工藝參數(shù)對AE44雷達(dá)外殼壓鑄件組織及力學(xué)性能的影響

胡 南，蘇 勇，陸良宇

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

十九世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，金屬材料的消耗與日俱增，傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)資源的日益枯竭及世界能源與環(huán)境等問題的日益突出，因此對材料的使用提出了更高的要求．鎂合金因在輕量性、比強(qiáng)度、比剛度、導(dǎo)熱導(dǎo)電性、阻尼減震性、加工成型性、電磁屏蔽性及可回收性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，受到了越來越多的關(guān)注，而廣泛應(yīng)用于航空、軍事、交通及3C領(lǐng)域中[1-3]．由于雷達(dá)外殼在整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中占有重要位置，其質(zhì)量的好壞直接影響著信號探測的靈敏度．選用AE44稀土鎂合金做雷達(dá)外殼材料，在起到輕量化作用的同時(shí)，其優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性可滿足雷達(dá)外殼的工作要求．

1 試驗(yàn)部分

1.1 試 樣

試樣為雷達(dá)外殼，其原料為AE44鎂合金，成分列于表1．

表1 AE44合金的化學(xué)成分

用3550 t大型鎂合金熱室壓鑄設(shè)備，澆注AE44鎂合金雷達(dá)外殼壓鑄件．雷達(dá)外殼為八邊形復(fù)雜薄壁件，邊長為330 mm，凸起圓臺最大外緣直徑720 mm，最大壁厚5 mm，最小壁厚3 mm，表面凸起圓臺和加強(qiáng)筋較多，零件三維模型如圖1所示．

圖1 雷達(dá)外殼三維模型(a)上表面；(b)下表面Fig.1 Radar shell 3D model(a) upper surface；(b)under surface

1.2 試驗(yàn)方案

由于鑄件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，生產(chǎn)工藝參數(shù)若把握不精確，會造成鑄件表面缺陷較多，主要出現(xiàn)澆注不足、裂紋和變形等缺陷．缺陷主要出現(xiàn)在鑄件加強(qiáng)筋處，通過切取鑄件缺陷易產(chǎn)生的同一部位本體試樣，來研究工藝參數(shù)對其組織和性能的影響．

采用正交試驗(yàn)研究澆注溫度、模具溫度及壓射速率三個(gè)工藝參數(shù)對AE44鎂合金雷達(dá)外殼壓鑄件力學(xué)性能的影響，因素和水平的選取如表2所示．

表2 因素和水平

1.3 儀 器

用型號為XRF-1800X的射線熒光光譜儀，對AE44雷達(dá)外殼本體試樣進(jìn)行元素定量分析；用型號為HB-3000B布氏硬度計(jì)，測試AE44雷達(dá)外殼的宏觀硬度；用型號為CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)，測試試樣的拉伸性能；用型號為MR2000型金相顯微鏡，觀察試樣的顯微組織；用型號為D/MAX2500V的X射線衍射儀，對試樣的物相組成進(jìn)行分析；用型號為JSM-6490LV掃描電子顯微鏡拍試樣掃描照片，并且用與之匹配的INCA能譜儀對相應(yīng)位置進(jìn)行成分定性和定量分析．

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3為試樣力學(xué)性能正交試驗(yàn)結(jié)果．由表3可知：各因素影響順序?yàn)闈沧囟?壓射速率>模具溫度，其中澆注溫度(所選溫度范圍內(nèi))對試驗(yàn)結(jié)果影響最大，模具溫度(所選溫度范圍內(nèi))對試驗(yàn)結(jié)果影響最小；A2B1C2方案是最佳的工藝方案，即澆注溫度為680 ℃、模具溫度為180 ℃、壓射速率為3.5 m/s，此時(shí)試樣的力學(xué)性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到235 MPa、延伸率達(dá)到5.25%、硬度為81.3 HBS．

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

2.2 工藝參數(shù)對雷達(dá)外殼壓鑄件組織及性能的影響

在正交試驗(yàn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過固定兩個(gè)工藝參數(shù)在最佳水平，研究另一個(gè)參數(shù)對AE44鎂合金雷達(dá)外殼組織和性能的影響．

