前言

空蝕(shi)（Cavitation）也稱為氣(qi)(qi)蝕(shi)。其(qi)較常(chang)見于運動的(de)流(liu)體與(yu)氣(qi)(qi)體之間相互作用(yong)在(zai)(zai)流(liu)體中形(xing)成(cheng)負(fu)壓(ya)力（拔空的(de)孔洞(dong)）的(de)氣(qi)(qi)泡。當負(fu)壓(ya)力的(de)氣(qi)(qi)泡在(zai)(zai)運動或流(liu)動的(de)過程(cheng)中遇到固體的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)時，氣(qi)(qi)泡湮(yin)(yin)滅釋放巨大的(de)爆破能(neng)量使得固體的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)形(xing)成(cheng)凹孔。這種現象常(chang)見于在(zai)(zai)海水中使用(yong)的(de)葉(xie)片，其(qi)表(biao)面(mian)(mian)(mian)由于水與(yu)旋(xuan)動空氣(qi)(qi)交互作用(yong)形(xing)成(cheng)負(fu)壓(ya)的(de)氣(qi)(qi)泡，其(qi)在(zai)(zai)葉(xie)片表(biao)面(mian)(mian)(mian)湮(yin)(yin)滅形(xing)成(cheng)空蝕(shi)的(de)凹坑(keng)，即通常(chang)講的(de)“麻(ma)點(dian)”。

在鋁合(he)金(jin)高壓壓鑄的(de)生(sheng)產(chan)(chan)過(guo)程中，空蝕(shi)也會(hui)(hui)發(fa)生(sheng)。對(dui)于壓鑄制作的(de)鋁合(he)金(jin)外觀(guan)部件(jian)產(chan)(chan)品，如通訊(xun)類產(chan)(chan)品，有時模具的(de)表面(mian)(mian)在生(sheng)產(chan)(chan)幾(ji)百件(jian)或幾(ji)千(qian)件(jian)產(chan)(chan)品后形成凹陷(xian)的(de)坑(keng)（也稱“麻點”）這也是(shi)由于空蝕(shi)所(suo)導致。相應的(de)在鋁合(he)金(jin)零件(jian)表面(mian)(mian)會(hui)(hui)產(chan)(chan)生(sheng)凸出(chu)的(de)麻點，其宏觀(guan)形態如圖1所(suo)示(shi)。

圖1 “空蝕”導致在鋁合金壓鑄件表面(mian)形成的外凸(tu)麻(ma)點(dian)

需(xu)要指出的(de)是(shi):在(zai)(zai)鋁合金壓(ya)鑄件表(biao)(biao)(biao)(biao)面形成的(de)“麻點(dian)(dian)”,除了”空蝕(shi)”原因(yin)外(wai),還有其他原因(yin)會導(dao)致(zhi)，如：模具(ju)表(biao)(biao)(biao)(biao)面放電(dian)加工后打磨不徹底、或模具(ju)表(biao)(biao)(biao)(biao)面過(guo)于光亮,使(shi)得脫模劑無法在(zai)(zai)模具(ju)表(biao)(biao)(biao)(biao)面形成良好的(de)保(bao)護膜,導(dao)致(zhi)在(zai)(zai)模具(ju)表(biao)(biao)(biao)(biao)面出現點(dian)(dian)狀的(de)溶蝕(shi)與(yu)粘模現象。但是(shi)“空蝕(shi)”在(zai)(zai)模具(ju)表(biao)(biao)(biao)(biao)面產生的(de)麻點(dian)(dian)與(yu)此類(lei)缺陷有形態(tai)上(shang)的(de)不同，需(xu)要有足夠(gou)的(de)經驗進行正確的(de)判斷(duan)。

