真空輔助鋁合金高壓壓鑄

1、真空輔助鋁合金高壓壓鑄X.P. Niu (Chair.)a, B.H. Hua, I. Pinwilla, H. Lia新加坡Gin tic制造技術(shù)研究所,南洋大學(xué)71號(hào)，638075b 新加坡南洋工業(yè)大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，南洋大街， 6397981999 年 5 月 10 日收稿摘要：高壓壓鑄件通常含有氣孔，其主要原因是融熔金屬快速射入型腔的過程中帶入了空氣或氣體。本文分析了使用分散充型的優(yōu)點(diǎn)。ASTM定義了 AI-5%Si,Al-8%Si 和 Al-18%Si 三種鋁合金壓鑄拉伸試樣， 這三種試樣是出自于同一臺(tái)配備 有真空輔助系統(tǒng)的布勒桿控制壓鑄機(jī)鑄。然后仔細(xì)分析了真空輔助系統(tǒng)對(duì)鑄件縮 松分布

2、及力學(xué)性能的影響，再對(duì)所選試樣進(jìn)行了 T6 熱處理以后，分析 T6 熱處理 對(duì)表面氣孔的形成和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，壓鑄工藝過程使用真空輔助設(shè)備顯著降低了鑄件中氣孔的容積和 孔徑。結(jié)果，鑄件組織致密性和力學(xué)性能都得到了提高，尤其是拉伸強(qiáng)度和延展 性得到了很大提高。最佳的壓射速度也有助于獲得高性能的鑄件。與傳統(tǒng)壓鑄件 相比，熱處理之后真空輔助壓鑄件出現(xiàn)表面氣孔的情況少得多。這就表明，可對(duì) 真空壓鑄件在高溫下進(jìn)行熱處理以改善其力學(xué)性能。關(guān)鍵詞 ：鋁壓鑄件；真空；縮松和氣孔1 簡(jiǎn)介 高壓壓鑄是一種近凈成型制造工藝，成型過程為將熔融金屬高速射入金屬型 并使之在高壓下凝固。然而這種工藝有其天生的缺陷

3、，即鑄件中存在氣孔，其主 要原因是熔融金屬液高速射入壓鑄型腔過程中帶入了空氣。鑄件中氣孔的存在對(duì) 力學(xué)性能非常不利，并嚴(yán)重破壞了鑄件高壓氣密性。另外，那些已經(jīng)形成尤其是 接近鑄件表面的氣孔， 都有膨脹的趨勢(shì)， 導(dǎo)致熱處理后鑄件表面形成氣孔。 因此， 鋁合金壓鑄件的應(yīng)用僅限于那些不要求這種熱處理的非結(jié)構(gòu)件。在通過多次嘗試發(fā)展真空壓鑄方法后，首次將其應(yīng)用于熱室壓鑄機(jī)。真空壓 鑄技術(shù)最近的發(fā)展已經(jīng)能夠應(yīng)用于冷室鋁合金生產(chǎn)領(lǐng)域。真空技術(shù)在壓鑄工藝中 的應(yīng)用是一種創(chuàng)新型的發(fā)展。通過在壓室和鑄型空腔內(nèi)創(chuàng)造一種低壓環(huán)境，從而 獲得質(zhì)量較好的鑄件。金屬充填型腔時(shí)所需回壓力也有所降低。因此壓鑄工藝也 可以生產(chǎn)出

4、具有薄壁部分的大型鑄件。對(duì)于通過熱處理生產(chǎn)要求具有高壓氣密性 和良好力學(xué)性能的高完整性壓鑄件來說， 真空壓鑄工藝具有潛在應(yīng)用價(jià)值。 最近， 真空技術(shù)也應(yīng)用于半固態(tài)金屬鑄件，以生產(chǎn)擁有大面積薄壁的完全熱處理空間結(jié) 構(gòu)。目前兩種應(yīng)用于高壓鋁合金壓鑄的真空系統(tǒng)基本上已經(jīng)開發(fā)出來。 （1）一個(gè) 完整的真空系統(tǒng)：整個(gè)壓鑄系統(tǒng)包括金屬型，壓室和爐子都在鑄造過程中密封和 疏散。熔融金屬通過進(jìn)料管道從爐子轉(zhuǎn)移至壓室。盡管此系統(tǒng)能夠達(dá)到一個(gè)更高 的真空度， 但是系統(tǒng)密封中的嚴(yán)格規(guī)定使得達(dá)到這種程度相當(dāng)復(fù)雜。 （2）一種真 空輔助系統(tǒng)：該系統(tǒng)有一個(gè)真空閥深入到壓型中以疏散包埋的空氣，目前人們關(guān) 注更多的就是這個(gè)系

