鎂基復(fù)合材料半固態(tài)流變成型件的研究

吳孝泉

（江西科技學(xué)院 教務(wù)處，江西 南昌 30098）

鎂基復(fù)合材料半固態(tài)流變成型件的研究

吳孝泉

（江西科技學(xué)院 教務(wù)處，江西 南昌 30098）

采用原位法制備鎂基復(fù)合材料，通過(guò)機(jī)械攪拌法制備出Mg2Si/AM60半固態(tài)漿料。比較研究了半固態(tài)復(fù)合材料流變成形件和常規(guī)壓鑄件的組織。結(jié)果表明：流變成形件澆注溫度低、壓射力大、壓鑄件表面質(zhì)量好、內(nèi)部組織均勻、大部分固相以球狀存在。

汽車(chē)零件；復(fù)合材料；流變壓鑄

0 引言

鎂合金因其塑性差、強(qiáng)度低、耐熱性差等缺點(diǎn)，在工業(yè)上的應(yīng)用受到限制。隨著，汽車(chē)零件輕量化的發(fā)展及輕金屬做為結(jié)構(gòu)材料的需求量變大，開(kāi)發(fā)輕金屬結(jié)構(gòu)材料和金屬成型新工藝迫在眉睫[1-7]。本實(shí)驗(yàn)采用鎂基復(fù)合材料制備出半固態(tài)漿料，通過(guò)流變成型工藝，制造出汽車(chē)零件，并對(duì)零件的外觀(guān)及組織進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1鎂基復(fù)合材料的制備工藝

制備合金原料為：Al5.58-Mn0.33-Zn0.17-Si0.03-Fe0.001-Cu0.005,將上述原料在電阻爐中加熱至800℃熔化，當(dāng)鎂熔體溫度達(dá)到780-800℃時(shí)，靜置5min。精煉時(shí)為減少熔體燒損，采用自制覆蓋劑對(duì)熔體保護(hù)。將干燥后的結(jié)晶Si粉用鋁箔包好，并壓入合金熔體當(dāng)中。為使結(jié)晶Si熔解充分，成分分布均勻，反應(yīng)15min后用自制攪拌器對(duì)熔體攪拌5-10min，保溫30min，溫度降至600℃，攪拌5-10min。

1.2 流變壓鑄工藝

液態(tài)常規(guī)壓鑄和流變壓鑄工藝都采用湯勺將合金熔體喂入壓室，將漿料壓入模具型腔成形,半固態(tài)流變壓鑄工藝如圖1所示。

圖1 流變壓鑄工藝流程圖

復(fù)合材料流變壓鑄的澆注溫度為600℃，沖頭壓射速度2.5m/s，模具溫度220℃。液態(tài)常規(guī)壓鑄澆注溫度660℃，其它參數(shù)和半固態(tài)相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鎂基復(fù)合材料顯微組織分析

結(jié)晶Si粉加入AM60熔體中，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)組織中生成Mg2Si，其形態(tài)分別以塊狀、片層狀、中國(guó)漢字狀及枝晶狀出現(xiàn)。

從圖2可以看出，當(dāng)Si粉加入量為0.5wt.%時(shí)，鑄態(tài)組織中基本無(wú)枝晶，晶粒細(xì)化，且有少量中國(guó)漢字狀Mg2Si相；當(dāng)Si粉加入量為1wt.%時(shí)，中國(guó)漢字狀的Mg2Si相開(kāi)始增多，并形成了少量片狀Mg2Si。隨著Si粉加入量的進(jìn)一步增加，鑄態(tài)組織里中國(guó)漢字狀Mg2Si逐漸消失，取而代之的是粗大樹(shù)枝狀及板塊狀Mg2Si，且形狀隨Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大。當(dāng)Si粉加入量達(dá)到5wt.%時(shí)，組織中出現(xiàn)了角塊狀黑色富硅相，此相力學(xué)性能強(qiáng)度低，性能脆，受拉力容易在此區(qū)域發(fā)生裂紋。

圖2 Si量對(duì)復(fù)合材料微觀(guān)組織的影響

分析鑄態(tài)組織表明：合金中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Si粉，生成Mg2Si相的形態(tài)也大不相同，為獲得最優(yōu)力學(xué)性能的材料，本實(shí)驗(yàn)采用結(jié)晶Si粉加入量為1wt.%的復(fù)合材料做研究對(duì)象。

