超低速壓鑄慢壓射速度下ADC12鋁合金的顯微組織和性能

紀(jì)蓮清，郭長(zhǎng)江，熊守美, Masayuki Murakami, Yoshihide Matsumoto, Shingo Ikeda, 劉坤

(1. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州，450002；2. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京，100084；3. 日本東洋機(jī)械金屬株式會(huì)社，兵庫(kù)縣明石市，674-0091)

孔洞類(lèi)缺陷是壓鑄中公認(rèn)的主要缺陷之一，鋁合金中金屬液流動(dòng)過(guò)程的卷氣和凝固過(guò)程的收縮是產(chǎn)生孔洞類(lèi)型缺陷的主要原因[1-2]，不僅使鑄件不宜在高溫條件下工作，而且極大降低了壓鑄件的熱處理性能和機(jī)加工性能，限制了壓鑄件的使用。因此，減少壓室及型腔中氣體含量并采用合適的壓射速度，從而減少壓鑄時(shí)卷氣十分必要。壓鑄時(shí)，壓室的工作狀態(tài)大致可以分為澆料、慢壓射、快壓射、增壓及保壓5個(gè)階段。對(duì)于壓室的整個(gè)充填流程來(lái)說(shuō)，壓室內(nèi)的慢壓射過(guò)程是生產(chǎn)的第一個(gè)流程，也是經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)的流程，金屬液在慢壓射時(shí)的速度變化會(huì)影響其流動(dòng)形態(tài)，從而直接影響到其在澆道、澆口及型腔中的流動(dòng)，進(jìn)而影響到鑄件中卷入的氣體含量。采用合理的慢壓射速度既可獲得卷氣少致密度高的鑄件，也可保證一定的生產(chǎn)效率。

超低速(Super slow speed, 簡(jiǎn)稱(chēng)SSS )壓鑄正是利用比慢壓射速度還要低的快壓射速度，將液態(tài)金屬在高壓(幾十MPa至120 MPa)作用下以層流方式填充壓鑄模型腔，并在壓力下快速凝固而獲得氣體含量很低的壓鑄件的一種工藝方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少研究者開(kāi)展了真空壓鑄、加氧壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)壓鑄等特種壓鑄技術(shù)研究，并對(duì)一般壓鑄時(shí)加壓開(kāi)始時(shí)間、加壓壓力、速度等對(duì)鑄件密度變化的影響進(jìn)行了大量的研究[3-7]，但對(duì)超低速壓鑄的研究還較少。日本是較早開(kāi)展超低速壓鑄工藝研究的國(guó)家之一，且已將研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)，但發(fā)表這方面的研究成果較少。清華-東洋鎂鋁合金成形技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心近年來(lái)開(kāi)展了這方面的研究工作，已取得了一定的研究成果[8-10]。本文作者在此研究基礎(chǔ)上，以工業(yè)用壓鑄鋁合金 ADC12為研究對(duì)象，在設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒金屬模具上進(jìn)行超低速壓鑄試驗(yàn)，從鑄件密度、力學(xué)性能和顯微組織等方面，考察不同慢壓射速度對(duì)鑄件性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所選材料為商業(yè)用壓鑄鋁合金 JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))ADC12，用 ICP(等離子體發(fā)射光譜儀)測(cè)得其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：11.25% Si，3.09% Fe，2.51% Cu，0.21% Mn，0.096% Mg，1.74% Zn，其余為 Al。

試樣采用2種不同工藝的慢壓射速度在650T冷室壓鑄機(jī)(TOYOBD-650-V4-N)上進(jìn)行壓鑄。

工藝 1：模具溫度為 150 ℃，內(nèi)澆口直徑為 24 mm，高速速度為0.09 m/s(澆口速度0.39 m/s)，鑄造壓力為100 MPa，澆注溫度為700 ℃，溢流槽尺寸(直徑×高)為20 mm×3.0 mm，料柄厚度為40 mm，壓力閥開(kāi)度為100，除氣時(shí)間為20 min，持壓時(shí)間為10 s；低速離型劑與水的體積比為1∶30；沖頭用低速潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑。