5、統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)非常簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉而且要求很低，或者由 于它是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，所以無需任何機(jī)械調(diào)整。雖然高完整性壓鑄件對(duì)真空技術(shù)， 尤其是真空輔助系統(tǒng)的需求有上升的趨勢(shì)， 但是仍未在壓鑄工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。這主要是由于完整真空系統(tǒng)裝置的復(fù)雜性 和真空輔助系統(tǒng)在應(yīng)用中存在相當(dāng)大的爭(zhēng)議和疑慮。因此，目前工作的目標(biāo)是調(diào) 查真空輔助方法對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，包括縮松分布，力學(xué)性能以及在各種實(shí)驗(yàn)條 件下熱處理后鑄件的質(zhì)量變化。在這項(xiàng)工作中也研究了現(xiàn)有模具使用真空輔助系 統(tǒng)后的相關(guān)問題。2. 實(shí)驗(yàn)研究中所用材料是三種 Al-Si 合金，成分分別為含 Si5%, 8%和 18%的壓鑄 鋁合金 （wt） 。標(biāo)準(zhǔn)圓柱

6、形拉伸試樣就是在一臺(tái)裝有 Fondarex 真空系統(tǒng)的 Buhler H-400 SC 高壓壓鑄機(jī)上鑄出的。所用模具是經(jīng)調(diào)整過的現(xiàn)有壓鑄模具。 真空系統(tǒng)由一個(gè)真空泵，一個(gè)真空罐和一個(gè)真空閥組成，如圖 1 所示。圖 2 說明 了真空輔助壓鑄工藝的工作原理。金屬液舀入壓室后，柱塞移動(dòng)通過澆注洞并封 鎖了模具型腔（如圖 2a 所示）。然后真空閥開始工作，這樣模具型腔中就形成了低于大氣壓的壓力。 從模具充填開始至結(jié)束型腔中的空氣不斷被疏散 （如圖 2b所示）。鑄造中使用一種叫做 Thermocast4101 的加熱單元用油浴將模具溫度控制在150 C。澆注溫度控制在700C。澆注速度變化范圍是16 m

7、/s到52m/s。澆注完成后，所選試樣經(jīng)T6熱處理（520C下水浴保溫4小時(shí)，然后150 C下保溫 7 小時(shí)）。原鑄件和經(jīng)熱處理后的鑄件的拉伸強(qiáng)度均由一臺(tái)叫做 Instron4500 的拉伸試驗(yàn)機(jī)在室溫下測(cè)定的。鑄件的密度用阿基米德犯法測(cè)定。鑄件的硬度由 洛氏硬度測(cè)試儀在 60N 載荷下測(cè)定。 不同金相組織的顯微硬度由維氏硬度計(jì)測(cè)定（0.1N）。顯微組織用光學(xué)顯微鏡（LOM技術(shù)）和配備了能量色散 X射線分析儀掃描電子顯微鏡 （SEM） 進(jìn)行分析。3. 結(jié)果和討論3.1 真空輔助系統(tǒng)對(duì)氣孔分布的影響壓鑄件中氣孔的形成主要?dú)w因于三種因素，其中包括包埋在壓室和模具型腔 中的空氣，還有由于模具或柱塞潤(rùn)

8、滑油和天然氣（主要是氫）燃燒或揮發(fā)而溶解 在金屬液中的氣體。由于溶解在熔融金屬中的氫氣很難排除，真空系統(tǒng)的應(yīng)用將 僅僅影響壓射過程中包埋的空氣和氣體。目前的工作中， 主要進(jìn)行壓鑄有真空輔助和無真空輔助的比較。 在無真空壓 鑄（傳統(tǒng)壓鑄） 下，移除了模具頂部的真空閥， 然后將可互換的插件用作通風(fēng)口。 壓鑄完成后，將試樣較薄和較厚的部分都被做成切片以檢測(cè)縮松分布。圖 3 和圖4顯示了鑄件較薄部分的截面 LOM顯微照片，分別是AI-8%Si和AI-18%合金。 從圖片可以看出傳統(tǒng)壓鑄生產(chǎn)的壓鑄件存在大量氣孔（圖.3a和圖.4a）。相比之 下，真空輔助壓鑄件中氣孔的尺寸和數(shù)量均顯著減小，并且分布規(guī)則（

