大型薄壁壓鑄材料Al-Si合金的組織和力學(xué)性能

王遠(yuǎn)峰，王園園，于日和，宋文軍，王 建，姜軼群

（1.威海萬豐鎂業(yè)科技發(fā)展有限公司，山東 威海 264200；2.萬豐奧特控股集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312500）

關(guān)鍵字：薄壁；壓鑄；Al-Si合金；組織；力學(xué)性能

薄壁鋁合金鑄件因具有良好的輕量化效果和優(yōu)異的力學(xué)性能，在汽車車身、底盤類結(jié)構(gòu)件上有廣泛的應(yīng)用前景。而壓鑄作為一種快速的近凈成型工藝，特別適合此類零件的集成化設(shè)計(jì)和整體成型[1、2]。

圖1 電動(dòng)自行車壓鑄鋁合金零件3D造型

某國外電動(dòng)自行車主機(jī)廠，委托我司研發(fā)一種鋁合金材料，通過壓鑄成型方式生產(chǎn)某型號(hào)電動(dòng)自行車的車架，壁厚3mm，總重不高于4.6Kg。據(jù)悉，該款產(chǎn)品原使用鋼管折彎焊接制作，工藝繁瑣，車架外形不美觀，而國內(nèi)市場(chǎng)上現(xiàn)有的一些壓鑄鋁合金車架，采用常規(guī)壓鑄鋁合金加后期焊接制作，非一體成型。根據(jù)要求，鑄造成型后本體取樣機(jī)械性能要求需要達(dá)到抗拉強(qiáng)度260Mpa以上，延伸率高于3%，且合金成本不能高于常規(guī)壓鑄鋁合金，需要重新設(shè)計(jì)鋁合金成分及壓鑄相關(guān)工藝。

1 成分設(shè)計(jì)

在滿足壓鑄鋁合金產(chǎn)品低成本的要求下，通過調(diào)節(jié)成分，添加細(xì)化劑、變質(zhì)劑，細(xì)化鑄件初生α-Al相晶粒尺寸及減小組織枝晶間距，優(yōu)化鑄件的微觀組織以滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度要求，是最經(jīng)濟(jì)的辦法。此外，通過對(duì)熔煉溫度、澆注溫度、凝固速度、充型速度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以達(dá)到細(xì)化晶粒，改善鑄件微觀組織形貌的目的。

我們知道，在鋁合金液相線溫度附近，熔體溫度過低時(shí)，會(huì)存在著許多可以形核的質(zhì)點(diǎn)，增加一定的過熱度，可以降低結(jié)晶質(zhì)的溶解度和活性，從而使熔體變得均勻化[3]。因此，本課題考慮采用低熔煉溫度和低澆注溫度工藝路線。而較低的熔煉溫度和澆注溫度往往造成熔體的流動(dòng)性變差，降低熔體的充型能力。為保證鑄件具有較好的流動(dòng)性，充型完整，不產(chǎn)生冷隔，鋁合金壓鑄件必須含有一定量的Si元素。

Mg元素可有效降低Sr、Cu對(duì)鑄件微孔傾向增大的影響，同時(shí)Mg可以與Si形成Mg2Si增強(qiáng)相，提高合金的力學(xué)性能。

Sr是重要的變質(zhì)元素，促進(jìn)Si相的球化。

綜合上述工藝條件，經(jīng)過多次成分調(diào)整及材料熱物性參數(shù)模擬，最終確定成分見表1。

表1 新型Al-Si合金的化學(xué)成分%

根據(jù)新型Al-Si合金化學(xué)成分模擬的材料熱物性參數(shù)趨勢(shì)見圖2。其中，固相線560℃，液相線586℃。

2 工藝模擬與實(shí)踐

利用MAGMA軟件，根據(jù)材料的熱物性數(shù)據(jù)模擬鑄造過程，指導(dǎo)壓鑄模具設(shè)計(jì)和壓鑄工藝設(shè)計(jì)。其中，澆注溫度660℃，模具溫度200℃，低速0.3m/s，高速3.5m/s，鑄造壓力30MPa。模擬結(jié)果見圖3。

圖2 新型Al-Si合金熱物性參數(shù)

圖3 車架鑄件模擬結(jié)果

圖4 車架鑄件實(shí)物圖

圖5 車架鑄件X光照片

從圖3可以看出，金屬液在填充過程中流動(dòng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的卷氣以及鋁液包卷。當(dāng)充型結(jié)束后，鑄件中較低的溫度約為650℃，高于新材料液相線586℃，鑄件不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)殇X液溫度下降引起的冷隔或者充不滿等缺陷。鑄件凝固過程時(shí)，基本上遵循順序凝固的原則，未見明顯的疏松缺陷。

根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行工業(yè)試制。圖4為試制鑄件，圖5為鑄件內(nèi)部X光檢測(cè)圖片。X光探傷發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部缺陷如氣孔、縮松以及縮孔均符合ASTM E505 A3級(jí)要求。

3 組織與鑄態(tài)性能

對(duì)鑄件產(chǎn)品取樣做力學(xué)性能，取樣位置見圖6。共在5個(gè)位置取樣，每個(gè)位置取樣2根拉伸試樣，自圖6從左至右編號(hào)為1,2，……10。力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2。

圖6 壓鑄件取樣部位

鑄件的抗拉強(qiáng)度258.41～319.23MPa之間，平均293.41.MPa；屈服強(qiáng)度171.71～238.88MPa之間，平均200.21MPa；延伸率3.09～7.65%之間，平均5.37%。雖然6號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度略低于要求，但是鑄件整體具有較好的強(qiáng)韌性，綜合性能良好。

表2 鑄件取樣位置力學(xué)性能

對(duì)10號(hào)試樣做顯微和電鏡觀察，結(jié)果如圖7和圖8。從圖7可以看出，初生α-Al相組織呈球狀，分布較均勻，α-Al相組織之間存在著不少黑色共晶組織。圖8的拉伸斷口并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的孔洞存在，斷口呈現(xiàn)大量的斷裂臺(tái)階和許多彎曲且取向雜亂的撕裂棱，以及少量的韌窩。

圖7 壓鑄件微觀組織

圖8 拉伸試樣斷口

4 結(jié)論

（1）本文在客戶的要求下，通過合理的成分設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，以較低的原材料成本，滿足了產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性要求，其中試制件本體取樣平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到293.41MPa，平均屈服強(qiáng)度達(dá)到200.21MPa，平均延伸率達(dá)到5.37%，適合批量生產(chǎn)。

（2）通過對(duì)材料成分的熱物性參數(shù)模擬和壓鑄過程模擬，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)方面和工藝方面的指導(dǎo)，可以有效縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本。