2.2.1 澆注溫度

在模具溫度為180 ℃，壓射速率在3.5 m/s的條件下，研究澆注溫度對外殼的顯微組織及力學(xué)性能的影響．

圖2為不同澆注溫度下雷達(dá)外殼試樣的顯微組織．從圖2可見，當(dāng)澆注溫度處于660 ℃時(shí)，合金顯微組織呈現(xiàn)較多的樹枝晶，晶粒大小不均勻；當(dāng)溫度處于680 ℃時(shí)，樹枝晶明顯減少，晶粒變得細(xì)小、圓整，并且無組織缺陷；當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，晶粒變得粗大，并且出現(xiàn)嚴(yán)重的縮孔．分析其原因，澆注溫度過低不利于充型，易產(chǎn)生冷隔、充型不滿等缺陷；而當(dāng)澆注溫度過高時(shí)，易產(chǎn)生飛濺、毛刺，以及在壓鑄件內(nèi)形成嚴(yán)重的縮孔、疏松等缺陷．

圖2 澆注溫度對外殼顯微組織的影響(a)660 ℃；(b)680 ℃；(c)700 ℃Fig.2 Effect of casting temperature on microstructure of the shell

圖3為澆注溫度對外殼力學(xué)性能的影響．從圖3可見，當(dāng)澆注溫度為660～680 ℃時(shí)，隨著澆注溫度的升高，試樣抗拉強(qiáng)度、表面硬度和伸長率均得到明顯地提高；當(dāng)澆注溫度高于680 ℃時(shí)，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均降低．分析其原因，在保證壓鑄成形的澆注溫度下，隨著澆注溫度的升高，合金的流動性增強(qiáng)，易于獲得較好的力學(xué)性能；而當(dāng)澆注溫度過高時(shí)易出現(xiàn)缺陷，并且加重對壓鑄型的熱沖擊[4]，從而降低了鑄件的力學(xué)性能，使鑄件質(zhì)量惡化．綜合考慮，雷達(dá)外殼壓鑄件澆注溫度為680 ℃較為適宜．

圖3 澆注溫度對外殼力學(xué)性能的影響(a)抗拉強(qiáng)度；(b)斷后延伸率；(c)硬度Fig.3 Effect of casting temperature on mechanical properties of the shell

2.2.2 模具溫度

在澆注溫度為680 ℃、壓射速率為3.5 m/s 條件下，研究模具溫度對外殼的顯微組織及力學(xué)性能的影響．圖4為不同模具溫度下雷達(dá)外殼試樣的顯微組織．從圖4可見，當(dāng)模具溫度較低時(shí)，由于冷速過快，使壓鑄件表面快速凝固而形成激冷層，出現(xiàn)表面細(xì)晶區(qū)；溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，晶粒變得均勻細(xì)小、圓整；當(dāng)模具溫度達(dá)到220 ℃時(shí)，液態(tài)金屬冷卻變慢，使溫度梯度變平緩而形成粗晶區(qū)[5]．

圖4 模具溫度對外殼顯微組織的影響(a)180 ℃ ；(b)200 ℃；(c)220 ℃Fig.4 Effect of mold temperature on microstructure of the shell

圖5為模具溫度對外殼的力學(xué)性能影響．從圖5可見：當(dāng)模具溫度為180～200 ℃時(shí)，隨著模具溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和伸長率明顯得到提高，而硬度卻下降；當(dāng)模具溫度超過200 ℃時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均開始下降．分析其原因，由于模具溫度直接影響著模具的激冷能力，溫度較低時(shí)會使壓鑄件表面冷速過快，形成薄層等軸晶粒區(qū)，故硬度較高；而當(dāng)模具溫度過高時(shí)，激冷效果度差，硬度下降，同時(shí)也增大鑄件和模具之間的粘著力，難于脫模，易造成粘模拉傷，進(jìn)而降低鑄件力學(xué)性能．考慮試驗(yàn)規(guī)模及設(shè)備誤差，在試驗(yàn)可選溫度范圍內(nèi)選擇模具溫度為200 ℃較適宜．

2.2.3 壓射速率

在澆注溫度為680 ℃、模具溫度為200 ℃條件下，研究壓射速率對外殼的顯微組織及力學(xué)性能的影響．

圖6為不同壓射速率下雷達(dá)外殼試樣的顯微組織．從圖6可見：壓射速率較高時(shí)，可以提高試樣組織致密度、細(xì)化晶粒，使得晶粒均勻圓整；但壓射速率過高時(shí)，則會使氣孔率增加．

圖5 模具溫度對外殼力學(xué)性能的影響(a)抗拉強(qiáng)度；(b)斷后延伸率；(c)硬度Fig.5 Effect of mold temperature on the mechanical properties of the shell

圖6 壓射速率對外殼組織性能的影響(a)3.0 m/s；(b)3.5 m/s；(c)4.0 m/sFig.6 Effect of injection speed on the microstructure of the shell structure

