板栅主要缺陷的产生及防止方法研究
裂纹缺陷的产生与防止方法裂纹是铸件的严重缺陷，常分为热裂纹和冷裂纹，根据板栅裂纹处断面性质可以断定板栅的裂纹属于热裂纹，必须设法防止。热裂一般出现在铸件的应力集中部位，如尖角、截面突变处或热节处等。其主要形成机理一般与铸件本身的材料添加剂、铸件结构和工艺参数的设定有关［4］。常见的防止热裂的方法有：①选择结晶温度范围窄的合金生产板栅，如含Ca的Pb基合金。因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。②减少板栅合金中的促使合金热裂的低熔点物质，如Sn、Cd、Zn等元素。反之，高熔点物质都可能缓解或者消除合金热裂，如：Ca、Cd、S、Se，Cu与S以及Cu与As的复合化合物、混合稀土等［4］。③改善铸型的退让性。退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能性愈小。但板栅用模具成形，铸型是没有退让性的。④减小浇道对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置应符合同时凝固原则。根据要求，不考虑材质问题，主要从优化模具结构和工艺参数的角度解决裂纹的形成问题。首先采用相关的模拟软件对板栅的成形进行铸造模拟分析。经过建立三维几何模型，网格划分，初始条件和边界条件的设定，模拟板栅的充型过程见图5。凝固后期的热节区域见图6，固相率显示见图7（图略）。模拟结果显示与实际生产过程中的板栅出现裂纹的部位基本一致。从图5和图6可看出热节区位于板栅横梁处，当合金凝固收缩受到外界阻碍时，其产生的应变速率大到无法靠晶粒间调整或晶粒变形进行补偿时，将产生晶间分离，即热裂纹形成。如果晶间液相的补缩速率大于合金冷却时的收缩速率，将不会有热裂纹形成。板栅在冷却后期由于拉应力作用导致裂纹的形成。板栅铸件结构设计已定型，横梁处冷却方式是否合理，对铸件能否形成热裂有直接影响。因该处壁厚不均，属于较厚部位最后凝固，收缩应力易集中于此处而出现裂纹。铸件设计应尽量避免十字筋及过于厚大的壁厚以避免形成热节；过渡部位设计铸造圆角以避免应力集中形成裂纹；但过大的圆角也避免，因为会形成热节，铸件冷却缓慢而造成晶粒粗大、强度和塑性降低难以抵抗收缩应力而形成裂纹。原模具冷却水道的设计只考虑模具整体的热平衡，而对横梁处热节部位可能产生的裂纹问题没有足够的重视。合金凝固过程中晶间液相补缩通道被阻断后，进入了不可补缩区，如果合金凝固收缩受到阻碍，很可能造成晶间分离。如果晶间存在连续的补缩通道，晶间分离可以得到补缩，不会形成热裂纹，如果晶间补缩通道被阻断，晶间分离将进一步发展成为热裂纹，依此，可将固相区分成可补缩区和不可补缩区。
对于板栅横梁处，因铸件壁厚较大，模具温度过高，则会增加缩孔面积，从而减缓冷却速度，促进了热裂的形成，故对于横梁处厚壁部分应尽量快速冷却，并通过浇口保压作用补缩热节处，同时保证模具成形部分整体处于平衡温度。在稳定的板栅压铸生产过程中，每一个压铸循环中铸件向模具传递的热量和模具因吸热而升高的温度是确定的。一方面当模具温度低时，会使板栅压铸件在凝固过程中产生大的温度梯度，加快了板栅铸件的凝固速度，使得板栅铸件的薄壁处快速凝固，而远离浇道的厚壁处补缩不足，产生缩孔，从而为热裂纹的产生提供了条件；另一方面当初始模具温度较高时，板栅铸件因冷却速度降低而减小壁厚不均造成的收缩热应力，而材料的强度、塑性下降导致热裂形成。因此，板栅压铸模具温度对铸件形成热裂的影响是综合的。模具温度需控制在一定的范围内，一般在80～120℃之间。减少凝固过程中温度差，有利于防止热裂纹的产生。图8是板栅裂纹的断面图和板栅裂纹的表面图。图9为裂纹处的衍射图谱。图9b为图9a在裂纹处的X射线衍射图谱。图10为远离裂纹处的衍射图谱。图10b为图10a远离裂纹处的X射线衍射图谱。从衍射图谱分析结果得知，远离裂纹处的成分与裂纹处成分没有明显的差别。图11为板栅的显微结构，可知板栅断裂处塑性还是比较好的。图12为图11断口处XRD图谱。针对板栅的裂纹缺陷，经过系统分析研究后，根据板栅合金的不同提出两组工艺参数的设置数据。经生产实践证明这两组参数下生产的板栅总废品率可以控制在5％以内，特别是解决了板栅的裂纹问题，裂纹出现的概率平均降低为1％以内。保证了生产的连续性。调整后的板栅生产工艺参数见表5；跟踪统计某月生产板栅废品情况见表6。