工藝 2：除增加了起高速位置對(duì)鑄件性能的影響外，其他條件與工藝1的相同。工藝2增加了局部擠壓。澆口側(cè)擠壓時(shí)間為8 s，擠壓延時(shí)3.2 s；溢流側(cè)擠壓時(shí)間為8 s，擠壓延時(shí)2.2 s)，測(cè)試試件局部加壓對(duì)鑄件致密性的影響。

由于超低速壓鑄時(shí)的高速速度和低速速度都很低，溶液流動(dòng)性不好，在壓鑄時(shí)需要采取一些特殊設(shè)計(jì)來(lái)保證鑄件的質(zhì)量(圖1)。

圖1 壓鑄時(shí)需要采用的特殊設(shè)計(jì)Fig.1 Special design when casting

圖2 超低速壓鑄件試樣及尺寸Fig.2 Super slow speed die cast test specimen and dimension

將試樣從澆口處取下，測(cè)量不同試驗(yàn)條件下試樣(圖 2)的密度(JT5003型電子天平，精度為±0.001 g)及其力學(xué)性能(CSS-2220B電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī))，并在所得壓鑄件上截取并制備金相試樣，在金相顯微鏡(DMM-400C光學(xué)顯微鏡)及掃描電鏡(LEO-1530熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡)上觀察微觀組織及斷口，用XRD(bruker axs公司的 D8 ADVANCE X 線衍射儀)和 EDS(英國(guó)OXFORD)能譜儀測(cè)定相組成。在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)變速率基本控制在1 mm/min左右，同一工藝條件下測(cè)量3～5個(gè)試樣，并取平均值，作為最終測(cè)量結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 慢壓射速度對(duì)鑄件顯微組織的影響

圖3所示為工藝1中相同起速位置、不同慢壓射速度時(shí)試樣中部的顯微組織。從圖3可以看出：在其他條件不變的情況下，隨慢壓射速度的增加，α(Al)枝晶越來(lái)越粗大。圖4所示為工藝2中相同慢壓射速度、不同起速位置時(shí)試樣中部的顯微組織。從圖4可以看出：當(dāng)起速位置為260 mm時(shí)，α(Al)枝晶較細(xì)小。

圖3 不同速度、相同起速位置下試樣心部的顯微組織Fig.3 Center microstructures of test specimen at different slow speed on same injecting speed start locations

圖4 相同速度、不同起速位置下試樣心部的顯微組織Fig.4 Center microstructures of test specimen at same slowspeed on different injecting speed start locations

2.2 慢壓射速度對(duì)鑄件密度的影響

慢壓射速度對(duì)超低速壓鑄件性能的影響見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)：工藝1中各種速度下鑄件的密度明顯均高于工藝2中各種速度下鑄件的密度；慢壓射速度越大，鑄件的密度越低；恒速和加速下鑄件的密度變化不大。采用工藝 2，局部加壓后，在相同速度條件下鑄件的密度也均有明顯提高。

超低速壓鑄時(shí)，慢壓射速度很低，壓室中的氣體可以較充分排逸，故其鑄件密度比一般壓鑄時(shí)的要高；但由于合金液溫度較高，雖然慢壓射速度很低，使其在壓室中停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致合金液溫度降低，但在很低的快壓射速度下(0.09 m/s)，沖頭施加在合金液上的壓力較小，合金液在型腔中的凝固速度較低，沖頭壓力施加在液態(tài)合金上不能引起鑄件密度有大的提高。隨著慢壓射速度增加，鑄件密度下降，是由于慢壓射速度越大，合金液卷氣量越大；但由于慢壓射速度很低，合金液運(yùn)動(dòng)時(shí)卷氣不是很?chē)?yán)重，故只要沖頭速度很低，恒速或加速密度變化不大。局部加壓可以減少或消除壁厚處由于最后凝固收縮而產(chǎn)生的縮孔、縮松，故鑄件的密度進(jìn)一步提高。

表1 慢壓射速度對(duì)超低速壓鑄件的性能影響Table 1 Effects of slow speed on properties of super slow speed die castings