一.鋁(lv)合金(jin)壓鑄中空蝕產生的原因

鋁(lv)合金壓鑄是把液(ye)(ye)態的(de)(de)(de)(de)鋁(lv)合金,由沖頭高速(su)推射到模具的(de)(de)(de)(de)整個型腔內(nei)，獲得所需產品(pin)。鋁(lv)液(ye)(ye)在流(liu)動(dong)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，需要經(jing)過澆(jiao)道到達內(nei)澆(jiao)口再(zai)噴射到模具型腔內(nei)。模具的(de)(de)(de)(de)澆(jiao)道是鋁(lv)液(ye)(ye)流(liu)動(dong)的(de)(de)(de)(de)必經(jing)路徑。設計的(de)(de)(de)(de)原則是澆(jiao)道的(de)(de)(de)(de)橫截面積應當(dang)處(chu)于收縮狀態, 這樣鋁(lv)液(ye)(ye)在流(liu)動(dong)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，可以將澆(jiao)道內(nei)的(de)(de)(de)(de)空氣排向鋁(lv)液(ye)(ye)的(de)(de)(de)(de)前端(duan)。

空(kong)(kong)蝕(shi)產生的(de)主(zhu)要原因是模具(ju)設計(ji)時(shi)違背了以(yi)上(shang)的(de)設計(ji)原則。在鋁(lv)合金(jin)液體流動所經(jing)過的(de)澆(jiao)(jiao)道路徑上(shang)，澆(jiao)(jiao)道的(de)橫截面積有膨(peng)脹現象(xiang)。當鋁(lv)液經(jing)流膨(peng)脹的(de)內(nei)澆(jiao)(jiao)道時(shi)會(hui)有體積的(de)膨(peng)脹以(yi)及(ji)壓(ya)(ya)力的(de)突然下(xia)降，導致鋁(lv)液中(zhong)形(xing)成負壓(ya)(ya)力（或拔空(kong)(kong)）的(de)空(kong)(kong)穴(xue)。壓(ya)(ya)射(she)增壓(ya)(ya)時(shi),空(kong)(kong)穴(xue)在澆(jiao)(jiao)道以(yi)及(ji)模具(ju)型腔內(nei)部破(po)(po)滅(mie)(mie),。破(po)(po)滅(mie)(mie)時(shi)，形(xing)成內(nei)爆破(po)(po)，能夠產生巨(ju)大的(de)能量。生產產品時(shi)，持續的(de)多次內(nei)爆破(po)(po)導致金(jin)屬模具(ju)或澆(jiao)(jiao)道的(de)表面產生疲勞變形(xing)，形(xing)成肉眼可見(jian)的(de)凹坑。相應(ying)的(de)在鑄件產品表面形(xing)成凸(tu)出的(de)麻點。如圖(tu)1與(yu)圖(tu)2 所示。

圖2 空(kong)蝕(shi)導致在鑄件以及澆道形成凸(tu)出的“麻點”

二. 空蝕(shi)在模具表面(mian)上的形(xing)態(tai)

圖3.是(shi)模(mo)(mo)具表(biao)面在生產(chan)了300件產(chan)品后(hou)(hou),產(chan)生的(de)(de)(de)局部空蝕的(de)(de)(de)掃描電子(zi)顯微(wei)鏡(jing)照片。可以(yi)看到：模(mo)(mo)具的(de)(de)(de)表(biao)面被鋁合金液體中的(de)(de)(de)負壓氣(qi)泡(pao)在破(po)滅時，由(you)于反復地向內爆(bao)破(po)使得金屬模(mo)(mo)具表(biao)面形(xing)(xing)成疲勞變形(xing)(xing)。負壓的(de)(de)(de)氣(qi)泡(pao)湮滅時所釋(shi)放(fang)的(de)(de)(de)能量破(po)壞了模(mo)(mo)具的(de)(de)(de)表(biao)面，在模(mo)(mo)具的(de)(de)(de)表(biao)面形(xing)(xing)成爆(bao)破(po)后(hou)(hou)的(de)(de)(de)凹孔。圖4 是(shi)模(mo)(mo)具在持續生產(chan)后(hou)(hou)空蝕嚴重(zhong)時，所導致的(de)(de)(de)模(mo)(mo)具表(biao)面的(de)(de)(de)嚴重(zhong)損壞。