飞边、毛刺的产生与防止造成零件飞边与毛刺的主要原因是模具分型面上存在间隙。具体原因：①模具原因：模具碰损或磨损与分型面不平齐；模具变形或分型面不平；模具强度不够造成变形。②工艺原因：压射成形压力太大，模具锁模力不够，导致胀型；浇注温度太高；模具温度太高；压射速度过高，形成压力冲击峰过高。③设备原因：合模（锁模）力不够（可以忽略）。④操作原因：分型面上杂物未清理干净，有杂物、夹料，导致模具合不拢。防止方法：①检测合模力和增压情况，调整工艺参针对板栅的裂纹缺陷，经过系统分析研究后，根据板栅合金的不同提出两组工艺参数的设置数据。经生产实践证明这两组参数下生产的板栅总废品率可以控制在5％以内，特别是解决了板栅的裂纹问题，裂纹出现的概率平均降低为1％以内。保证了生产的连续性。调整后的板栅生产工艺参数见表5；跟踪统计某月生产板栅废品情况见表6。
飞边、毛刺的产生与防止造成零件飞边与毛刺的主要原因是模具分型面上存在间隙。具体原因：①模具原因：模具碰损或磨损与分型面不平齐；模具变形或分型面不平；模具强度不够造成变形。②工艺原因：压射成形压力太大，模具锁模力不够，导致胀型；浇注温度太高；模具温度太高；压射速度过高，形成压力冲击峰过高。③设备原因：合模（锁模）力不够（可以忽略）。④操作原因：分型面上杂物未清理干净，有杂物、夹料，导致模具合不拢。防止方法：①检测合模力和增压情况，调整工艺参数；②清洁型腔及分型面；③修整模具。
粘模的产生与防止粘模可能会导致铸件相同部位表面粗糙不光滑，表皮凹凸不平、少肉，严重时甚至有表皮撕裂现象。粘模产生原因：模具表面局部温度高，出模时合金粘附在模具上无法带出；②喷涂不到位；③脱模剂配比不合适，产品脱模效果不好；④模具本身起模斜度不够；⑤型腔表面硬度低，氮化层被破坏；⑥合金粘附物在模具上未及时清除，长时间后粘模现象会越来越严重，见图13。防止模具粘模的主要方法：①压铸时型腔内局部温度过高时，先调整喷涂工艺，如果仍有粘模时，先将模具上的粘附物去除后，对易粘模部位用毛刷均匀地刷一层防粘蜡；模具型腔有铅合金粘附时必须及时清除，用油石、砂纸打磨，非型腔部分粘模用铲刀铲除凸点，再用砂纸磨抛光。②模具浇口处的抛光处理，解决了因粘模带来的产品缺陷，减少了板栅断筋数量，总废品率大大降石、砂纸打磨，非型腔部分粘模用铲刀铲除凸点，再用砂纸磨抛光。②模具浇口处的抛光处理，解决了因粘模带来的产品缺陷，减少了板栅断筋数量，总废品率大大降低。模具浇口抛光处理前后铸件表面见图14（图略）。#p#分页标题#e#
结论
（1）由于铸件充型过程中采用的是反重力充型，铸件整个充型过程比较平稳。当内浇口充型速度为4m／s以下时，铸件充型无法全部完成；当内浇口充型速度为8m／s时，铸件总的充型时间为0．1s，能顺利充满，但效果仍不理想，实际生产中经过反推计算，充型速度定为13～16m／s。（2）在板栅厚大部位（横梁处）出现热节区，由于此处应力较大，且热节区极易出现缩松，这将会加速裂纹缺陷的形成。计算机模拟结果与实际生产结果是符合的，说明模拟的结果是可信的。（3）对模具浇口处及横梁部位表面抛光，解决了因粘模带来的产品缺陷（断筋）问题，并经过针对性的参数设置，消除了压铸Pb－Sb合金板栅存在的裂纹缺陷。
本文作者：陈云 罗继相 王志 陶振峰 朱恒平 单位：武汉理工大学物流工程学院 荷贝克电源系统（武汉）有限公司