壓鑄（zhù）A380合金力學性能及熱處理工藝性能研究

美壓鑄（zhù）協會(NADCA)2006年發表的壓鑄市場報告中顯示。汽車行業是壓鑄技術應用的主要領域（yù），占到（dào）了整個壓鑄行業的77％。研究表（biǎo）明（míng）．車重每降低 100 kg，油耗可減少0．7 U100 kmrn。由此可見，鋁合金 壓鑄在汽車輕（qīng）量化領域有廣泛的應用前景。A380合金 是亞共（gòng）晶A1．Si類（lèi）合金，自20世紀70年代問世以來，因 其具有良好（hǎo）的鑄造性能、力（lì）學性能、耐蝕性及低的膨 脹係（xì）數而備受材料工（gōng）作者的青睞，得到了廣泛的應用， 例如汽車（chē）發動機鋁合金缸體壓鑄、汽車摩托（tuō）車鋁合（hé）金 輪轂（gū）壓鑄等131。在壓鑄過程中，壓鑄工藝對（duì）壓鑄件（jiàn）的性 能有較大的影響，同時，由於壓鑄（zhù）件中氣體缺陷的存 在，在熱處理（lǐ）過程中受熱膨脹，使（shǐ）鑄件（jiàn）產生起泡和變（biàn） 形。導致壓鑄件一般不能通過熱處理強化。 本文以壓鑄鋁合金（jīn）A380為（wéi）研究對象，采用標準壓 鑄（zhù）試驗模具，研究了工藝參（cān）數對壓鑄件力學性能的影（yǐng） 響，改進壓鑄工藝(減速工藝)可以提高壓鑄件力學 性能；對壓鑄（zhù）件進行熱處理試驗創新（xīn），探討了壓鑄 A380合（hé）金的熱處理工藝。 試（shì）驗設計與性能測定 1．1壓鑄試驗設計 試驗材料為A380鋁合金，化學成（chéng）分如表l所示。 壓（yā）鑄試樣參照（zhào）標準沒計，壓鑄試樣如圖1所示，力學性能檢 測采（cǎi）用（yòng）標準壓鑄圓形力學（xué）性能試棒(圖中的3號試樣)，試棒尺寸如圖2所示。壓鑄設備為TOYO BD．650-V4-N型 650 t臥式冷室壓鑄（zhù）機。衝頭直徑100 mm．壓室麵（miàn）積 7 850 mm2。壓鑄時的基準（zhǔn）壓鑄工藝參數：澆注溫度 680℃，模具溫度150℃，鑄造壓力66．7 MPa，低速速 度0．1 m／s。高速速度1．0 m／s，料（liào）餅厚度25 ida]，充滿度 24％，起高速位置270 mm。試驗過程中考慮鑄造（zào）壓力、 高速速度、低速速度及低速階段減（jiǎn）速工藝等（děng）參數對（duì）力 學性能的影響，具體壓鑄工藝試驗設計如表2所示。 每種試驗條件在達到熱平衡後生產Io組試樣，采 用圓形試棒測試密度及力學性能，並取其中5個試樣進 行測試取（qǔ）平均值，采用（yòng）剩餘5個試樣（yàng）進行熱處理，並測 試力學性能取平均值。 1．2熱處理試驗 熱處理加熱爐采用Nabertherm自動（dòng）控製爐。熱處 理工藝見本文第4章。 1．3密度測定 密度采用（yòng）阿基米德法、參照GB／T 1423--1996進行 測量；質（zhì）量用電子天平測量．精度1 mg；測量溫度 15-20℃。 1．4力學性能奠定 采用圖2所示的壓（yā）鑄圓棒（bàng）試樣進行力學性能測（cè）試（shì）， 試樣直接壓鑄而成，試驗在WDW3020電子萬（wàn）能試驗機 上進行．橫梁（liáng）移動速率為1．0ram／rain。 2、壓鑄工（gōng）藝參數對鑄件密度的影響（xiǎng） 在壓力（lì）鑄造過程中，孔洞類缺陷是最（zuì）主要缺陷之 一，它使鑄件力（lì）學性能下降。氣孔率及氣孔分布（bù）是評 價（jià）壓鑄件質量的重要指標，通常用壓（yā）鑄件整體密（mì）度來 衡量其致（zhì）密度H。壓鑄（zhù）工藝參數對（duì）鑄件的密度有較（jiào）大影 響，圖3為試（shì）驗得到的圓棒試樣在不同壓鑄（zhù）工藝條件下 鑄件的密度。 從（cóng）圖（tú）3可以明（míng）顯看出，鑄造壓力增（zēng）加，試樣密度（dù）明 顯增大．在67 MPa時的密（mì）度最高。一方麵隨鑄造壓力 增大，可以使鑄件卷入性氣孔尺（chǐ）寸減（jiǎn）小．同時，也可 以減（jiǎn）小鑄件中的縮（suō）鬆。 研究表明，充型過（guò）程中隨著高速速度的增加，充型 時獲（huò）得的（de）充填壓力開始大幅度提高，隨後增加緩（huǎn）慢m。 