壓（yā）鑄A380合金力學性能及熱處（chù）理工藝性能研究

美（měi）壓鑄協會(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（lǐng）域，占到了整個（gè）壓鑄（zhù）行業的77％。研究（jiū）表明．車重每降低 100 kg，油耗（hào）可減少0．7 U100 kmrn。由此可見，鋁合（hé）金 壓鑄在汽車輕量化領域有廣泛的應用前（qián）景。A380合金 是亞共晶A1．Si類合金，自20世紀70年代問（wèn）世以來，因 其（qí）具有良（liáng）好的鑄造性能、力學性能（néng）、耐蝕性及低的膨 脹係數而備受材料工作者的青睞，得到了廣泛的應用， 例如汽車發動機鋁合金缸體壓鑄、汽車摩托車鋁合金 輪轂壓鑄等（děng）131。在壓（yā）鑄過程中，壓鑄工藝對壓鑄件的（de）性 能（néng）有較大的影（yǐng）響，同時，由於壓鑄件中氣體缺陷的（de）存 在，在熱處理（lǐ）過程中受熱膨脹，使（shǐ）鑄件產生起泡和變 形。導致（zhì）壓鑄件一般不能通（tōng）過熱處理強化。 本文以壓鑄鋁合金A380為研究對象（xiàng），采用（yòng）標準壓 鑄試驗模具，研究了工藝（yì）參數對壓鑄件力學性能的影 響，改進壓鑄工藝(減速工藝)可以（yǐ）提高壓鑄件力學 性能；對壓鑄件進行熱處理試驗創新，探討了壓鑄 A380合金的熱處理工藝。 試驗設計與性能（néng）測定 1．1壓鑄試驗設計 試驗材（cái）料為A380鋁合金（jīn），化學成分如表（biǎo）l所示。 壓鑄試樣參（cān）照標準沒計，壓鑄（zhù）試樣如圖1所示，力學性（xìng）能檢 測采用標準壓鑄圓形力學性能試棒(圖中的3號試樣)，試棒尺寸如（rú）圖2所（suǒ）示。壓鑄設（shè）備為TOYO BD．650-V4-N型 650 t臥式冷室壓鑄機。衝頭直徑100 mm．壓室麵積 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（sù）速 度0．1 m／s。高速速度1．0 m／s，料餅厚度25 ida]，充（chōng）滿度（dù） 24％，起高速位置270 mm。試驗過程中考慮鑄造壓力、 高速（sù）速度、低速速度及低速階段減速工藝等參數對（duì）力 學性能（néng）的影響，具體壓鑄工藝試驗（yàn）設計如表2所（suǒ）示。 每種試驗條件在達到熱平（píng）衡後生產Io組試樣，采 用圓形（xíng）試棒測試密度及（jí）力學性能，並取其中（zhōng）5個試（shì）樣進 行測試取平均值，采用剩餘5個試樣進行熱處理，並測 試力學性（xìng）能取平均值。 1．2熱處理試驗（yàn） 熱處理加熱爐（lú）采用Nabertherm自動控製爐。熱處 理工藝見本文第4章。 1．3密度測定 密度采用阿基米德法、參照GB／T 1423--1996進行 測量；質量用（yòng）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所示的壓鑄圓棒試樣進行力學性能測試， 試樣直接壓（yā）鑄而成，試驗在WDW3020電子萬（wàn）能試驗機 上進行．橫梁移（yí）動速率為1．0ram／rain。 2、壓鑄工藝參數對鑄件密度的影響（xiǎng） 在壓力鑄（zhù）造過程中，孔洞（dòng）類（lèi）缺陷是最主要缺陷之 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（yòng）壓鑄件整體密度來 衡量其致密度H。壓鑄工藝參數對（duì）鑄件的密度有較大影 響（xiǎng），圖3為試驗得到（dào）的圓棒試（shì）樣（yàng）在不同壓鑄工藝條件（jiàn）下 鑄件的密度。 