圖3 電子顯微鏡(jing)下空蝕后的模具(ju)表面

圖4 在長時間使用后由于空蝕所致(zhi)模具(ju)的表面嚴(yan)重損壞的實物照(zhao)片

三. 高(gao)壓壓鑄中避(bi)免空蝕的(de)方(fang)法——正確的(de)模具澆道設(she)計

在模具澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)設(she)計(ji)時(shi)(shi)需(xu)要(yao)遵守這樣(yang)的(de)(de)原則：從(cong)料餅開始澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)的(de)(de)橫截面積(ji)需(xu)要(yao)減小，并且當澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)有分(fen)支(zhi)(zhi)時(shi)(shi)主澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)的(de)(de)橫截面積(ji)需(xu)要(yao)大(da)于兩個(ge)(ge)或者(zhe)多個(ge)(ge)分(fen)支(zhi)(zhi)澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)橫截面積(ji)的(de)(de)總合。具體舉例：如(ru)圖5.所示的(de)(de)澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)設(she)計(ji)中，A的(de)(de)主澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)分(fen)成(cheng)B-E 兩個(ge)(ge)分(fen)澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)。A的(de)(de)橫截面積(ji)是825平方(fang)毫米，B的(de)(de)橫截面積(ji)是567平方(fang)毫米而(er)E的(de)(de)橫截面積(ji)是750平方(fang)毫米。此時(shi)(shi)兩個(ge)(ge)分(fen)支(zhi)(zhi)澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)的(de)(de)橫截面積(ji)的(de)(de)總合是1317平方(fang)毫米，而(er)A作為主澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)的(de)(de)橫截面積(ji)是850平方(fang)毫米。其結果是A<B+E，這樣(yang)設(she)計(ji)的(de)(de)模具在壓鑄時(shi)(shi)會產(chan)生(sheng)空(kong)蝕(shi)現象。正確的(de)(de)澆(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)道(dao)(dao)設(she)計(ji)應(ying)當是A>B+E，這樣(yang)才能避(bi)免空(kong)蝕(shi)的(de)(de)發生(sheng)。

圖5 不(bu)良澆道設計示意圖

四.表面(mian)處理不能(neng)解決空蝕問題

對模具材料采取表面(mian)處理是否能夠解決空(kong)蝕在模具表面(mian)形成的“麻點”？

圖6 所示是H13模具(ju)材料(liao)經過了PVD涂(tu)層處理(li)后, 模具(ju)表(biao)面(mian)的側視金相(xiang)照片。可以看出，空蝕還是可以在模具(ju)表(biao)面(mian)形成“麻點”孔(kong)洞(dong)。鋁合金中負壓(ya)的氣泡在壓(ya)鑄時多次破滅所釋放的能量足以擊穿高硬度的涂(tu)層，并且在模具(ju)表(biao)面(mian)形成孔(kong)洞(dong)。

圖6 PVD表面(mian)涂層處理(li)后模具表面(mian)的空蝕孔洞（X500）

眾(zhong)所周知，H13材料的壓鑄模具(ju),通常使用的硬度是46－48HRC(≈470HV),而(er)經PVD(TiCN)涂層處理后，其顯微硬度是2200HV左右。 雖然提高了模具(ju)表面硬度, 但是對于(yu)解(jie)決空蝕問(wen)題依(yi)然無濟于(yu)事(shi)。

結論

空蝕在鋁(lv)合金壓(ya)鑄過(guo)程(cheng)中也是較為常見的(de)(de)(de)質(zhi)量問題(ti)。克服此類問題(ti)需要在模(mo)具的(de)(de)(de)設計(ji)過(guo)程(cheng)中,對整個澆(jiao)道(dao)系統有良好的(de)(de)(de)考量與計(ji)算，確保澆(jiao)道(dao)從料餅(bing)到(dao)內澆(jiao)口的(de)(de)(de)整個流道(dao)處于壓(ya)縮狀態(tai)。采用表面處理提高(gao)模(mo)具的(de)(de)(de)表面硬度(du)的(de)(de)(de)方法不能(neng)解決壓(ya)鑄的(de)(de)(de)空蝕問題(ti)。