2.2 鎂基復(fù)合材料常規(guī)壓鑄件的分析

圖3（a）為液態(tài)常規(guī)鑄件外觀(guān)，觀(guān)察可看到細(xì)小的網(wǎng)狀花紋印分布在中間軸螺塞的外徑上，并伴有粘模及飛邊的缺陷。[8]本實(shí)驗(yàn)中模具對(duì)應(yīng)部位無(wú)龜裂缺陷，本次實(shí)驗(yàn)網(wǎng)狀花紋印記缺陷是可能是由于金屬漿料溫度高、熔體與模具溫差大、鑄件各部位凝固速度不同，最終形成此缺陷；圖3（b）中可見(jiàn)，有一鑄件被完全頂出，連接在澆道上，而另一鑄件粘在模具型腔里，從而形成粘模缺陷。其原因可能是熔體填充速度快、脫模劑使用不當(dāng)或澆注溫度過(guò)高造成的；圖3（c）箭頭所示飛邊缺陷，它是壓鑄件最常見(jiàn)的一種缺陷，其產(chǎn)生的原因相對(duì)復(fù)雜，如：模具鎖模力不夠、模具型腔內(nèi)雜物未清理或壓射速度快，壓射沖擊力大等原因。

為消除以上缺陷，需考慮調(diào)整澆注溫度，減小壓射速度，清潔模具型腔，重新檢查鎖模力等壓鑄機(jī)參數(shù)，以便有效改善壓鑄件質(zhì)量。

圖3 液態(tài)鑄件缺陷

2.3 鎂基復(fù)合材料流變壓鑄件的分析

2.3.1 復(fù)合材料半固態(tài)組織

從圖4可以看出，半固態(tài)組織形貌里完全看不到枝晶狀組織，并且中國(guó)漢字狀Mg2Si分布在液相和晶界中（箭頭所示）。

圖4 復(fù)合材料的半固態(tài)組織

2.3.2 流變壓鑄件的分析

在半固態(tài)金屬流變壓鑄過(guò)程中，熔體是以層流方式充型，此種充型能最大限度地減少鑄件卷氣，但層流充型比紊流充型要求的壓射力要大得多。因此，在壓射第一階段以高壓、高速將漿料壓入型腔。此外，流變壓鑄比常規(guī)壓鑄澆注溫度，以層流方式充型。因此，縮孔、縮松產(chǎn)生的機(jī)率極小，鑄件合格率會(huì)大幅提高。

從圖5（a）、（b）可以觀(guān)察到鑄件有欠鑄缺陷，590℃澆注溫度偏低，半固態(tài)漿料流型性差，最終形成欠鑄缺陷。其次，本實(shí)驗(yàn)是采用人工湯勺取料，真正的澆注溫度會(huì)比檢測(cè)的溫度低。

圖5 半固態(tài)鑄件

圖 5（c）、（d）分別為澆注溫度 610℃和 615℃得到的壓鑄件。由鑄件外觀(guān)來(lái)看，表面質(zhì)量好，無(wú)粘模、飛邊、網(wǎng)狀花紋等缺陷。

圖6（a）、（b）分別為常規(guī)液態(tài)壓鑄件和流變壓鑄件無(wú)損探傷分析圖。從常規(guī)液態(tài)壓鑄圖中看出，中間軸螺塞零件的齒心有氣孔、縮松等缺陷，且軸輪廓不清晰。分析產(chǎn)生的原因是液態(tài)壓鑄澆注溫度過(guò)高，壓射速度過(guò)大，合金熔體易卷氣，模具型腔內(nèi)氣體未及時(shí)排出，最終導(dǎo)致氣體混合在金屬熔體中，形成氣孔、縮松等缺陷。從圖b可看出，中間軸螺塞齒輪廓清晰，齒內(nèi)陰影明顯。說(shuō)明充型效果好，很大程度降低了卷氣、縮松等缺陷率。

圖6（c）、（d）分別常規(guī)壓鑄件和流變壓鑄件組織形貌，由圖c可看出常規(guī)壓鑄件組織形貌主要由枝晶組成，其間還有部分縮松存在，且組織不緊密。而流變壓鑄件組織形貌主要以半固態(tài)非枝晶態(tài)組織存在，組織緊密，看不到其它縮孔、縮松等缺陷[9-10]。