從圖3可以明顯（xiǎn）看出，鑄造壓力增加，試樣密度明 顯增大．在67 MPa時的密度最高。一方麵隨鑄造壓力 增大，可以使鑄件卷入性氣孔尺寸（cùn）減小（xiǎo）．同（tóng）時（shí），也可 以減小（xiǎo）鑄件中（zhōng）的縮鬆。 研究（jiū）表明（míng），充型過程中隨著高速速度的增加，充型 時獲得的充填壓力開始大幅（fú）度提高，隨後增加緩慢m。 圖3可以看出．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。 壓鑄過程中低速速度的選擇，既要防止壓室的卷 氣，又要防止溫度下降過多（duō）。作者前期研究工作表明（míng）： 壓鑄低速（sù）壓射階段存（cún）在臨界（jiè）低（dī）速速度，避免壓室內氣 體卷入M．同時，當壓室充滿時，為（wéi）避免液態金屬在 流道係（xì）統中的卷氣。需采用減速工藝充填流道。根據 計算，當前試驗條件下，低（dī）速臨界速度為0．91 m／s。由（yóu） 於設備原因．未（wèi）能達到0．91 m／s的l臨界速度．因此試驗 條件下的最高（gāo）低（dī）速（sù）速度為0．8 m／s，圖3中圓點表示低速 速度0．8 m／s時減速工藝條件下測定的密度（dù）。從圖3可以 看出，低速速度對試樣密度的影響較大，同時，采用 減速工藝時的密度（dù）均高於（yú）一般壓鑄工藝0．8 1Tl，s時鑄件 的（de）密度，表明（míng）減速工藝對於壓鑄是有效的。當減（jiǎn）速位 置為233 mm時。試樣密度最高。 綜合分（fèn）析壓鑄工藝對壓鑄件密度的影響．圖3可以（yǐ） 看出，鑄造壓力對密度影響最大．壓力一定時，低速速 度變化（huà）對密度的影響大於高速速度變化（huà）對密（mì）度的（de）影響。 3、工藝參數對力學性能的影響 3．1 勻速工（gōng）藝條件下的力學性能 3．1．1抗拉強度和（hé）塑性 對於標準圓棒壓鑄試樣進行的拉伸試驗，試驗結 果如圖4、圖5和圖6所示，分別反映了壓鑄工藝參（cān）數對 抗拉強度（dù）、斷裂伸長率和屈服強度的影響。 從圖4及（jí）圖5可以看出（chū），試樣（yàng）的抗拉強度高，其斷 裂伸（shēn）長率也高。隨鑄造壓力及高速速度的增加，鑄件 的抗拉強度及伸長率增加。低速工藝條件下，除低速 速度為0．1 m／s的條件外，試樣強度和塑性均比（bǐ）較高， 強度超過350 IVlPa，明顯高於0．1 m／s時的強度，高（gāo）於標 準320 mPa，同時，塑性也明（míng）顯提高。 同時，對比圖（tú）4與圖3可以看出，試樣的抗拉強度 和密度有著較好的對應關係，密度高，強度也高，張 永忠【4J的試驗結果也顯示了這（zhè）樣的（de）關係。 3．1．2屈（qū）服（fú）強度 由於試樣屈服強度主要取決於試樣的組織及晶粒 尺寸大小（xiǎo），而孔洞缺（quē）陷對於（yú）屈服強度的影（yǐng）響較小。壓 鑄工藝參數則主（zhǔ）要影響試樣（yàng）內部孔洞的尺寸（cùn）及分布， 因此隨著工藝條件變（biàn）化，試樣的屈服強度變化幅度較（jiào） 小，在155-160 MPa,之間。 3．2減速工藝條件下的力學性（xìng）能 圖4、圖5及圖6中圓點所表示的（de）性能是低速速度為 O．8 m／s的減速（sù）工藝條件下測得的力學性能（néng）。明顯看（kàn）出： 減速位置分別為233 mm、243 mill、253 InlTl時（shí）的性能 均高於一般勻速壓鑄工藝0．8 m／s時鑄件（jiàn）的力學性能； 減速位置233 mm時，抗拉強度達365 MPa，屈服（fú）強度 為158 MPa，伸長率4．