9、圖 3b 和 圖4b ）。這個(gè)結(jié)果表明，真空輔助系統(tǒng)的確有助于減少氣孔。然而卻發(fā)現(xiàn)，真空輔助系統(tǒng)并未消除鑄件中的氣孔，尤其是靠近溢流槽的厚大部分。這可能是由于模具型腔中相對(duì)較低的真空度。這項(xiàng)研究中，壓鑄過程中 的型腔氣壓實(shí)際上只有18X10-28 X10MP,高于最大氣壓（5X 10MP。造成低真 空的主要原因可能是由于鑄型表面變形和噴射指南造成真空泄漏。研究還發(fā)現(xiàn)真 空度受到壓鑄過程中發(fā)生的飛濺的影響。因此需要適當(dāng)?shù)哪＞呙芊饣蛄己玫哪＞?維修以避免過度真空泄露，尤其是舊的或者使用過的模具。在型腔中建立高真空 度對(duì)盡量減少金屬液中的空氣和氣團(tuán)至為關(guān)鍵。3.2傳統(tǒng)壓鑄件顯微組織圖5所示為傳統(tǒng)壓鑄

10、鋁合金件的LOM顯微照片。對(duì)于亞共晶合金Vacuum valveA completE casting圖1。Fondarex真空系統(tǒng)，ASTM標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣模具和真空壓鑄協(xié)助拍攝。AI-5%Si和AI-8%Si來說，顯微組織主要是a-Al和共晶組織。然而與AI-5%Si相比，Al-%8Si合金含有更高密度的共晶和粗晶組織（圖.5a和5b）。a-Al 是一種富含鋁的固溶體，而共晶組織由a-Al和片狀硅交替組成，因此a-Al相比共晶組織軟。a-Al相的維氏硬度的變化范圍是60HV到90HV,而共晶組織的維氏硬度卻介于175HV到185HV之間。對(duì)于過共晶AL-18%Si合金來說，其組織除包括a-Al和

11、共晶組織外，還有初生硅粒子。初生硅粒子的硬度大約850HV.5#圖2。真空壓鑄工藝工作原理3.3真空輔助系統(tǒng)對(duì)鑄件力學(xué)性能和致密性的影響圖3。 LOM鏡下的Al-8%Si合金氣孔分布：圖4。 LOM鏡下的Al-18%Si氣孔分布:(a)常規(guī)，(b)真空壓鑄件。：(a)常規(guī)，(b)真空壓鑄件。#圖6 LOM鏡下的AI-8%Si合金斷裂鑄件縱切面圖：(a)常規(guī)壓鑄件，(b)真空壓鑄件圖.5. LOM鏡下的鑄態(tài)合金組織：(a)AI-5%Si; (b) AI-8%Si;(c) AI-18%Si.對(duì)生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和密度測(cè)試，每項(xiàng)測(cè)試了六個(gè)試樣。三種合金的檢測(cè) 結(jié)果列于表1中。結(jié)果顯示，與常規(guī)壓鑄

12、相比，真空輔助系統(tǒng)不僅提高了壓鑄件的力學(xué)性能而且增加了鑄件的致密性。在檢測(cè)的三中合金中，真空輔助下AL- 8 % Si合金力學(xué)性能得到顯著改善(UTS方面增加了約約40兆帕，伸長(zhǎng)率增加了幾乎一倍) 然而，與Al-8%Si合金相比，Al-18%Si合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率相對(duì)較低。這是因?yàn)楹?金基體上存在大片狀的初晶硅顆粒，這種初晶硅顆粒破壞了基體，因此降低了力學(xué)性表1.鑄態(tài)合金力學(xué)性能和組織致密性（澆注速度：40m/s,加強(qiáng)圧60MP）Table IMechanical properties and dejisity of ihe aucam (gaie spec止 40 ioieifisJfica

13、iLom preure: 6(MPa)AlloyPtrnzcfiJiUTS (MPa)ElDngalioji (%)Hardness (HRF?Density (g/cm3)Al-5SiNon-vacuum1 %±6.419±0.973± J1671. ±0.() 12Vicuum Assisonee2(»±0.45±l.274±32-721 ±0.011Noth vacuum as&MajKe235±8,53.2±O7B±LZL715±D.O12iicuu

14、m276±4.5亂 0±O4l8D±L52.736±(WI2ujLuiiiCQ225±=6.31-95=0.293±J.OVkcuurn n耳代丸liM R249-8J2.2±02I OQ±OL81733=fcQLOa3對(duì)斷裂鑄件的縱切面的檢測(cè)顯示， 氣孔的存在對(duì)鑄件的斷裂性能起重要作用。 對(duì)于常規(guī)鑄件來說，由于有效面積減少導(dǎo)致高度應(yīng)力集中，從而使氣孔處很容易形成裂紋。因此斷裂路徑沿著互連的孔隙（圖 6a）。圖7顯示了沿孔隙斷裂的裂紋 SEM照 片，氣孔周圍可觀察到光滑的a - Al晶粒，說明氣孔附近產(chǎn)生了相對(duì)較低

