于水，王金生，尹政，姬生輝，張景濤，劉洪莎，孔凡鎮(zhèn)

（山東圣陽電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

鉛酸蓄電池以其安全性能高、性價(jià)比高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，以及可再生循環(huán)利用的特性，已成為國民經(jīng)濟(jì)中不可或缺的基礎(chǔ)性產(chǎn)品。極柱作為鉛酸蓄電池內(nèi)部的重要組成部件，是相鄰單體間連接的橋梁，因此其生產(chǎn)質(zhì)量直接決定著鉛酸蓄電池的安全性與壽命。目前，國內(nèi)鉛酸蓄電池行業(yè)普遍采用重力澆鑄工藝生產(chǎn)極柱。生產(chǎn)方式有手工澆鑄與機(jī)器澆鑄兩大類[1]。無論是手工澆鑄還是機(jī)器澆鑄，均是液態(tài)鉛合金由模具頂部澆鑄口進(jìn)入模具腔體，經(jīng)過冷卻凝固形成極柱。這種生產(chǎn)方式便捷，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，但是常會(huì)出現(xiàn)由于模具腔體殘留氣體不能及時(shí)排出而產(chǎn)生的鑄件氣孔缺陷。氣孔會(huì)直接減少極柱的有效承載面積，降低極柱的耐腐蝕性與大電流承載能力，進(jìn)而對(duì)鉛蓄電池的性能產(chǎn)生較大的影響。本文中，筆者結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，針對(duì)重力澆鑄極柱的方式，驗(yàn)證分析極柱產(chǎn)生氣孔的影響因素，摸索出了有效解決氣孔缺陷的方法。

1 極柱澆鑄工藝簡介

重力鑄造工藝是指金屬液在地球重力作用下注入鑄型的工藝，也稱重力澆鑄。廣義的重力鑄造包括砂型澆鑄、金屬型澆鑄、熔模鑄造、消失模鑄造、泥模鑄造等。狹義的重力鑄造主要指金屬型澆鑄。金屬型澆鑄是用耐熱合金鋼制作鑄造用中空鑄型模具的現(xiàn)代工藝。鑄型模具能反復(fù)多次使用，每澆注一次金屬液，就獲得一次鑄件，因此，不但壽命很長，而且生產(chǎn)效率很高。金屬型的鑄件不但尺寸精度好，表面光潔，而且在澆注相同金屬液的情況下，鑄件強(qiáng)度要比砂型的更高，更不容易損壞。極柱澆鑄屬于金屬型澆鑄。實(shí)際中，由于重力澆鑄的需要，應(yīng)該把極柱倒立過來，將頂柱放在底部，底座放在模具的上端（參見圖1），即把質(zhì)量大的部分放在底部。這樣澆鑄可以使合金液流動(dòng)性更好，極柱熔合性更強(qiáng)，而且能減少接縫線的產(chǎn)生[2]。生產(chǎn)極柱的一般流程為：① 鉛合金錠在鉛鍋內(nèi)通過高溫熔化形成鉛合金液；② 鉛合金液通過鉛泵進(jìn)入輸鉛管，流向鉛勺；③ 鉛勺內(nèi)的鉛合金液通過重力方式澆鑄到模具腔體內(nèi)，并在腔體內(nèi)冷卻；④ 冷卻后的合金件經(jīng)過澆口切除、脫模形成成品極柱。

圖1 極柱澆鑄時(shí)的倒立狀態(tài)

