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.Liba新加坡Gintic制造技術(shù)研究所，南洋大學(xué)71號，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。ASTM定義了Al-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)對鑄件縮松分布及力學(xué)性能的影響，再對所選試樣進(jìn)行了T6熱處

2、理以后，分析T6熱處理對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.簡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，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

3、空氣。鑄件中氣孔的存在對力學(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，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。金屬充填型腔時所需回壓力也有所降低。因此壓鑄工藝也可以生產(chǎn)出具有薄壁部分的大型鑄件。對于通過熱處理生產(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

4、說，真空壓鑄工藝具有潛在應(yīng)用價值。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）一個完整的真空系統(tǒng)：整個壓鑄系統(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)注更多的就是這個系統(tǒng)，因為該系統(tǒng)非常簡單，價格低廉而且要求很低，或者由于它是一個獨(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真

5、空技術(shù)，尤其是真空輔助系統(tǒng)的需求有上升的趨勢，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)性能以及在各種實驗條件下熱處理后鑄件的質(zhì)量變化。在這項工作中也研究了現(xiàn)有模具使用真空輔助系統(tǒng)后的相關(guān)問題。.實驗研究中所用材料是三種Al-Si合金，成分分別為含Si5%,8%ffi18%的壓鑄鋁合金（wt）o標(biāo)準(zhǔn)圓柱形拉伸試樣就是在一臺裝有Fondarex真空系統(tǒng)的BuhlerH-400SC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)由一個真空

6、泵，一個真空罐和一個真空閥組成，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150C。澆注溫度控制在700C。澆注速度變化范圍是16m/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，然后150c下保溫7小時）。原鑄件和經(jīng)熱處理后的鑄件的拉伸強(qiáng)度均由一臺叫做Instron4500的拉伸試驗機(jī)在室溫

7、下測定的。鑄件的密度用阿基米德犯法測定。鑄件的硬度由洛氏硬度測試儀在60N載荷下測定。不同金相組織的顯微硬度由維氏硬度計測定（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。.結(jié)果和討論真空輔助系統(tǒng)對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，

8、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Al-8%Si和Al-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（圖3b和圖4b）。這個結(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較低的真空度。這項研究中，壓鑄過程中的型腔氣壓實際上只有18X10-28M0MP,高于最大氣

9、壓（5X10MP。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＞呔S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盡量減少金屬液中的空氣和氣團(tuán)至為關(guān)鍵。傳統(tǒng)壓鑄件顯微組織圖5所示為傳統(tǒng)壓鑄鋁合金件的LOM顯微照片。對于亞共晶合金VacuumvalveAcompletEcasting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。Al-5%Si和Al-8%Si來說，顯微組織主要是a-Al和共晶組織。然而與Al-5%Si相比，Al-%8Si合金含

10、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。對于過共晶AL-18%Si合金來說，其組織除包括a-Al和共晶組織外，還有初生硅粒子。初生硅粒子的硬度大約850HV.Vacuum圖2。真空壓鑄工藝工作原理真空輔助系統(tǒng)對鑄件力學(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

11、LOM鏡下的Al-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)Al-5%Si;(b)Al-8%Si;(c)Al-18%Si.對生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和密度測試，每項測試了六個試樣。三種合金的檢測結(jié)果列于表1中。結(jié)果顯示，與常規(guī)壓鑄相比，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)度和伸長率相對較低。這是因為合金基體上存在大片狀的初晶硅顆粒，這種

12、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)壓60MP)Table1Mechanicalpropertiesanddensi凸'od-ihe猛汽口Jalley's(gaiespeed:40m/s.imusinsj恥白Umpreure:&MPaAUoyPtrnzcfiJiUTSMPa)Ekmg猛nicnHardness(HRF?Dcnsil),Al-5SiNothvacuum1購?fù)?amp;419±0.973±L11671±0.02icuummsisnce209=10.145±1