15、的變形。因此，試樣是在低應(yīng)力和低應(yīng)變下斷裂的。但是對(duì)于亞共晶Al合金真空壓鑄件來說，卻在斷裂前有很大程度的變形的韌性斷裂行為。在這種情況下，發(fā)現(xiàn)斷裂源于共晶硅 板。除a-Al晶粒是穿晶斷裂外，斷裂路徑主要是沿 a-Al晶粒和共晶混合物的邊界，圖.7.SEM下氣孔周圍斷裂面圖圖8LOM鏡下AI-18%Si合金斷面縱切面圖，顯示了粗大初晶硅開裂6b所示。因此，由于真空輔助使鑄件中氣孔減少，鑄件強(qiáng)度和延展性得到很大改善。過共晶Al - 18% Si合金的延展性相當(dāng)?shù)停?.2%），這是由于存在堅(jiān)硬的初晶硅顆粒導(dǎo)致。粗大初晶硅顆粒的斷裂和硅顆粒與基體之間界面間裂紋， 可能是比 亞共晶Al-Si合金延展性

16、較低的原因，如圖8所示3.4壓射速度對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響我們對(duì)不同澆注速度下生產(chǎn)的真空輔助壓鑄件進(jìn)行了力學(xué)性能分析，圖9a-c顯示的是相應(yīng)不同澆注速度下鑄件的拉伸強(qiáng)度（a）,伸長(zhǎng)率（b）和硬度（c）。這些試樣均是在 60 Mpa的加強(qiáng)壓下壓鑄的，并且每項(xiàng)測(cè)試中使用三個(gè)試樣?？梢钥闯?，當(dāng)澆注速度從16 m/s增加到26 m/s時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度迅速增加（從210MP到270MP）。而進(jìn)一步增加澆注速度時(shí)拉伸強(qiáng)度并沒有明顯提高（圖.9a）。試樣伸長(zhǎng)率隨澆注速度的變化與拉伸強(qiáng)度相似（圖.9b）。試樣的硬度也隨澆注速度的增加有些許提高（圖.9c）。ate speed (nv's)(Ws)9#圖

17、9.相應(yīng)不同澆注速度下合金真空輔助壓鑄件的力學(xué)性能（加強(qiáng)壓：60MP）檢測(cè)結(jié)果表明，存在一個(gè)臨界澆注速度，高于臨界澆注速度就可以使鑄件達(dá)到最 佳力學(xué)性能。原因可解釋如下：當(dāng)選擇低澆注速度是，在全部金屬液澆入型腔之前，較薄澆道內(nèi)的熔融金屬已部分凝固。 金屬液過早凍結(jié)阻塞或部分阻塞了澆道， 使隨后 的金屬繼續(xù)射入型腔變得困難。因此縮孔和氣孔不可能通過加強(qiáng)壓進(jìn)行補(bǔ)縮。結(jié)果, 鑄件不能達(dá)到良好的力學(xué)性能。另一方面，在較高的澆注速度下，金屬液在澆道中的 高沖力降低了過早凝固導(dǎo)致的澆道阻塞趨勢(shì)，所以能夠在澆道關(guān)閉前充滿型腔。因此, 較高澆注速度對(duì)制造高性能零件非常必要，甚至在真空輔助工藝下也是這樣。目前的

18、 研究鑒定，澆注速度應(yīng)高于26 m/s。3.5壓鑄件熱處理對(duì)所選壓鑄件進(jìn)行T6熱處理（加熱到510C保溫6h,然后淬入水中時(shí)效7h）, 熱處理后，對(duì)鑄件的顯微組織，表面氣泡的形成和力學(xué)性能進(jìn)行分析，以確定熱處理 對(duì)真空壓鑄件的影響。圖10所示為AI-5%Si, AI-8%Si和AI-18%Si合金熱處理后LOM照片。與如圖5 所示鑄態(tài)組織相比，熱處理可使共晶硅球化，并使基體析出細(xì)小的金屬間化合物。而AI-18%Si合金中初晶硅并無明顯變化10#q出1朋W圖.10.LOM鏡下熱處理（T6）合金圖，顯示了 共晶硅的球化和金屬化合物的沉淀（a） AI-5%Si;（b）AI-8%Si; （c） AI-