2 氣孔產(chǎn)生的原因分析

氣孔是氣泡在液體金屬凝固結(jié)殼前來不及浮出而留在鑄件內(nèi)部形成的一種孔洞缺陷。氣孔缺陷是鑄造最常見的缺陷之一，可分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應(yīng)性氣孔三大類。侵入性氣孔是指氣體從金屬外部侵入液體而形成的氣孔。侵入性氣孔的體積較大，多呈現(xiàn)圓型，一般出現(xiàn)在鑄件澆鑄位置的上部。析出性氣孔是溶解在液態(tài)金屬中的氣體在凝固過程中析出而成的。該類氣孔的特征為整個(gè)鑄件斷面都布滿小孔，但是這樣的情況不常見。反應(yīng)性氣孔又叫皮下氣孔，是液態(tài)金屬中的某些成分與模具界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的氣孔。該類氣孔都位于鑄件表面以下較淺的位置，而且呈分散小孔狀[3-4]。在實(shí)際生產(chǎn)中，鉛酸蓄電池極柱的氣孔一般位于澆鑄位置上方，屬于侵入性氣孔。其形成主要緣于模具腔體內(nèi)的氣體與澆鑄時(shí)卷入的氣體，也就是：合金液進(jìn)入模具腔體內(nèi)之后，氣體受到擠壓而上浮，通過模具排氣道與模具澆鑄口排出，但是當(dāng)合金液冷卻凝固時(shí)，如果該部分氣體不能及時(shí)排出，就會(huì)包裹在鑄件內(nèi)部形成氣孔。解決該類氣孔缺陷需要從延長氣體排出時(shí)間和提高氣體排出效率方面采取措施，保障合金液凝固前，氣體能夠完全排出。

3 試驗(yàn)及結(jié)果討論

3.1 極柱氣孔的檢測(cè)方法

對(duì)于通過機(jī)器澆鑄方式生產(chǎn)出的極柱，氣孔一般位于極柱內(nèi)部，由簡單目測(cè)是不能發(fā)現(xiàn)的，因此需要將極柱靜置冷卻后，使用工具先將頂柱與底座結(jié)合位置剖切開，再將分離后的頂柱與底座分別平均剖成 3 段，檢查測(cè)量剖開面的氣孔情況（參見圖2）。

圖2 極柱剖面

3.2 合金液凝固速度對(duì)極柱氣孔的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，合金液凝固速度主要受到合金溫度與模具冷卻水的影響。合金溫度高會(huì)使得合金液凝固速度減緩，流動(dòng)性、充型效果提升，但是合金溫度過高會(huì)導(dǎo)致溶解氣體多，合金出渣率高等問題出現(xiàn)。模具冷卻水主要通過流量控制模具腔體內(nèi)合金的凝固速度。冷卻水的流量小會(huì)延緩合金凝固速度，但是冷卻水的流量過小會(huì)導(dǎo)致脫模困難，脫模劑過早失效。本次試驗(yàn)中，筆者在保持鑄造速度不變的情況下，設(shè)定合金溫度升幅為 20 ℃，冷卻水流量的降幅為 1 L/min，直至極柱脫模困難為止，對(duì)比觀察延緩合金液凝固速度對(duì)極柱氣孔的影響。由表1 與圖3所示試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過提升合金的溫度，降低循環(huán)冷卻水的流量來延緩合金凝固速度，可以將極柱氣孔體積縮小，但是不能避免氣孔的出現(xiàn)。

表1 不同合金溫度與冷卻水流量下極柱氣孔的大小

圖3 不同合金凝固速度下產(chǎn)生的氣孔

3.3 脫模劑類型對(duì)極柱氣孔的影響

使用脫模劑噴涂模具的主要目的是讓脫模劑起到隔熱的作用，使液態(tài)鉛基合金保持熔融狀態(tài)，順利注滿模具，防止模具表面受到熔融合金的直接作用，讓鑄件容易脫模并且表面光滑[5-6]。同時(shí)，調(diào)節(jié)模具各個(gè)部分的溫度，起到保持模具溫度平衡的作用，促進(jìn)合金液充型飽滿，擠出內(nèi)部氣體，保證壓鑄件的質(zhì)量。本次試驗(yàn)中，筆者在保持合金溫度與冷卻水流量一致的情況下，使用 3 種配方的脫模劑，對(duì)比脫模劑對(duì)極柱氣孔的影響。由表2 與圖4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，更改脫模劑配方的方法對(duì)于改善極柱中氣孔缺陷的作用不明顯。