圖3可以看出（chū）．隨高速速度增加，密度增加，當高速速 度達到3．0 m／s以上時，密度變化不大。 壓（yā）鑄過程中低速速度（dù）的選擇，既要防止（zhǐ）壓室的卷 氣，又要防止溫度下降（jiàng）過多（duō）。作者前期研究工作表明： 壓鑄低速壓射階段存在臨界低速速度，避免壓室內氣 體卷入M．同時，當壓室充滿時，為避（bì）免液態金屬在 流道（dào）係統中的卷氣。需采用減速工藝充填流道。根據 計算，當前試（shì）驗（yàn）條（tiáo）件（jiàn）下，低速臨界速度為0．91 m／s。由 於（yú）設備原因．未能達到0．91 m／s的l臨界速度．因此試驗 條件下的最高低速速度為0．8 m／s，圖3中圓點表示低速 速度0．8 m／s時減速工藝條件（jiàn）下（xià）測（cè）定的密度。從圖3可（kě）以 看出，低速速度對試樣密度的影響較大，同時，采用 減速工藝（yì）時的密度均高於一般壓鑄工藝0．8 1Tl，s時鑄件 的密度，表明減速工藝對於壓鑄是有效的。當減速位 置為（wéi）233 mm時。試樣密（mì）度最高。 綜合分析壓鑄工藝對壓鑄件密度的影響．圖3可以 看出（chū），鑄造壓力對密度（dù）影（yǐng）響最大．壓力一（yī）定時，低速速 度（dù）變化對密度的影響大於高速速（sù）度變化對密度的影響。 3、工藝（yì）參數對力學性能的（de）影響 3．1 勻速工藝條件下的力學性（xìng）能（néng） 3．1．1抗拉強度和塑（sù）性 對（duì）於標準圓棒壓鑄試（shì）樣進行的拉伸試驗，試驗結 果如圖4、圖5和圖6所示，分別反映了壓鑄工藝參數對 抗拉強度、斷裂伸長率和屈服強度的影響。 從圖（tú）4及圖5可以看出，試樣的抗拉強度高，其斷 裂伸長率也高。隨鑄造壓力及高（gāo）速速度的增加，鑄件 的抗拉強度及伸長（zhǎng）率增加。低速工藝條件下，除低速 速度為0．1 m／s的條件外，試樣強度和（hé）塑性均比較高， 強度超（chāo）過350 IVlPa，明顯高於0．1 m／s時的強度，高於標（biāo） 準320 mPa，同時，塑性也明顯提高。 同時，對（duì）比（bǐ）圖4與圖3可以看出，試樣的抗（kàng）拉強度 和密度有著較好（hǎo）的對應關係，密度高，強度也高，張 永忠【4J的試驗結果也顯示了這樣的關係。 3．1．2屈服強度 由於試（shì）樣屈服強度主要取決於試樣的組織及晶粒 尺寸大小，而孔洞（dòng）缺陷對於屈服強度的影響較小。壓 鑄工（gōng）藝參數則主要（yào）影（yǐng）響試樣內部孔洞的尺寸及分布， 因此隨（suí）著工藝條件變（biàn）化，試樣的屈服強度變化（huà）幅度較 小，在155-160 MPa,之間。 3．2減速工藝條件（jiàn）下的力學性能（néng） 圖4、圖5及圖（tú）6中圓點所表示的性能是低速速度（dù）為 O．8 m／s的減速工藝條件下測得的力學性能。明顯看出： 減速位置分別為233 mm、243 mill、253 InlTl時的性能 均高於一般勻速壓鑄工藝0．8 m／s時鑄件的（de）力學性能； 減速位置233 mm時，抗拉強（qiáng）度達365 MPa，屈服強度 為158 MPa，伸長（zhǎng）率4．2％，綜合力學（xué）性能（néng）最高，尤（yóu）其（qí）是 抗（kàng）拉強度和塑性遠高於A380參T,準要求。 因此，減速工藝不僅可以避免金屬在壓室內的卷 氣，而且（qiě）可以減少（shǎo）金屬充填流道時的卷氣，從而明（míng）顯 提高壓鑄件的力學性能，合理的減速距離可以通過計 算和（hé）數（shù）值模擬予以確定用。 4、熱處理工藝性能研（yán）究 4．1熱處理試驗 由於壓鑄件中大量氣孔缺陷的存在，壓鑄件通常（cháng）不 能（néng）進行熱處理。為了研究A380合金壓鑄件的熱處理工（gōng） 藝，作者首先研（yán）究了壓鑄試樣（yàng）在熱處理過程中的起泡現 象。在本試驗研究中，我們對A380合金（jīn）壓鑄試樣分別 在520℃、515℃、510℃、505℃、500℃、495℃、 490℃、485℃等溫度進行了固（gù）溶（róng）處理。