原標(biāo)題：中信戴卡：工藝參數(shù)對壓鑄Al-Si-Mg合金組織和性能影響

汽車輕量化是降低能源消耗、減少污染物排放最有效的措施之一。鋁合金由于具有比強度高和性價比高等特點，作為汽車輕量化的首選材料，被用于車身、發(fā)動機、車輪等結(jié)構(gòu)件和零部件，其用量強度提升。高壓壓鑄具有產(chǎn)品尺寸精度高、生產(chǎn)效率高和可觀的經(jīng)濟效益等特點，適用于各種鋁合金復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。研究者們基于冷室壓鑄工藝，提出了壓室預(yù)結(jié)晶(Externally Solidified Crystals, ESCs)理論，認(rèn)為熔體在壓室中停留，特別是處于慢速壓射階段時，由于接觸較冷的壓室壁及沖頭，熔體的過熱度散失較快，已達到初生相的形核及生長條件。研究認(rèn)為，壓鑄件靠近芯部形成的粗大枝晶組織很大一部分來源于壓室中的ESCs,并隨著熔體填充型腔，流體作用力最終分布在鑄件心部區(qū)域。同時研究了鎂鋁合金及鋁合金壓鑄不同壓室尺寸、壓室停留時間以及添加細(xì)化劑等對鑄件中ESCs含量及分布形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)壓室傳熱系數(shù)越大、壓室停留時間越長，鑄件中ESCs含量越高，添加細(xì)化劑，鑄件中圓整ESCs增多。研究Mg-Al合金壓鑄過程發(fā)現(xiàn)，澆注溫度越低，壓鑄件中ESCs含量越高；速度越高，壓鑄件中ESCs越圓整細(xì)小。還有研究者研究了澆注溫度對鋁合金顯微組織、鑄造性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)較低的澆注溫度下金屬液流動性差，壓射過程中產(chǎn)生渦流、裹氣的可能性減小，壓鑄件內(nèi)在品質(zhì)提高，但是壓鑄件的組織粗化。在冷室高壓鑄造的實際生產(chǎn)過程中，由于工藝參數(shù)之間的相互約束關(guān)系，ESCs不可避免，只能通過優(yōu)化工藝參數(shù)來減少ESCs的體積分?jǐn)?shù)并控制其形貌。綜上，目前對ESCs的研究報道較少，在高壓鑄造實際生產(chǎn)過程中，針對Al-Si-Mg合金，系統(tǒng)研究壓鑄工藝對微觀組織形貌和力學(xué)性能影響的相關(guān)內(nèi)容報道較少。

在對采用高壓鑄造生產(chǎn)鋁合金結(jié)構(gòu)鑄件進行本體性能測試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顯微組織中存在相當(dāng)數(shù)量的粗大預(yù)結(jié)晶組織時，會顯著降低鑄件本體的屈服強度和硬度，無法滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)[屈服強度≥120MPa, 硬度(HB)≥75]。為了提升鑄件本體性能，滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)，研究了澆注溫度、壓射等待時間和化學(xué)成分對顯微組織中預(yù)結(jié)晶組織的體積分?jǐn)?shù)、尺寸和形態(tài)，以及對力學(xué)性能的影響，旨在為其應(yīng)用提供參考。

圖文結(jié)果

選用鋁合金橫梁(結(jié)構(gòu)鑄件)作為試樣，采用配備真空系統(tǒng)和鋁合金定量澆注爐的IDRA-1600壓鑄機進行試驗，通過改變澆注溫度、壓射等待時間和鋁液化學(xué)成分等工藝參數(shù)(澆注溫度為670、680℃;壓射等待時間為3、4、6和8s; 鋁液化學(xué)成分為Al-7Si-0.25Mg、Al-7.5Si-0.25Mg),獲得不同工藝條件下的試樣。在本體上切取試樣，并加工為拉伸和硬度試樣。金相試樣經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF水溶液進行腐蝕。采用ZEISSAxio Observer 7m自動倒置金相顯微鏡進行顯微組織觀察。采用ZWICK Z100拉伸試驗機進行力學(xué)性能檢測，拉伸速率為0.08%/s，試樣尺寸見圖1。采用XHB-3000Z型數(shù)顯布氏硬度計進行硬度測試，載荷為62.5kN,保持15s, 測試條件為HB 2.5/62.5。采用DSC0901型差熱分析儀，分析不同成分合金的凝固行為，冷卻速率分別為10℃/min和30℃/min。

