 原標(biāo)題：澆注溫度對(duì)機(jī)械用半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金組織和力學(xué)性能的影響 摘要：采用半固態(tài)鑄造生產(chǎn)了AlSi9Cu金壓鋁合鑄件，對(duì)不同澆注溫度的壓鑄件的微觀組織進(jìn)行了觀察，并測(cè)試了不同參數(shù)生產(chǎn)出的壓鑄件的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在不同澆注溫度下的半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金中晶粒的形貌均為球狀晶，合金的平均晶粒尺寸隨著澆注溫度的升高而逐漸變大，澆注溫度分別為590 ℃、600 ℃和610 ℃時(shí)，合金的平均晶粒尺寸分別為42.1 μm、48.9 μm和50.6 μm。隨著半固態(tài)壓鑄澆注溫度的逐漸升高，合金內(nèi)卷氣缺陷也隨之增加，合金的力學(xué)性能隨之逐漸降低。當(dāng)澆注溫度分別為590 ℃、600 ℃和610 ℃時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度分別為268.03 MPa、264.14 MPa和255.26 MPa，伸長(zhǎng)率分別為7.05%、6.73%和5.79%。 輕量化作為有效節(jié)能降耗的途徑成為機(jī)械行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，在眾多輕量化鋁合金成形工藝中，從輕量節(jié)能、成本降低等綜合應(yīng)用看，半固態(tài)成形技術(shù)是生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能、長(zhǎng)壽命鋁合金機(jī)械結(jié)構(gòu)件的首選。半固態(tài)壓鑄技術(shù)具有流程短和成本低的優(yōu)勢(shì)，其首要解決的問(wèn)題是如何獲得和觸變成形相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，同時(shí)保持其低成本的特點(diǎn)。半固態(tài)壓鑄具有組織均勻、高尺寸精度、好的表面質(zhì)量和優(yōu)異力學(xué)性能的特點(diǎn)，無(wú)縮孔缺陷等優(yōu)勢(shì)，具有優(yōu)良的減震性、尺寸穩(wěn)定性特點(diǎn)，其綜合力學(xué)性能與鍛造件相近，高于傳統(tǒng)壓鑄件。半固態(tài)壓鑄的加工溫度比液態(tài)低，凝固收縮小從而鑄造疏松少，充形平穩(wěn)，從而使氣孔缺陷和氧化物夾雜少，相對(duì)鍛造等熱變形成形工藝，成形變形抗力小，可一次大變形量加工成形形狀復(fù)雜且精度及性能要求較高的零部件，是機(jī)械領(lǐng)域關(guān)鍵零部件輕量化的理想材料，半固態(tài)這一技術(shù)在市場(chǎng)導(dǎo)向下可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)和行業(yè)的共贏。半固態(tài)壓鑄的主要充型方式是層流，在型腔內(nèi)的夾帶氣體可以有效減少，因此可以大大減少氣孔等缺陷，并有效改善鑄件的力學(xué)性能。半固態(tài)壓鑄包括半固態(tài)流變壓鑄和半固態(tài)觸變壓鑄，與觸變壓鑄相比，由于其工藝流程短，生產(chǎn)效率高，半固態(tài)流變壓鑄可以顯著降低生產(chǎn)成本，從而實(shí)現(xiàn)漿料制備和壓鑄的一體化。本文在現(xiàn)有的半固態(tài)成形技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用傾斜冷卻板制漿與高壓鑄造結(jié)合的半固態(tài)壓鑄方法，對(duì)機(jī)械用AlSi9Cu鋁合金流變半固態(tài)壓鑄件進(jìn)行了研究，分析了不同澆注溫度下機(jī)械用AlSi9Cu合金半固態(tài)壓鑄件凝固組織的微觀結(jié)構(gòu)，探討了不同澆注溫度對(duì)微觀組織形貌的影響，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試分析，研究了澆注溫度與最終零件力學(xué)性能的關(guān)系。 1.試驗(yàn)材料及方法 本文使用的AlSi9Cu鑄錠（化學(xué)成分如表1所示）采用電阻式熔爐熔化并進(jìn)行除氣，然后調(diào)節(jié)到720 ℃并直接倒入坩堝中。制漿過(guò)程使用傾斜冷卻板制備法的過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1，在漿料制備過(guò)程中使用的流體導(dǎo)向器傾斜角度為40°，長(zhǎng)度400 mm。
