溫度對擠壓鑄造AlSi17合金顯微組織和力學(xué)性能的影響

張軍勝

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

0 引 言

擠壓鑄造是生產(chǎn)鋁合金零件的一種有效且經(jīng)濟的方法,被廣泛應(yīng)用于汽車、機械、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域[1]。然而,氣孔、偏析、開裂等缺陷的存在是擠壓鑄造工藝的主要缺陷,事實上,在所有的鑄造方式中,消除缺陷和改善合金顯微組織都被認為是提高鑄造件性能的重要方法[2]。擠壓鑄造是一種結(jié)合了重力壓鑄和閉式模鍛優(yōu)點的特殊鑄造工藝,它在高壓凝固過程中采用較慢的澆注速度,使充型過程中形成盡量少的湍流,以生產(chǎn)高完整性和高一致性的鑄件[3]。擠壓鑄造工藝還具有不需要冒口系統(tǒng)、易獲得凈成型鑄件、能夠使用各種鑄造和變形合金、改善合金的抗磨損和耐腐蝕性能、提高合金的硬度和力學(xué)性能等優(yōu)點[4]。鋁合金因其重量輕、比強度高、高溫下穩(wěn)定性好而被用于汽車、航天和航空工業(yè),其中AlSi17合金因其重量輕、力學(xué)性能優(yōu)良,耐磨性和耐腐蝕性能好等特點,已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、國防和海洋等領(lǐng)域[5-6]。研究表明:在擠壓鑄造過程中的模具預(yù)熱溫度過高會導(dǎo)致凝固時間延長,阻礙了合金顯微組織的細化;而擠壓鑄造過程中澆注溫度的變化對縮孔缺陷的形成影響很小,但對宏觀偏析影響很大[7]。因此,澆注溫度和模具預(yù)熱溫度等參數(shù)會對擠壓鑄造AlSi17合金的顯微組織和力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[8]。為了保證在擠壓鑄造過程中獲得更高質(zhì)量的AlSi17合金鑄件,有必要對AlSi17合金的擠壓鑄造參數(shù),如澆注溫度和模具預(yù)熱溫度進行一定的分析和研究。本文以某AlSi17合金零件為研究對象,分別研究了不同澆注溫度和模具預(yù)熱溫度對AlSi17合金零件的顯微組織和力學(xué)性能的影響,以期為擠壓鑄造AlSi17合金的工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 試驗材料與方法

選擇三基SCH臥式擠壓鑄造機對AlSi17合金進行加工,圖1為通過擠壓鑄造得到的AlSi17合金零件示意圖,零件尺寸為155mm×143mm×16mm,零件質(zhì)量約為1.3kg。本研究選擇不同的澆注溫度(675, 700, 725℃)及模具預(yù)熱溫度(225, 275, 325℃)對汽車用AlSi17合金進行加工,在每種參數(shù)下加工5個樣品并進行觀察,最終統(tǒng)計分析了各擠壓參數(shù)對AlSi17合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。所使用的AlSi17合金鑄錠的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。熔煉過程為:先向熔融AlSi17合金中注入N2來進行脫氣,隨后撇去熔液表面的氧化物夾渣,之后再將熔融的液態(tài)AlSi17合金加入AlSr10變質(zhì)劑并轉(zhuǎn)移到保溫爐中進行15min的保溫靜置。擠壓鑄造使用的模具材料為H13工具鋼,模具經(jīng)加熱器分別預(yù)熱到225, 275, 325℃,并采用石墨膠體對模具進行潤滑。最后分別在675, 700, 725℃的澆注溫度與85MPa的擠壓壓力下一直保持壓力,直到AlSi17合金凝固結(jié)束。本研究中金相試樣取樣位置為零件靠近中心部位,使用Keller試劑進行金相試樣的腐蝕處理,隨后采用拋光機進行拋光,利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對其顯微組織進行了觀察研究,采用布氏硬度計進行硬度的測試,測試力為20kg,球徑2.5mm。按照圖1所示的拉伸試樣規(guī)格對AlSi17合金零件進行拉伸試樣的切割制備,在電子萬能拉伸試驗機上在室溫條件下以0.01s-1的應(yīng)變速率進行拉伸試驗。最終將每個參數(shù)下的5個拉伸試樣取平均值來測定AlSi17鋁合金在不同擠壓參數(shù)下的抗拉強度、屈服強度和伸長率,最后使用SEM觀察分析AlSi17鋁合金試樣在不同澆注溫度下的斷口組織形貌。