表1 Al-Si-Mg合金的化學(xué)成分（%）

圖1 拉伸試樣尺寸

圖2 不同澆注溫度下Al-7Si-0.25Mg合金的微觀組織

表2 不同澆注溫度下ESCs面積分?jǐn)?shù)、平均直徑和鑄件本體力學(xué)性能

圖3 不同壓射等待時間條件下670℃時Al-7Si-0.25Mg的微觀組織

圖4 不同壓射等待時間下Al-7Si-0.25Mg合金中ESCs面積分?jǐn)?shù)和平均直徑

可以看出，隨著壓射等待時間延長，顯微組織中預(yù)結(jié)晶組織逐步粗大，且枝晶充分長大。圖4為不同壓射等待時間下，Al-7Si-0.25Mg合金的ESCs面積分?jǐn)?shù)和平均直徑的變化。可以看出，ESCs的面積分?jǐn)?shù)由15.8%增加到30.2%，平均直徑由122.37μm增加到158.32μm。圖5為鑄件在不同壓射等待時間下鑄件本體力學(xué)性能，可以看出鑄件的屈服強度、抗拉強度和布氏硬度隨著壓射等待時間的增加而降低，伸長率則呈上升趨勢。因此，為了提高鑄件的屈服強度和硬度，應(yīng)減少壓射等待時間。但壓射等待時間在3～8s區(qū)間內(nèi)，鑄件的屈服強度和硬度仍不能滿足要求。

圖5 不同壓射等待時間Al-7Si-0.25Mg鑄件本體力學(xué)性能

圖6 不同凝固速度下Al-7Si-0.25Mg和Al-7.5Si-0.25Mg合金的DSC曲線

在調(diào)整澆注溫度和壓射等待時間的基礎(chǔ)上，進一步分析化學(xué)成分對鑄件本體性能的影響。將合金中Si含量由7.0%調(diào)整為7.5%。首先采用DSC測試了Al-7Si-0.25Mg和Al-7.5Si-0.25Mg兩種合金在不同冷卻速度條件下的凝固行為。圖6是冷卻速度為10℃/min和30℃/min條件下，Al-7Si-0.25Mg和Al-7.5Si-0.25Mg合金的DSC曲線。可以看出，在10℃/min的凝固條件下，兩種合金的液相線溫度相差8℃左右，隨冷卻速度提升至30℃/min，兩種合金的液相線溫度相差13℃左右。

圖7 不同Si含量下合金的微觀組織

表3 不同Si含量條件下ESCs面積分?jǐn)?shù)、平均直徑和鑄件本體力學(xué)性能

結(jié)論

(1)顯微組織中存在的預(yù)結(jié)晶組織是降低Al-7Si-0.25Mg鑄件的屈服強度和硬度的主要原因。

(2)提升澆注溫度可以顯著減少Al-7Si-0.25Mg合金顯微組織中的ESCs，并促進其形貌由樹枝狀向球狀轉(zhuǎn)變，提升鑄件本體性能。

(3)增加壓射等待時間，Al-7Si-0.25Mg合金顯微組織中ESCs的面積分?jǐn)?shù)和平均尺寸呈增大趨勢，屈服強度和硬度呈下降趨勢。

(4)提升Si含量，在適當(dāng)冷速條件下，可明顯降低合金液相線溫度，從而抑制預(yù)結(jié)晶組織(ESCs)的析出，顯著提升鑄件本體力學(xué)性能。

本文作者：

馬超 李志廣 徐世文 劉海峰 白幫偉
王巍 李永飛 武國春 張宏仁
中信戴卡股份有限公司
本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志