表1 AlSi9Cu合金的化學(xué)成分分析結(jié)果 wB/%
圖1 傾斜冷卻板制漿法工藝示意圖 AlSi9Cu合金熔化脫氣后，將熔體溫度分別調(diào)節(jié)至700 ℃、690 ℃和680 ℃，然后將熔體通過(guò)傾斜冷卻板澆入到預(yù)熱模具中，得到半固態(tài)壓鑄漿料。將漿料倒入東芝DC250-MH壓鑄機(jī)的注射室，加工得到機(jī)械用半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu鋁合金零件，壓鑄機(jī)參數(shù)如表2所示。本文制備的試件外徑尺寸為Φ15 cm，壁厚5 mm，上方管道外徑尺寸Φ7 cm，長(zhǎng)度10 cm。采用ZEISSSIGMA 300掃描電子顯微鏡，并在1~15 kV的加速電壓下觀察合金微觀組織結(jié)構(gòu)，取樣位置如圖2所示，取樣尺寸為20 mm×10 mm×5 mm。利用公式D=（4A/π）1/2（A為晶粒面積）進(jìn)行合金凝固組織中平均晶粒尺寸的計(jì)算；利用公式F=4P 2 /（4πA）（P為晶粒周長(zhǎng)）進(jìn)行合金凝固組織中晶粒的形狀因子計(jì)算，取每組50個(gè)晶粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最終結(jié)果取其平均值。本文對(duì)機(jī)械用半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金進(jìn)行拉伸試樣時(shí)采用的是ZwickiLine電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。從半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金鑄件上取樣的位置及對(duì)拉伸試樣加工的參數(shù)如圖2所示，每種澆注溫度下制備的壓鑄件取3個(gè)拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，然后取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，最后使用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察。
表2 壓鑄機(jī)工藝參數(shù)
圖2 試樣件外觀形貌及拉伸試樣取樣位置及規(guī)格 2.試驗(yàn)結(jié)果及討論 2.1 微觀組織 根據(jù)AlSi9Cu合金的凝固曲線可知，合金的液相線和固相線分別約為620 ℃和580 ℃，所以設(shè)置的半固態(tài)壓鑄的澆注溫度取決于該合金固相線和液相線的溫度，因此本文選擇的半固態(tài)壓鑄澆注溫度分別為590 ℃、600 ℃和610 ℃。圖3所示為使用掃描電鏡觀察到的機(jī)械用半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的鑄態(tài)顯微組織照片。從圖3可以看出，不同澆注溫度下AlSi9Cu合金中初生α-Al晶粒和共晶組織中次生α-Al晶粒的形貌均為球狀，合金的平均晶粒尺寸隨著半固態(tài)鑄造澆注溫度的升高而逐漸變大。隨著澆注溫度從590 ℃升高至610 ℃，初生α-Al晶粒的數(shù)量逐漸增加，在澆注溫度為590 ℃時(shí)，合金顯微組織中初生相的數(shù)量及所占比例達(dá)到最大。圖4所示是在不同澆注溫度下制備的AlSi9Cu合金平均晶粒尺寸和形狀因數(shù)的計(jì)算分析值。當(dāng)半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的澆注溫度為590 ℃時(shí)，平均晶粒尺寸為42.1 μm；當(dāng)半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的澆注溫度升高至600 ℃時(shí)，平均晶粒尺寸升高至48.9 μm；隨著半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的澆注溫度升高至610 ℃，合金的平均晶粒尺寸增大到50.6 μm。同樣在圖4中可以看出，當(dāng)澆注溫度為590 ℃時(shí)，半固態(tài)壓鑄制備出的AlSi9Cu合金形狀因子為1.3，隨著澆注溫度的升高，當(dāng)澆注溫度為600 ℃時(shí)，制備出的機(jī)械用AlSi9Cu合金形狀因子升高至1.5左右，當(dāng)澆注溫度進(jìn)一步升高至610 ℃，AlSi9Cu合金形狀因子繼續(xù)升高至1.7左右，根據(jù)公式可以看出，形狀因子越接近1表示合金內(nèi)的晶粒形狀越接近于正球體，因此當(dāng)澆注溫度為590 ℃時(shí)，合金中晶粒的球形狀態(tài)最佳。眾所周知，在相同條件下，合金凝固組織中晶粒尺寸會(huì)隨著冷卻速率的增加而逐漸減小，本試驗(yàn)中除了漿料溫度不同以外，均采用相同的鑄造參數(shù)進(jìn)行加工，因此在相同的模具溫度下，漿料溫度越低，未凝固的漿料達(dá)到凝固的速度越快，導(dǎo)致漿料的冷卻速率越高。而冷卻速率越高，導(dǎo)致最后凝固生成的初晶α-Al晶粒尺寸越小。 因此，當(dāng)漿料溫度為590 ℃時(shí)，制備生成的AlSi7Mg合金中初晶α-Al的晶粒尺寸最小。