研究發現當固 溶溫度高於500℃時，起泡和變形現象很嚴重（chóng），甚至導 致鑄件報廢。而在495℃、490℃及485℃的（de）固溶溫度 下，氣泡現象隨試樣質（zhì）量及固溶處理時（shí）間的（de）長（zhǎng）短而不 同。S12工（gōng）藝扁棒(圖l中的2號試樣)在485"(2118 min／ 水冷熱處理條件下不（bú）起泡，而（ér）485'12／37 mill／水冷（lěng）熱處 理條件下出現大（dà）量氣（qì）泡，同（tóng）時測得的力學性能（néng）明顯下 降。因（yīn）此（cǐ），溫度和時間的控製在A380合金壓鑄件的熱 處理過程中極為重要。 基於上（shàng）述研究，作者提出采用通過短時固溶處（chù）理+ 時效處理的熱處理工藝方案進乎亍A380合金壓鑄件（jiàn）的熱處 理工藝（yì）。通過對扁試樣和圓棒試樣的熱處理結（jié）果表明，熱處理（lǐ）後的試樣抗拉強度得到大（dà）幅度提高，如圖7所示。 扁試（shì）樣(減速T藝S15)+490 4C／21 min／；K冷+／170"C／6tI／ 空冷，強度（dù）接近到370MPa；圓棒試樣(減速工藝S14) +固溶時效（xiào）處理(495。C／20 min／水冷+170。C／6 ll／空冷)， 抗拉強度可達410MPa 根據大量（liàng）試驗，我們設計了短（duǎn）時固溶處理+低溫長時 間時效處理工（gōng）藝，可以避（bì）免鑄（zhù）件的起泡現象，同時（shí）， A380壓鑄試樣綜合（hé）力學性能得到（dào）大幅度提高。圖8顯（xiǎn）示了 S15工藝下圓棒（bàng）試樣（yàng）熱處理(485℃／25 min+90℃／14 11) 後的力學性能，屈服強度達205 MPa，抗拉強度接近（jìn） 394 MPa，伸長率可達7．8％，值得一提的是塑性指（zhǐ）標 大幅度提高 4．2熱處理結果分析 A380鋁合金Si、Cu含量高．同時還有較高的Fe、 Mn、Mg等元（yuán）素，尤（yóu）其在高壓作用下，原子擴散受到限 製，使得（dé）壓鑄件組織極為複雜。通（tōng）過金相分析和相圖分 析，可能的組織：初晶“．AI+初si+(AI+si)+(Si+Mn．Fe)+ A12Cu+(a+Si+A12Cu)+(A12Cu+AIsMgsSi2Cu)等，其中 主要組織為初晶q“l、共晶（jīng）si、含Fe相等。 由於壓鑄（zhù）條件下鑄件冷卻（què）速度較高，使壓鑄鋁合 金中Ot固溶體中的Cu、Mn等元素（sù）呈過（guò）飽和狀態；同時 由於在壓力下（xià）結晶，引起晶格缺陷局部聚集（jí）和微（wēi）觀物 理不（bú）均（jun1）勻性．導致過剩的空位濃度增加和位錯增加I{I。 因此，壓鑄件高溫短時處理時，增加了原子（zǐ）擴散速度， 使得固溶處理之後（hòu），可以達到一（yī）定的固溶效果，從而 通過進一步時效處理後可以起到明顯的強化作用。 5、結（jié）論 (1)隨鑄造壓力及高速（sù）速度的增加（jiā），壓鑄A380合（hé） 金的密度、抗拉（lā）強度及伸（shēn）長率增加；低速速（sù）度對鑄（zhù）件（jiàn） 的密度、抗（kàng）拉強（qiáng）度及伸長率有（yǒu）較大影響，鑄造壓力一 定時，低速（sù）速度變化對鑄件（jiàn）力學性能（néng）的影響大於高速 速（sù）度變化對鑄件力學性能的影響。工藝參數對壓鑄（zhù） A380合金的屈服強度影響較小。 (2)通過優化（huà）壓（yā）鑄過程中的低（dī）速壓鑄工藝，可以 明顯提高壓鑄件的密度和力學（xué）性能。試驗條件下（xià），通 過采用接近臨界速度的低速工藝及減速工藝，壓鑄態 試樣的抗拉強（qiáng）度達到365 MPa，屈服強度158 IⅥIP8，伸 長率4．2％。 (3)開發了A380合金壓鑄件的短時固溶處理+時效（xiào） 處理的熱處理工藝，經（jīng）過熱處理後，合金具有很高的 綜（zōng）合力學性能。經過優化（huà）熱處理工藝後，標準壓鑄圓 棒試樣熱處理（lǐ）後的屈服強度達205 MPa，抗（kàng）拉強度（dù）接近 394 MPa，伸長率可達7．8％。 更多資訊詳細請登錄東莞低熔點合金：www.gysxh.com