表1 AlSi17合金化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Chemical composition (wt.%) of AlSi17 alloy prepared

圖1 拉伸試樣規(guī)格示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen specifications

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 微觀組織分析

圖2展示了AlSi合金的二元相圖,AlSi17合金的液相線溫度約為650℃,固相線溫度約為577℃。圖3中所示的AlSi17合金顯微組織是在擠壓壓力85MPa,澆注溫度700℃,及不同模具預(yù)熱溫度的條件下制備的。觀察圖3可知,不同擠壓鑄造溫度下制備的AlSi17合金凝固組織中包含了初生Si相、針狀或片狀共晶Si相以及金屬間化合物等。通過對比合金的光學(xué)顯微圖像可以分別表征225, 275, 325℃的模具預(yù)熱溫度對AlSi17合金擠壓鑄造零件顯微組織的影響。對比圖3可知,在實驗設(shè)計范圍內(nèi),隨模具預(yù)熱溫度的升高,合金內(nèi)初生Si相的尺寸呈略微減小的趨勢,但Si顆粒的形狀并沒有太大的改變。在較高的模具預(yù)熱溫度下(如325℃)合金的凝固時間會有一定程度的延長,隨著模具預(yù)熱溫度的提升,AlSi17合金的熔體溫度與模具溫度間的差值會隨之減小,這會對AlSi17合金的微觀組織形貌產(chǎn)生一定影響。隨著模具預(yù)熱溫度的升高,熔體與模具間的傳熱速率降低。

圖2 Al-Si合金二元相圖Fig.2 Binary phase diagram of Al-Si alloy

(a) 225℃

如圖4與圖5所示的光學(xué)顯微圖像反映了不同的澆注溫度(675, 700, 725℃)對AlSi17合金顯微組織的影響。從圖5的金相照片中可以看出,在模具預(yù)熱溫度為275℃,擠壓壓力為85MPa條件下,澆注溫度的改變會對AlSi17合金中初級Si相、共晶組織的尺寸、體積分數(shù)和分布產(chǎn)生相當大的影響。當澆注溫度為675℃時,光學(xué)顯微圖像中存在較大顆粒的初生Si相,且分布的并不均勻,產(chǎn)生了一定的偏析現(xiàn)象;當澆注溫度升高至700℃時,AlSi17合金中的初生Si顆粒尺寸明顯呈現(xiàn)減小的趨勢,并且更加均勻地分布在Al-Si共晶組織周圍;隨著澆注溫度的進一步升高,合金中初生Si相的數(shù)量進一步減少,只能在光學(xué)顯微圖像中觀察到少量的初生Si顆粒。將澆注溫度逐漸升高,從675℃逐漸提高到700℃和725℃后,會導(dǎo)致澆注溫度與AlSi17合金液相線溫度間的差值逐漸升高,從而推遲初生Si相在金屬熔液中的成核。因此在充型后的凝固初期,只有少量的初生Si顆粒凝固析出,更多的液態(tài)金屬殘留在型腔中,從而提高了擠壓鑄造試樣從表面到中心組織的均勻性。體現(xiàn)到最終的顯微組織上為:澆注溫度越低,在施加任何擠壓壓力之前,初生Si相的含量明顯增加,從而使剩余的熔體中的Si元素更快耗盡,并與其他元素富集,熔體凝固溫度向共晶點發(fā)生移動;施加擠壓壓力后,當剩余熔體被擠壓時,共晶硅組織析出更少。