19、18%Si.圖11所示分別為L(zhǎng)OM顯微鏡觀察到的AI-5%Si and AI-18%Si合金熱處理件的表 面形貌。由于熱處理過程中鑄件部分表面皮下氣孔中的氣體膨脹，常規(guī)鑄件表面氣孔非常明顯（圖11a和c）。相比之下，真空輔助件的表面氣孔缺陷明顯減少，尤其是 AI-8%Si合金（圖.11b和d）,這就表明真空壓鑄件可以進(jìn)行熱處理。表2為三種合金熱處理后的力學(xué)性能?？梢钥闯鼋?jīng) T6處理后鑄件的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率 得到明顯改善。與高硅合金相比，低硅合金（5%和8%Si）的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率有了更大的 提高。如圖10所示，可知鑄件力學(xué)性能的提高歸因于熱處理后組織的調(diào)整。在強(qiáng)化合 金方面，共晶硅的球化和金屬化合物沉

20、淀強(qiáng)化起了很重要的作用。圖.11.L0M 鏡下熱處理后鑄件表面圖：（a）真空壓鑄AI-8%Si合金，（b）常規(guī)壓鑄AI-8%Si合金，（c）常規(guī)壓鑄 AI-18%Si合金，（d）真空壓鑄Al ±8%Si合金圖12所示為利用LOM顯微鏡觀察到的AI-8%Si and AI-18%Si合金斷裂縱截面 圖。如圖6b和8所示，與鑄態(tài)合金相比，可以看出熱處理件表現(xiàn)出不同的斷裂性能。與針狀和片狀硅相比，由于球狀硅顆粒使應(yīng)力集中減小， 因此拉伸過程中界面裂紋的 形成也大大降低，從而大大改善鑄件的延展性。高硅合金相對(duì)較低的延展性仍然是由于斷裂的初晶硅顆粒的存在，如圖12b所示圖.12.L0M 鏡下熱

21、處理后斷裂鑄件縱切面圖：（a） AI-8%Si合金，（b）AI-18%Si合金表2.鑄態(tài)合金與熱處理合金相比較Alloyi 誓 *H皿zHRF iAl-JfltSi2J&fctS.4S7±.52TWLiaiJ Ul 2741 3Al-SSiUs19.6±1.7M±1.0276±43XiTh屮珈上11 910SIO2±1.3邑414 7測(cè)4審*4.結(jié)論研究中使用真空輔助高壓壓鑄工藝生產(chǎn) ASTM 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，所使用的合金為含硅5 wt.%, 8 wt.%和18 wt.%的Al-Si合金。由此生產(chǎn)的鑄件部分表明，真空壓鑄減少 了型腔中包埋

22、空氣和氣體的數(shù)量。 從金屬學(xué)角度分析指出， 真空輔助生產(chǎn)的鑄件比未 使用真空輔助的鑄件強(qiáng)度高，氣孔的容積顯著降低，氣孔的尺寸也顯著減小。結(jié)果， 鑄件的力學(xué)性能和致密度得到很大的改善。研究發(fā)現(xiàn)， 壓射速度對(duì)壓鑄件的力學(xué)性能起至關(guān)重要的作用。 高壓射速度有利于 獲得最佳力學(xué)性能的鑄件組織。試樣T6處理后，與常規(guī)壓鑄工藝相比，真空壓鑄工藝 減少了表面氣孔的形成。 熱處理后合金的力學(xué)性能也得到極大的改善。 這個(gè)結(jié)果說明， 真空壓鑄件適于進(jìn)行熱處理。結(jié)果還說明，模具型腔真空泄露，尤其對(duì)于舊模具來說，應(yīng)該降到最低，而且應(yīng) 避免壓鑄過程中的飛濺以使型腔達(dá)到高真空度，這對(duì)于真空壓鑄的成功與否尤為關(guān) 鍵。鳴謝感

23、謝新加坡年終項(xiàng)目南洋科技大學(xué)的學(xué)生 (NTU) Chea ng Kun Wai和Chau Lih Pin,感謝他們?cè)陲@微分析和強(qiáng)度測(cè)試上的幫助，還要感謝Lim先生和Khiam Boon先生(PMF組，Gin tic)在壓鑄方面的幫助。參考文獻(xiàn)1 A. Street, The Die Casting Books, Portcullis Press Ltd., 1977, pp. 316, p625 6±41.±2 A. Kaye, A. Street, Die Casting Metallurgy, Butterworths, London, 1982, 231 235.3 H. Woithe, W. Achwab, Producing heat treatable A