和Al-Si共晶组织；区域2位置面积小，属于区域1和区域3之间过渡区域，Al-Si共晶组织开始分解，出现Si颗粒；区域３位置面积大，Al-Si共晶组织消失，只剩Al相和Si相，Al相还保持枝晶状，是冷料的典型特征；区域４位置Al相不再呈现枝晶态，并均匀、密集地分布着细小硅颗粒。金相分析显示异常断口位置符合冷料典型特征，可以判断为由于铸造过程卷入了提前凝固的铝料所致。正常拉伸断口的金相组织显示Al-Si共晶分布则相对均匀平整，见图7。

图5 断口扫描电镜分析

图6 异物断口金相组织及分区示意图

图7 正常断口金相组织

熔炼不充分会导致固态金属颗粒残留。由于本研究采用外部直供铝液的模式，并对到厂铝液的温度、精炼及检测流程有严格要求，排除了熔炼不充分的问题。铝液质量管控具体措施如下：①温度控制，要求AlSi10MnMg铝液到厂温度控制在710~730 ℃。②精炼工艺，铝液到厂后需进行通氩气精炼，时间不少于15 min。③检测流程，精炼完成后，铝液需进行100%的K模检测和密度检测确认质量合格。④温度检测，倒料前须再次检测温度，确保符合要求。⑤保温炉温度，机边保温炉温度控制在665~670 ℃。

模具冷却水道及浇注系统的设计对合金液的流动和温度分布具有直接影响。本试片为结构简单的平板产品，壁厚均匀，因此模具冷却水道采用均匀分布设计，见图８，并配备模温机进行精准的温度控制。图9为充填过程模拟。浇注系统经过模拟分析验证，铝液在整个填充过程中平稳且顺序填充型腔，表明浇注系统设计合理。

图8 模具运水管道分布

图9 填充模拟分析

压铸过程温度过低是导致冷料缺陷的主要原因之一。具体包括铝液浇注温度过低、模具温度过低和料筒温度过低。

（1）铝液浇注温度过低

对于压铸铝合金，Si含量在5%~18%范围内时，Si含量越高，铝液流动性越好；而Mg含量越高，流动性越差。本试验所用的AlSi10MnMg合金，其Si含量为9.0%~11.5%，Mg含量为0.40%~0.45%。图10为合金元素对压铸合金液流动性的影响。可见该材料的流动性相对较差，容易在填充过程中卷入冷料，这种流动性特性是由材料中元素的特性决定的。为降低冷料风险，可通过适当提高浇注铝液温度，确保铝液在充填型腔时保持足够的流动性。试验把保温炉温度由（670±5） ℃分别提升至（690±5） ℃和（710±5） ℃进行生产试验，试片拉伸数据显示（690±5） ℃条件下冷料特征的断口比例为55%，改善不明显；（710±5） ℃条件下冷料特征断口比例为19%，改善明显。

图10 合金元素对压铸合金液流动性影响

（2）模具温度过低

当模具温度过低时，合金液进入型腔后会迅速凝固，形成冷料，并卷入铸件内部。根据试制实测数据，模具型腔表面温度为115~120 ℃时明显过低。在实际生产中，模具型腔表面温度通常应控制在150~230 ℃之间。因此，需要调整模温机，将模具型腔表面温度提升至150 ℃以上，以确保生产过程的稳定性。

（3）料筒温度过低

当金属液倒入料筒后，与料筒接触的前端铝液会在套筒底部迅速凝固，形成一层铝皮。随着冲头向前移动，铝皮被切碎成小块（片状冷料），并被推入流道和铸件中。由于这些提前凝固的铝皮碎片会接触到润滑剂（如冲头油、脱模剂等），其接触端面会形成光亮、平滑的表面。这种表面不会与其他铝料粘合，反而会形成裂缝，可能导致泄漏或成为断裂的起始点，而料筒与铝液之间存在温度差不可避免，因此前端冷料碎片无法完全消除，但通过工艺管理措施，可以将这种影响降至最低。针对该试片模，采取了以下措施。

措施1　调整模温机参数，把料筒温度从150 ℃提高至180 ℃。在压铸过程中，压室内温度理论应在350 ℃以上。由于本试验中无法直接测量压室料膛内的实际温度，此处温度是通过红外线测温仪测量料筒前端外侧某固定点得出的。

措施2　采用绝热毯对料筒进行包裹，减少料筒温度散失，保证压铸过程中料筒温度稳定，见图11。