原標題：東北大學&一汽集團：壓鑄AlSi10MnMg合金斷裂行為及免熱處理合金開發(fā)

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，減少碳排放已然成為各國緩解資源短缺和環(huán)境污染問題的重要措施。在汽車生產(chǎn)制造領域，為降低燃油消耗，減少碳排放，發(fā)展輕量化的新能源汽車已經(jīng)成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。其中，在保證汽車安全性的前提下，實現(xiàn)汽車減重和低成本制造成為了汽車生產(chǎn)商發(fā)展目標。汽車減重的方式主要有優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)和發(fā)展輕合金材料。在車身優(yōu)化方面，唐淳等通過有限元仿真模擬，實現(xiàn)了對汽車輪轂的優(yōu)化，減重0.97kg。在車身選材方面，鋁合金由于密度小、比強度高、成本低廉，成為汽車輕量化最理想的選材之一。目前，鋁合金材料可以用于生產(chǎn)減震塔、輪轂、方向盤、儀表盤、發(fā)動機缸體和防撞梁等車用零部件，常見的亞共晶Al-Si合金有A356、A380、ADC12、Silafont-36、Castasil-37和Silafont-38等，其中Silafont-36（又稱AlSi10MnMg）合金在壓鑄汽車部件上應用較為廣泛，其不僅性價比高（無貴重元素添加），鑄造性能好，而且熱處理后的力學性能優(yōu)異。在低成本制造方面，特斯拉提出了一體化車身設計，實現(xiàn)了幾十或上百個車用部件一體化成形，提高效率的同時，也極大降低了因鉚接和焊接帶來的高昂成本。

高壓鑄造（HPDC）作為一種生產(chǎn)效率極高的近凈成形工藝，因其生產(chǎn)的汽車零部件尺寸精度高，表面粗糙度低，廣泛地應用于車用零部件的生產(chǎn)制造過程中。然而，在壓鑄過程中，由于壓室中低速推進，型腔中高速充型和高壓凝固的特點，使得壓鑄件中存在異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為不規(guī)則的皮膚層、大尺度的缺陷帶、粗大的預結(jié)晶組織（ESCs）、大尺寸的氣孔和縮松等。研究者通過仿真模擬手段，模擬了液流高速充型過程，發(fā)現(xiàn)壓鑄件中的孔洞無法消除。通過壓鑄充型數(shù)值模擬計算了充型過程缺陷形成和演變行為，發(fā)現(xiàn)ESCs的中心分布和環(huán)形分布導致了缺陷帶的產(chǎn)生。真空壓鑄技術(shù)的發(fā)展極大地降低了壓鑄產(chǎn)品中的孔隙率，提高了鑄件質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，通過添加真空裝置后，壓鑄件中的孔隙率由原來的8.5%降至3.7%。研究了型腔中的真空度與孔隙率的關(guān)系，認為低的型腔真空度能夠有效降低孔洞含量。本課題組近年來通過不斷提升高真空壓鑄技術(shù)（雙真空機協(xié)同抽真空），優(yōu)化壓鑄參數(shù)（多級低速），改進模具結(jié)構(gòu)（澆道、分流錐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化），建立了高真空壓鑄體系，能夠保證壓鑄過程中型腔真空度低于10kPa，為壓鑄件提供強有力的工藝保障。然而，在壓室中形成的粗大預結(jié)晶初生α-Al相（ESCs-αI）在壓鑄件中能夠引起大尺寸縮松，降低力學性能。還有研究者通過原位拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)ESCs晶界上易產(chǎn)生較大尺寸縮松，其往往充當裂紋源加速鑄件失效。另外，F(xiàn)e作為鋁合金中的雜質(zhì)元素，極易在熔煉過程中引入，去除難度較大。在壓鑄中，F(xiàn)e能夠促進脫模，有利于延長模具壽命，降低模具生產(chǎn)成本，但壓鑄過程中壓室中形成的初生富Fe相（ESCs-IMCI）脆性較大，危害力學性能。本研究的重點是探討預結(jié)晶組織在AlSi10MnMg合金斷裂過程中的作用，在此基礎上，通過微合金化的方式細化ESCs-αI并優(yōu)化ESCs-IMCI，開發(fā)新型免熱處理壓鑄合金并實現(xiàn)其在減震塔零部件上的試制，旨在為其應用提供參考。