圖6 無(wú)損探傷及微觀(guān)組織分析

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用原位復(fù)合Mg2Si/AM60材料，并對(duì)其進(jìn)行流變成形，通過(guò)流變壓鑄與常規(guī)壓鑄件的外觀(guān)及微觀(guān)組織對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

1、在零件外觀(guān)上，液態(tài)壓鑄件容易產(chǎn)生網(wǎng)狀流紋、粘模、飛邊等缺陷，其主要原因是液態(tài)壓鑄澆注溫度高，熔體內(nèi)溫度梯度大，熔體內(nèi)部組織組織不均勻；流變壓鑄工藝減少縮孔、縮松，消除了微裂紋，零件表面質(zhì)量好，內(nèi)部組織中的球狀固相顆粒變形小。

2、從微觀(guān)組織來(lái)看，常規(guī)液態(tài)壓鑄件組織以大塊枝晶為主，液相分布于枝晶間，且分布不均勻；流變壓鑄件內(nèi)部組織均勻，球狀固相變形小。

3、流變壓鑄件在成形時(shí)，要求的壓射力比常規(guī)液態(tài)壓鑄成形時(shí)高，且在低溫澆注時(shí)（如590℃）會(huì)流變壓鑄件會(huì)有欠鑄缺陷產(chǎn)生，其主要原因是復(fù)合材料熔體粘度高，流動(dòng)性差。因此，適當(dāng)提高壓射力和澆注溫度，能更好地改善流變壓鑄件的質(zhì)量。

[1]吳孝泉.Si對(duì)原位自生鎂基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2011.31(10)：952-954.

[2]侯文杰，譚建波，劉江成.半固態(tài)流變壓鑄的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].鑄造技術(shù)，2009(01)：365-368.

[3]張軍.康永林.張帆.A356鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件力學(xué)性能的研究 [J].特種鑄造及有色合金，2011(08)：456-458.

[4]唐景.董選普.張磊等.鋁合金半固態(tài)流變壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].鑄造，2012(01)：542－544.

[5]王國(guó)偉.巫瑞智.Al-6.5%Mg合金的半固態(tài)流變鑄造及其性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012(01)：256-258.

[6]張毅.楊宇.半固態(tài)流變成形技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].鑄造技術(shù)，2012(04)654－656.

[7]滕海濤.熊柏青.張永安等.鋁、鎂合金半固態(tài)漿料的制備與流變成形新工藝 [J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012(04)：136-138.

[8]李偉東.陳和興.王順成等.擠壓鑄造半固態(tài)A356鋁合金的組織與力學(xué)性能 [J].鑄造技術(shù)，2012(04)：128-131.

[9]史立峰.王平.崔建忠.ZL201鋁合金半固態(tài)流變壓鑄組織與性能[J].輕合金加工技術(shù)，2012(05)：479－481.

[10]鄭鵬.徐駿.張志峰等.A357鋁合金半固態(tài)流變壓鑄數(shù)值模擬 [J].特種鑄造及有色合金，2010(01)：568－569.

（責(zé)任編輯：陳 輝）

Effect of Magnesium Matrix of Parts Prepared by Forming in Rheo-die Casting

WU Xiao-quan
(Teaching Administrative Office of Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

Magnesium matrix composite was prepared by in-situ technique and semi-solid slurry was prepared by stirring.Through the comparison for the microstructure forming in rheo-die casting and forming in conventional die casting,it shows that the parts forming in rheo-die casting have a lower casting temperature,higher compressing power,a better quality of surface,and a uniform inner structure,the main semi-solid of microstructure in rheo-die casting is spherical.

automobile parts；composites；rheo-die casting

TB331

A

123（2014）01-0046-04

2013-08-07

吳孝泉（1980-），男，湖南邵陽(yáng)人，江西科技學(xué)院教務(wù)處，碩士，講師，工程師。

研究方向：模具CAD/CAM。

江西科技學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目“Mg2Si/AM60半固態(tài)流壓鑄汽車(chē)零件磨損性能的研究”（NO.ZR12YB13）。