圖3 AlSi9Cu合金在不同澆注溫度下的顯微組織
圖4 AlSi9Cu合金在不同澆注溫度下的平均晶粒尺寸及形狀因子 2.2 力學(xué)性能 圖5所示為本試驗(yàn)測(cè)試的不同澆注溫度下制備的機(jī)械用半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu鑄態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率。從圖5可以看出，隨著半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金制備過(guò)程中澆注溫度的降低，合金的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)為升高趨勢(shì)。當(dāng)半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的澆注溫度為610 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度為255.26 MPa，伸長(zhǎng)率為5.79%；隨著半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的澆注溫度降低至600 ℃，抗拉強(qiáng)度增加到264.14 MPa，伸長(zhǎng)率升高至6.73%；隨著半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的澆注溫度進(jìn)一步降低到590 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，為268.03 MPa，伸長(zhǎng)率也同樣升高至最大值，為7.05%。結(jié)果表明，澆注溫度對(duì)機(jī)械用AlSi9Cu合金半固態(tài)壓鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有著明顯的影響。
圖5 AlSi9Cu合金在不同澆注溫度下的力學(xué)性能 眾所周知，鋁合金的力學(xué)性能與其顯微組織密切相關(guān)，半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的力學(xué)性能是由其顯微組織中的含氣量及其晶粒尺寸等因素共同決定的，由圖3中半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的顯微組織觀察分析結(jié)果可以看出，機(jī)械用半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的平均晶粒尺寸隨著澆注溫度的升高而逐漸變大，因此本試驗(yàn)繼續(xù)對(duì)半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行掃描分析，來(lái)觀察合金的含氣情況，圖6為不同澆注溫度下半固態(tài)壓鑄AlSi9Cu合金的斷口形貌觀察結(jié)果。從斷口形貌可以看出，當(dāng)合金的澆注溫度為610 ℃時(shí)，合金中存在著明顯的卷氣缺陷，而當(dāng)澆注溫度為600 ℃時(shí)，斷口中觀察到的氣孔缺陷呈減少的趨勢(shì)，直到將澆注溫度降低至590 ℃時(shí)，斷口中幾乎觀察不到明顯的氣孔存在。
圖6 AlSi9Cu合金在不同澆注溫度下的斷口形貌 通過(guò)分析可知，隨著半固態(tài)壓鑄澆注溫度的升高，半固態(tài)熔體中剩余的液相會(huì)有所增加，這導(dǎo)致了熔體中含氣量的增加，最終使AlSi9Cu合金壓鑄件中的卷氣缺陷隨著澆注溫度的增加而逐漸變多，導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度隨著澆注溫度的升高而逐漸降低。綜上所述，當(dāng)澆注溫度為590 ℃時(shí)，AlSi9Cu合金的力學(xué)性能最佳，其抗拉強(qiáng)度為268.03 MPa，伸長(zhǎng)率為7.05%。
3.結(jié)論 |
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