13、.274±132：72l±0.01lNon-vacuumassistance235±8.578±1.2L715±0.012iicuum曲如nee276±4.56.0±0.4180±1.5L736±0.012Nonr泣Euunft匕銘迪niic巴225±6.51.95±±0.293iJ.O2.721+0,002如亡num&如他m七249=8J2.2±0210()±0.82.733±0X)()3對斷裂鑄件的縱切面的檢測顯示，氣孔的存在對鑄件的

14、斷裂性能起重要作用。對于常規(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)生了相對較低的變形。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.8.LOM鏡下Al-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

15、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合金延展性較低的原因，如圖8所示。壓射速度對鑄件力學(xué)性能的影響我們對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-cS示的是相應(yīng)不同澆注速度下鑄件的拉伸強(qiáng)度（a）,伸長率（b）和硬度（c）。這些試樣均是在60Mpa的加強(qiáng)壓下壓鑄的，并且每項測試中使用三個試樣?？梢钥闯觯?dāng)澆注速度從16m/s增加到26m/s時，試樣的拉伸強(qiáng)度迅速增加（從210Mp到270MP）。而

16、進(jìn)一步增加澆注速度時拉伸強(qiáng)度并沒有明顯提高（圖.9a）。試樣伸長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）。心19?？诳贠町9?53Eg72222-2LLfflcr3q®二罵不義看Gatespeed(irev's)50B0203D40演的Ghicipetd(mE)875432(累jUWaU口記圖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）檢測結(jié)果表明，存在一個臨界澆注速度，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

17、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，所以能夠在澆道關(guān)閉前充滿型腔。因此,較高澆注速度對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。目前的研究鑒定，澆注速度應(yīng)高于26m/s。壓鑄件熱處理對所選壓鑄件進(jìn)行T6熱處理（加熱到510c保溫6h,然后淬入水中時效7h）,熱處理后，對鑄件的顯微組織，表面氣泡的形成和力學(xué)性能進(jìn)行分析，以確定熱處理對真空壓鑄件的影響。圖10所示為Al-5%Si,

18、Al-8%Si和Al-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Al-18%Si合金中初晶硅并無明顯變化。*WE1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）Al-5%Si;（b）Al-8%Si;（c）Al-18%Si.圖11所示分別為LOM顯微鏡觀察到的Al-5%SiandAl-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Al-8%Si合金（圖.11

19、b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。可以看出經(jīng)T6處理后鑄件的強(qiáng)度和伸長率得到明顯改善。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淀強(qiáng)化起了很重要的作用。圖.11.LOM鏡下熱處理后鑄件表面圖：（a）真空壓鑄Al-8%Si合金，（b）常規(guī)壓鑄Al-8%Si合金，常規(guī)壓鑄Al-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Al-8%SiandAl-18%Si合金斷裂縱截面圖。

20、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.LOM鏡下熱處理后斷裂鑄件縱切面圖：（a）Al-8%Si合金，（b）Al-18%Si合金表2.鑄態(tài)合金與熱處理合金相比較AlloyIF血；i*HMkhwlHR?Al-JfltSi16MiipM巾e打上L3S7±.5Ame*2TWLiai-4$1127413Al-SSiLCIWpClJ口加jri7.?1或6比1.7M&#

21、177;1.0276±43蚓土】二TheiEipClZ7酎上1工4IO2±L3MQIN*-+441,4.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5wt.%,8wt.%和18wt.%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

22、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，這對于真空壓鑄的成功與否尤為關(guān)鍵。鳴謝感謝新加坡年終項目南洋科技大學(xué)的學(xué)生(NTU)CheangKunWai和ChauLihPin,感謝他們在顯微分析和強(qiáng)度測試上的幫助，還要感謝Lim先生和KhiamBoon先生(PMF組，Gintic)在壓鑄方面的幫助。參考文獻(xiàn)A.Street,TheDieCastingBooks,PortcullisPressLtd.,1977,pp.316,p625641.±A.Kaye,A.Street,DieCa