2.3 慢壓射速度對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響

采用工藝1的慢壓射沖頭恒速時(shí)，隨著沖頭速度增加，抗拉強(qiáng)度減小，伸長(zhǎng)率也降低，屈服強(qiáng)度變化不明顯。慢壓射沖頭加速時(shí)，2種加速方式(見(jiàn)表1)的抗拉強(qiáng)度均較低，屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與恒速相比變化不明顯；工藝2采用恒慢壓射速度，從表1可見(jiàn)：抗拉強(qiáng)度隨著慢壓射速度的變化影響不大，而與起高速位置有關(guān)[11]。在起高速位置為260 mm時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，此時(shí)伸長(zhǎng)率也最大。工藝2中的屈服強(qiáng)度與工藝1的相比明顯減小，但受慢壓射速度的變化影響不大。

2.4 慢壓射速度對(duì)鑄件斷口形貌的影響

2種工藝條件下鑄件的拉伸斷口均為靜拉應(yīng)力造成的混合斷口，有典型的輻射狀棱線形貌，可以據(jù)此找到裂紋源(圖5(a))。掃描斷口由多個(gè)解理平臺(tái)組成，很少有韌窩，且斷口上有較多的二次裂紋，呈典型的脆斷特征(圖5(b))。

3 分析與討論

超低速壓鑄時(shí)壓射速度很低，雖然可以保證壓室內(nèi)金屬液平穩(wěn)流動(dòng)卷氣較少，獲得較大的密度，但由

圖5 超低速下鑄件的斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of super slow speed die cast specimens

于速度太低，會(huì)出現(xiàn)壓室內(nèi)金屬液溫度下降的問(wèn)題，難以保證充填時(shí)良好的流動(dòng)性，甚至出現(xiàn)澆口處金屬液凝固封堵澆口，造成充型不良。故應(yīng)在保證良好的鑄造性能的前提下選擇合適的慢壓射速度。在工藝 1中，隨著慢壓射速度增加，鑄件性能下降非常明顯，這是由慢壓射速度越大，合金液卷氣越嚴(yán)重造成的，這可以從速度越大密度越低得到證明；沖頭加速時(shí)，這2種加速方式的鑄件性能都較差，說(shuō)明在超低速壓鑄時(shí)，沖頭恒速比加速鑄件的性能要好。在工藝2中，隨著慢壓射速度的增加，性能先有小幅度提高，在慢壓射速度增加到0.43 m/s后達(dá)到最大值，隨后，隨著慢壓射速度的增加，鑄件性能開(kāi)始下降，但性能總的變化很小，說(shuō)明鑄件的性能主要取決于快壓射、增壓、保壓及模具結(jié)構(gòu)等其他壓鑄工藝參數(shù)，而與慢壓射速度關(guān)系不大[12]。

起高速位置是由慢壓射向快壓射啟動(dòng)的位置，作為低高速的轉(zhuǎn)化位置，決定著高速壓射充型過(guò)程中金屬液的流動(dòng)狀態(tài)。起高速位置發(fā)生在壓射較早階段時(shí)，金屬液容易形成嚴(yán)重的翻轉(zhuǎn)造成卷氣；而當(dāng)起高速位置過(guò)晚時(shí)，型腔已經(jīng)充填一部分金屬液，高速跟進(jìn)的金屬液可能迅速超過(guò)低速的金屬液充填，導(dǎo)致充填速度不一致，造成流痕缺陷，并且由于慢速進(jìn)入的金屬液溫度較低，可能提前凝固封堵澆口，造成充型不良等其他缺陷。合理的起高速位置可以避免上述缺陷發(fā)生，從而使金屬液具有良好的力學(xué)性能。以上分析可知：在低速速度為0.48 m/s、高速速度為0.09 m/s時(shí)，起高速位置為260 mm時(shí)較為合適。

4 結(jié)論

(1) 超低慢壓射壓鑄時(shí)鑄件的含氣量較低，密度較大，但壓室中仍然存在卷氣現(xiàn)象。

(2) 當(dāng)起速位置相同時(shí)，鑄件的性能隨著低速速度的增大而降低。

(3) 在相同低速速度、不同高速起速位置時(shí)，起速位置有最佳值，鑄件性能在高速起速位置為260 mm時(shí)較好。

(4) 為避免出現(xiàn)澆口處金屬液凝固封堵澆口，造成充型不良，應(yīng)在保證良好鑄造性能的前提下選擇合適的慢壓射速度，兼顧充型時(shí)的卷氣對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響和合金的流動(dòng)性對(duì)鑄件鑄造性能的影響。

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