凝固是一种相变，其本质是材料由液相转化为固相的过程。在压铸过程中，金属液在冲头的作用下以高速充填型腔，并在高压作用下完成凝固。快速凝固是压铸的一大特点，在实际的产品生产过程中，金属的冷却速度往往能达到每秒上百甚至上千摄氏度。在这样快的冷却速度下，压铸件内部的微观组织往往更加细小，相对于传统铸件来讲，压铸件的综合性能也更高。

图1、处于一定过冷度的纯水遇到外部形核核心后迅速凝固结晶[1]

压铸凝固过程的缺陷产生

与各种成形过程类似，压铸件在凝固过程中也会产生缺陷。这里的“缺陷”指的是有别于铸件基体组织的异类组织，而最常见的凝固缺陷是我们熟知的“气孔”、“缩孔”和“缩松”。

·气孔是气体在高压作用下被压到铸件的内部，呈光滑的球状，随机分布。其形成与型腔真空度、脱模剂，以及凝聚在表面的水分汽化有关。

·缩孔和缩松是由于凝固收缩，金属液供给不足引起的，其形状不规则，主要分布在铸件最后凝固的区域，如在型腔拐角处过热的区域，厚大铸件的中心区域等。

缩孔和缩松很难从本质上界定，一般来说，我们认为缩孔是尺寸相对较大的孔洞，而缩松则是相对较小、呈连续分布的孔洞。在压铸过程中，缩松是更为常见的凝固缺陷。从总体上讲，缩松缺陷是由于局部液体补缩不足和异质成分与周边组织热收缩性不同造成的。

补缩是液体在压力（重力引发或是外力强迫）的作用下向孔洞处流动的一种行为。如果补缩通道畅通，外力作用充分，那么液体会自发地流向并填满孔洞，从而避免缩松的形成。与之相反，如果补缩通道不通畅，或是外力不充分，那么缩松缺陷就会形成。

异质成分与周边组织热收缩性不同而造成的收缩孔洞是缩松缺陷形成的另一主要原因。所谓异质，主要指与周边基体组织的区别，从实际压铸产品来看，异质主要是指氧化夹杂。这种氧化夹杂主要是在充型过程中金属液体表面的氧化层被卷入液体内部而形成的缺陷。

以铝合金来讲，这种氧化层主要是氧化铝，而基体组织则主要是由铝枝晶和共晶形成的微观组织，由于氧化铝的热膨胀和热收缩性与周边基体组织有很大区别，因此，在后续凝固过程中会在氧化铝周边形成热收缩空洞，进而形成缩松缺陷。

图2、过冷度△T=3.6℃，Al-Cu枝晶粗化过程模拟

在冷室压铸过程中，合金液体首先被浇入到压室，由于压室温度相对较低，其中的液体合金会发生部分凝固，这些凝固组织主要是初生相枝晶或晶粒，也被称为预结晶。这些已经形成的预结晶晶粒会随着余下的金属液在后续的充形过程中被冲头一并推入型腔，并完成最终的凝固。

由于预结晶组织本身形成的环境（压室）和型腔中的凝固环境不同，从一定程度上讲，这些预结晶组织也是异质成分，在随后的凝固过程中，也会由于与基体热收缩性的不同而引发孔洞或缩松缺陷。在压铸过程中，低速速度越低，压室预结晶组织越多，在凝固后期金属液供给越不足，补缩越困难，越易形成缩松缺陷。

凝固缺陷的观测与规避

压铸凝固过程形成的缩松缺陷可以采用CT检测技术完整还原。在大多数情况下，压铸件的缩松和气孔（充形卷气）都无法完全分离，而是混合在一起，最终对铸件的性能产生影响。通过原位拉伸和疲劳试验可知，缩松往往会成为裂纹源，而且在外力的作用下，裂纹往往会以连接不同缩松孔洞的方式进行拓展，最终导致材料破损。

裂纹起源的倾向性往往和孔洞的大小成正比，有效控制铸件内部孔洞的尺寸会对铸件性能的提高有很大的促进作用。因此，在金属液充形过程中，如果可以有效地控制材料被氧化的倾向，就能很大程度上降低氧化夹杂的数量，也就可以有效地控制后续缩松的形成，这也是现阶段真空压铸被广泛应用的主要原因。

采用真空压铸，在金属液充型过程中将型腔中的空气抽出，可以有效地保证金属液和氧气的隔离，从而极大控制了氧化层和氧化夹杂的形成。同时，我们可以使用特制的分流锥将预结晶组织在进入型腔前进行收集和阻挡，从而避免后续凝固过程中可能产生的孔洞和缩松缺陷。

在压铸件中，特别是镁合金铸件，我们常常能观察到另一种类型的缺陷：这种缺陷不是单独的、孤立的孔洞，而在铸件内部呈现带状、环状或层状分布，我们将这种缺陷称为“缺陷带”。

图3、AZ91D压铸凝固收缩缺陷SEM金相组织形貌[2]

在现有研究中一般认为，缺陷带是由于较热的金属液在较冷的、已凝固的金属表面发生剪切而形成的，这和压铸充形、凝固本身的特点是相关的。在压铸中，较热的金属液在高速情况下充填型腔，早入型腔的金属液和较冷的型腔表面发生接触而快速凝固，在型腔表面形成了一层激冷层，后续流入的金属液和这层激冷层接触发生剪切，从而产生了缺陷带。

由于充形速度大，这种冷热交织的剪切在压铸充形过程中发生的概率极高，同时，后续的压铸增压往往会继续增加遗留液相的层移，加剧剪切的力度，从而促使缺陷带的形成。采用CT检测压铸件的缺陷带可以看出，缺陷带的三维几何形貌并不对称，而是带有明显的流动遗传特征，也证明了缺陷带的形成受到流动的影响更大些。

影响压铸件缩松缺陷形成的另一个关键因素是传热，也即铸件-铸型的界面换热状态。

模具的温度达到较好的状态时，铸件金属和铸型之间会达到比较高效的传热状态，铸件内部组织的凝固状态和金属液体的补缩状态也会达到最佳，这对降低铸件内部缩松的形成会产生积极的作用。影响铸件-铸型界面换热状态的因素很多，但经过研究发现，最主要的影响因素是铸型本身的温度状态，因此，采用模具温调机并结合实际铸造节拍，将铸型温度保持在一个相对最佳的范围可以有效地减少铸件内部缩松的形成。

图4、模具表面温度和铸件可能存在的热节

对于不同合金，由于材料本身属性的差异，最佳的铸型温度也不尽相同。实验证明，对于大部分铝合金，最佳的铸型表面温度大约在℃-℃左右；而对于镁合金，这个温度略高，大约在℃-℃左右。在这个温度范围进行压铸，所获得的铸件产品质量往往会比其他温度范围的更好。

除了实际经验以外，为了避免缩松的形成，我们可以采取一个更为有效的方法，即计算机模拟仿真技术。

在模拟仿真技术中，传热的计算是相对比较成熟的，求解温度场变化本身难度不大，决定计算精度的关键因素是铸件-铸型界面换热系数或界面热阻（针对压铸过程界面换热系数的讨论在之前的文章中有所涉及，感兴趣的读者可以翻阅之前的文章）。

在数值计算中，只有精确地设置了界面换热系数才能获得精确的温度场，从而在后续的分析中获得铸件凝固热节并判断潜在的缩松位置和大小。

[1]图片来源：

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