表2 采用不同脫模劑時(shí)極柱氣孔的大小

圖4 采用不同脫模劑時(shí)的氣孔

3.4 模具結(jié)構(gòu)對(duì)極柱氣孔的影響

機(jī)器澆鑄極柱模具主要包括澆板、動(dòng)模、靜模、脫模針及相關(guān)配件。澆板上設(shè)置澆鑄口（一般為 6 個(gè)）。生產(chǎn)時(shí)鉛合金液通過澆鑄口進(jìn)入動(dòng)模與靜模之間的模腔。經(jīng)過冷卻后，澆板與模具發(fā)生左右位移，切除澆口，然后脫模針將極柱推出（參見圖5與圖6）。在極柱模具中，影響氣體排出的因素主要有澆鑄口的尺寸、排氣道的尺寸和排氣路徑。

圖5 極柱模具

圖6 極柱模具剖面圖

3.4.1 澆鑄口尺寸

澆鑄口是指液態(tài)鉛合金充型時(shí)所經(jīng)過的通道，一般采用重力頂柱式設(shè)計(jì)[7]。澆鑄口的作用是讓鉛合金液迅速而平穩(wěn)地充滿模具腔體，同時(shí)為氣體的逃逸提供通道。澆鑄口過小會(huì)導(dǎo)致合金液充型較慢，造成零件缺肉，同時(shí)影響模腔內(nèi)氣體的逃出速度。澆鑄口過大則會(huì)導(dǎo)致澆口與零件之間的連接過于牢固，切除澆口困難，零件變形等問題。本實(shí)驗(yàn)中，在不影響澆口切除的前提下，將澆鑄口由直徑2.5 mm 的圓孔調(diào)整為長軸 5 mm、短軸 4 mm 的橢圓孔（參見圖7）。模具澆鑄口修改后，氣孔依然存在，但是氣孔體積縮小了（參見圖8）。

圖7 調(diào)整后的橢圓澆鑄口

圖8 調(diào)整澆口后生產(chǎn)的極柱

3.4.2 排氣道尺寸

排氣道是模具結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分，在澆鑄時(shí)可以為模具腔體的氣體提供外排途徑。排氣道的寬度和深度都影響著氣體的排出效率，所以對(duì)于改善氣孔缺陷至關(guān)重要。本次試驗(yàn)中，在保障排氣道不灌鉛，并且修改了澆鑄口尺寸的基礎(chǔ)上，將極柱模具的排氣道由寬 5 mm、深 0.02 mm 調(diào)整至寬 7 mm、深 0.06 mm（參見圖9）。修改后澆鑄極柱中，氣孔體積進(jìn)一步縮小（參見圖10）。

圖9 調(diào)整后的模具排氣道尺寸

圖10 排氣道調(diào)整后生產(chǎn)的極柱

3.4.3 排氣路徑

鉛合金液從澆鑄口流入后，會(huì)先沿著頂柱模腔的腔壁逐漸流入，并填充滿頂柱模腔，最后填充底座模腔。其間，頂柱模腔中的氣體一部分會(huì)從排氣道逸出，而剩余的氣體會(huì)受到鉛液的擠壓而上浮，尋找出口。通過解剖極柱發(fā)現(xiàn)，氣孔均集中在底座模腔位置。因此，本次試驗(yàn)中，在修改了澆鑄口與排氣道尺寸的基礎(chǔ)上，將澆鑄口位置由頂柱模腔上方修改至底座模腔上方（參見圖11）。修改模具的排氣路徑后生產(chǎn)極柱。多次抽樣檢測(cè)結(jié)果表明，氣孔問題已消失，達(dá)到了預(yù)期效果（參見圖12）。

圖11 調(diào)整后的澆鑄口位置

圖12 極柱改善效果

4 結(jié)束語

筆者從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，通過分析、論證造成極柱氣孔的因素，提出了以下改善鉛酸蓄電池極柱氣孔的方法：

（1）通過調(diào)整合金溫度與冷卻水流量，延長鉛合金液的凝固時(shí)間，可以減小極柱氣孔的大小。

（2）通過調(diào)整模具澆鑄口大小、位置與排氣道結(jié)構(gòu)，配合合理的工藝參數(shù)，可以達(dá)到消除侵入性氣孔的效果。

由于鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷的影響因素較多，不可千篇一律，需依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，針對(duì)性地提出改善措施，提升產(chǎn)品質(zhì)量。