圖7為澆注溫度680 ℃、模具溫度200 ℃時(shí)，壓射速率對外殼力學(xué)性能的影響．從圖7可見：壓射速率由3.0 m/s升到3.5 m/s時(shí)，試樣力學(xué)性能得到明顯提高；壓射速率超過3.5 m/s時(shí)，各力學(xué)性能指標(biāo)突然下降．分析其原因，這是由于較高的壓射速率可以消除鑄件內(nèi)部大量的縮松縮孔、氣孔等缺陷，從而提高試樣組織的致密度，進(jìn)而使試樣的力學(xué)性能提高；而壓射速率過高時(shí)，則會導(dǎo)致壓鑄過程中卷氣現(xiàn)象嚴(yán)重，使氣孔率增加，從而降低了外殼壓鑄件的力學(xué)性能．綜合考慮，雷達(dá)外殼壓鑄件的壓射速率在3.5 m/s較為適宜．

圖7 壓射速率對外殼力學(xué)性能的影響(a)抗拉強(qiáng)度；(b)斷后延伸率；(c)硬度Fig.7 Effect of injection rate on the mechanical properties of the shell

綜上所述，當(dāng)澆注溫度680 ℃、模具溫度200 ℃、壓射速率3.5 m/s時(shí)，AE44鎂合金雷達(dá)外殼壓鑄件力學(xué)性能與組織最佳，其中σb為245 MPa，δ為5.48%，硬度值為79.6HBS．

2.3 物相分析

圖8為最佳參數(shù)下制備的雷達(dá)外殼壓鑄件本體試樣的XRD圖．從圖8可以看出， AE44鎂合金由三個(gè)相組成，分別為α-Mg相、Al2RE相和Al11RE3相，其中Al11RE3相出現(xiàn)的峰最少，表明在組織中其含量較低．

圖9為最佳參數(shù)下制備的雷達(dá)外殼壓鑄件不同位置本體試樣的掃描照片．從圖9可見，通過能譜分析，合金組織析出相主要是Al2RE相和Al11RE3相，其中亮白色顆粒和亮白色棒狀顆粒為Al2RE相，而且含量較多，亮白色針狀顆粒為Al11RE3相[6-7]．XRD分析結(jié)果與能譜分析結(jié)果相一致，這些鋁稀土相具有熔點(diǎn)高、硬度大的特點(diǎn)，可有效地阻礙晶界滑動與裂紋擴(kuò)展，大大地提高了合金力學(xué)性能．

圖8 最佳參數(shù)下所制備試樣的XRD圖Fig.8 XRD pattern of the sample prepared under the optimal parameters

3 結(jié) 論

(1)澆注溫度在660～680 ℃時(shí)，隨著澆注溫度的升高，樹枝晶減少，晶粒變得均勻圓整，各力學(xué)性能指標(biāo)均得到提高；澆注溫度高于680 ℃時(shí)，晶粒逐漸變得粗大，出現(xiàn)嚴(yán)重縮孔，力學(xué)性能也隨之下降．雷達(dá)外殼壓鑄件最佳的澆注溫度為680 ℃．

(2)模具溫度在180～200 ℃時(shí)，模具溫度較低，靠近模具壁的薄層金屬液產(chǎn)生極大的過冷度，使壓鑄件表面快速凝固，形成薄層等軸晶粒區(qū)，試樣力學(xué)性能較好；模具溫度超過200 ℃時(shí)，激冷效果降低，硬度下降幅度增大，試樣的力學(xué)性能隨之下降．雷達(dá)外殼壓鑄件最佳的模具溫度為200 ℃．

(3)壓射速率在3.0～3.5 m/s時(shí)，隨著壓射速率的提高，鑄件內(nèi)縮松縮孔、氣孔等缺陷大大減少，從而提高了組織致密度和力學(xué)性能；壓射速率超過3.5 m/s時(shí)，壓鑄過程中卷氣現(xiàn)象嚴(yán)重，增加了氣孔率，降低了鑄件質(zhì)量．雷達(dá)外殼壓鑄件最佳壓射速率為3.5 m/s．

(4)AE44合金組織主要由α-Mg和Al2RE相、Al11RE3相組成，其中亮白色顆粒與亮白色棒狀顆粒為Al2RE相，亮白色針狀顆粒為Al11RE3相，鋁稀土相的存在能有效阻礙晶界滑動與裂紋擴(kuò)展，從而提高合金的力學(xué)性能．