(a) 675℃

(a) 675℃

2.2 力學(xué)性能

表2中的數(shù)據(jù)詳細描述了AlSi17合金試樣在澆注溫度700℃與不同模具預(yù)熱溫度下的拉伸和硬度的測試結(jié)果。當模具預(yù)熱溫度從225℃增加到275℃時,AlSi17合金的所有力學(xué)性能都有所改善,但當模具預(yù)熱溫度增加到325℃后,AlSi17合金的力學(xué)性能均有一定程度的下降,但是上升和下降的程度并不大,這與圖4中所示的顯微組織變化有所對應(yīng)。表3為模具溫度275℃下采用不同澆注溫度得到的合金力學(xué)性能測試結(jié)果,當澆注溫度從675℃升高到700℃時,抗拉強度、屈服強度和硬度分別提高了10.02%、 28.17%和2.25%。然而,澆注溫度在700～725℃的變化過程中,AlSi17合金的力學(xué)性能升高并不是那么明顯,抗拉強度、屈服強度和硬度分別只提高了1.15%、 1.27%和4.39%。當模具預(yù)熱溫度升高,或當澆注溫度降低時,AlSi17合金熔體與模具間的溫差會逐步減小,導(dǎo)致熔體與模具間傳熱系數(shù)降低,最終使合金的凝固點降低,模具周圍凝固的晶粒增多,從而使AlSi17合金的硬度降低。在選擇最佳的模具預(yù)熱溫度時,應(yīng)首先考慮澆注溫度,由于澆注溫度最適宜為725℃,為了防止傳熱系數(shù)降低,應(yīng)該采用盡可能低的模具預(yù)熱溫度。但是實際情況中,將模具預(yù)熱溫度提高到325℃后,AlSi17合金的抗拉強度、屈服強度和硬度均有所降低,但對伸長率沒有顯著影響,因此模具預(yù)熱溫度最佳應(yīng)該為275℃。

表2 AlSi17合金在不同模具預(yù)熱溫度下的力學(xué)性能

表3 AlSi17合金在不同澆注溫度下的力學(xué)性能

在不同的澆注溫度下(675, 700, 725℃)擠壓鑄造AlSi17合金的斷口形貌SEM照片如圖6所示。一方面,大而不規(guī)則的初生Si顆粒以及多種金屬間化合物的存在是AlSi17合金強度提高的主要因素;另一方面,這些脆性初生Si顆粒的存在會導(dǎo)致AlSi17合金的延展性降低(表3),裂紋的發(fā)生及擴展一般是從初生Si顆粒以及共晶Si顆粒開始的。在試驗過程中,裂紋首先擴展到較大的初生Si顆粒上,使應(yīng)力集中在Si顆粒與α-Al的界面上,而當細小的Si顆粒存在時,α-Al的應(yīng)力集中程度較低,初生Si顆粒尺寸的減小會降低斷口的應(yīng)力。如圖6所示,在澆注溫度為675℃的試樣中,斷口表面出現(xiàn)少量韌窩,裂紋從初生Si顆粒附近發(fā)生,并隨著共晶Si顆粒擴展,因此,較大的初晶Si顆粒使AlSi17合金的脆性斷裂傾向大大增加。當澆注溫度為725℃時,初生Si顆粒的數(shù)量減少,可以觀察到α-Al層表面的韌窩數(shù)量增加,共晶Si相表面微裂紋數(shù)量明顯減少,從而降低了脆性斷裂的傾向,合金從脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)化。

(a) 675℃

3 結(jié) 論

(1) 擠壓鑄造AlSi17合金隨模具預(yù)熱溫度的升高,熔體與模具間的傳熱速率降低,單晶Si的析出速率變慢,光學(xué)顯微圖像中初生Si相逐漸減少,合金內(nèi)初生Si相的尺寸呈略微減小的趨勢。

(2) 當澆注溫度為675℃時,光學(xué)顯微圖像中存在較大顆粒的初生Si相,且不均勻分布;當澆注溫度升高至700℃時,初生Si顆粒的尺寸有減小的趨勢,并且會更加均勻地分布在Al-Si共晶組織周圍;隨著澆注溫度的進一步升高,合金中初生Si相的數(shù)量進一步減少,只能在光學(xué)顯微圖像中觀察到少量的初生Si顆粒。

(3) 澆注溫度的變化對合金力學(xué)性能影響顯著,當AlSi17合金的澆注溫度從675℃升高到700℃時,合金的抗拉強度、屈服強度和硬度分別提高了10.02%、 28.17%和2.25%,在此之后,澆注溫度(690～725℃)的提高對合金力學(xué)性能的影響逐漸降低,而模具預(yù)熱溫度(200～325℃)對合金力學(xué)性能的影響則僅在很小的范圍內(nèi)波動。