圖文結(jié)果

采用商用的AlSi10MnMg合金，其成分見表1。鑄錠成分在標準AlSi10MnMg合金成分范圍內(nèi)，無氧化夾雜等重大缺陷，質(zhì)量合格。同時，自主設計的新型THAS-1合金理想成分區(qū)間見表2。在AlSi10MnMg合金基礎上，適當降低Si含量和Mn含量，并去除Mg，同時增加Zr和V來優(yōu)化合金組織。采用的模具為三棒一片模具，參照文獻，采用TOYO BD-350V5臥式冷室壓鑄機，配有高真空裝置。將金屬鑄錠添加到熔煉爐中，并進一步快速加熱至700~720℃溫度區(qū)間以防止合金元素產(chǎn)生偏析。熔化后保溫30min，然后通入氬氣并進行持續(xù)攪拌30min。完成后，熔體冷卻到680℃靜置30min，隨后進行扒渣。壓鑄采用的工藝參數(shù)：澆注溫度為680℃，初始模具溫度為120℃，低速速度為0.05~0.4m/s，高速速度為1~3m/s。車用減震塔結(jié)構(gòu)件及取樣位置見圖1，該壓鑄試驗采用富來28000kN高真空壓鑄機，壓鑄工藝根據(jù)壓鑄機參數(shù)制定。

表1 AlSi10MnMg合金的化學成分（%）

表2 THAS-1合金的化學成分（%）

圖1 減震塔結(jié)構(gòu)及取樣位置圖

圖2  壓鑄AlSi10MnMg合金的顯微組織

在圖2a中，異常粗大的ESCs-αI具有較高的枝晶化程度，而細小的αI-Al以花瓣狀形貌存在，圖中暗黑色區(qū)域為共晶組織。ESCs-αI和αI-Al都屬于初生α-Al相，但ESCs-αI形核于壓室，并在沖頭推進過程中快速生長，隨著高速液體快速充型，凝固結(jié)束后保留在鑄件中，其中，部分ESCs-αI在高速液流作用下會發(fā)生破碎、重熔，其形狀變成球狀或桿狀。αI-Al在液相充填型腔快速凝固條件下形核析出，高冷速限制了其進一步生長，因此，尺寸較小，約為5μm。在圖2b中，兩種初生富Fe相［ESC-IMCI和（P-IMC）II］呈規(guī)則的多面體形貌，但二者尺寸相差懸殊。與初生α-Al相類似，兩種初生富Fe相形核位置也存在差異。ESC-IMCI在壓室中形核長大，而（P-IMC）II在型腔中快速形核析出。

圖3  AlSi10MnMg合金斷口及主裂紋附近組織

圖4 免熱處理THAS-1合金的組織

圖5  兩種合金減震塔不同位置的力學性能

圖6 壓鑄THAS-1合金斷口形貌圖

結(jié)論

（1）壓鑄AlSi10MnMg合金中壓室預結(jié)晶組織包括ESC-αI（初生α-Al相）和ESC-IMCI（初生富Fe相）。相較于型腔初生α-Al相（αI-Al）和初生富Fe相［（P-IMC）II］，壓室預結(jié)晶組織尺寸大且ESC-αI的枝晶化程度高，其富集在一起，形成枝晶網(wǎng)絡，凝固過程中極易造成剩余液相補縮困難，形成大尺寸縮松，促進沿晶斷裂裂紋擴展，降低性能。粗大的ESCs-IMCI與周圍基體變形協(xié)調(diào)性差，易引起應力集中，促進裂紋擴展。

（2）基于調(diào)控壓室預結(jié)晶組織，開發(fā)了新型免熱處理THAS-1合金。相較于AlSi10MnMg合金，壓鑄THAS-1合金中的ESCs-αI圓整化程度較高，ESCs-IMCI的球化趨勢較為明顯，強度和伸長率較熱處理態(tài)AlSi10MnMg合金性能高，THAS-1合金斷口存在大量的韌窩，綜合力學性能優(yōu)異。

作者
焦祥祎
東北大學材料科學與工程學院
張煒 王鵬越 石利軍 王成剛 佟國棟
中國一汽集團
劉亦賢 熊守美
清華大學材料學院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