2％，綜合力學性（xìng）能最高，尤其（qí）是 抗拉強度和塑性遠高於A380參T,準要（yào）求。 因此，減速工藝不（bú）僅可以避免金屬在壓室內的卷 氣，而且可以減少金屬充填流道（dào）時的卷氣（qì），從而明顯 提高壓（yā）鑄件的力學性（xìng）能，合理的減速（sù）距離可以通過計（jì） 算和數值模擬（nǐ）予以確定用。 4、熱處理工（gōng）藝性能研究 4．1熱處理試驗 由於壓鑄件中大量氣孔缺陷的存在，壓（yā）鑄件通常不 能進行熱處理。為了研究A380合金壓鑄件的熱處理工 藝，作者首先研究了壓鑄試（shì）樣在熱處理過程（chéng）中的起泡現 象。在本試驗研究中，我們對A380合金壓鑄試（shì）樣分別 在（zài）520℃、515℃、510℃、505℃、500℃、495℃、 490℃、485℃等溫度進行了固溶處理。研究發現當固 溶溫度高於500℃時，起泡和變形現象很嚴重，甚至導 致鑄（zhù）件報廢。而在495℃、490℃及485℃的固溶溫度 下，氣泡現象（xiàng）隨試樣質量及固溶處理時間（jiān）的長短而不 同。S12工藝扁棒(圖l中的2號試樣)在485"(2118 min／ 水冷熱處理（lǐ）條件下不起泡，而485'12／37 mill／水冷熱處 理條件下出現大量氣泡（pào），同時測得的力學性能明顯下 降。因此，溫度和時間的控製在A380合（hé）金壓鑄件的熱 處理過程中（zhōng）極為（wéi）重要。 基於上述（shù）研究，作者提出采用通過短時固溶（róng）處理+ 時效（xiào）處理的（de）熱處理工藝方案進乎亍A380合金壓鑄件的（de）熱處 理工（gōng）藝。通過對扁試樣和圓棒試樣的熱（rè）處理結果表明，熱（rè）處理後（hòu）的試樣抗（kàng）拉強度得到大幅度（dù）提高，如圖7所示。 扁試樣(減速T藝S15)+490 4C／21 min／；K冷+／170"C／6tI／ 空冷，強度接（jiē）近到370MPa；圓棒試樣(減速工藝S14) +固溶時（shí）效（xiào）處理(495。C／20 min／水冷+170。C／6 ll／空冷)， 抗拉強度可達410MPa 根據大量試驗，我們設計了短時固溶處理+低溫長時 間時（shí）效處理工藝，可（kě）以避免鑄件的起泡現象，同時， A380壓鑄（zhù）試樣（yàng）綜合力學性能得到大幅度提高。圖（tú）8顯示了 S15工藝下圓棒試樣熱處理(485℃／25 min+90℃／14 11) 後的力學性能，屈（qū）服強度達205 MPa，抗拉強度（dù）接近 394 MPa，伸長（zhǎng）率可達（dá）7．8％，值得一提的是（shì）塑性指標 大幅度提高 4．2熱處理（lǐ）結果分（fèn）析 A380鋁合金Si、Cu含量高．同時還有較高的Fe、 Mn、Mg等元素，尤其在高壓作用下，原子（zǐ）擴散受（shòu）到限 製，使得（dé）壓鑄件組織極為複雜。通過金相分析和相圖（tú）分 析（xī），可能的組織（zhī）：初晶“．AI+初si+(AI+si)+(Si+Mn．Fe)+ A12Cu+(a+Si+A12Cu)+(A12Cu+AIsMgsSi2Cu)等，其中 主要（yào）組（zǔ）織為初（chū）晶q“l、共晶si、含Fe相等。 由於壓鑄條件下鑄件冷卻（què）速度較高（gāo），使壓鑄鋁合 金中Ot固溶體中的（de）Cu、Mn等（děng）元素呈過飽（bǎo）和狀態；同時 由於在壓力下結晶，引起晶格缺陷局部聚集和微觀物 理不均勻性．導致過剩的空（kōng）位（wèi）濃度增加和位錯增加I{I。 因此，壓鑄件高溫短時處理時（shí），增加了（le）原子擴散速度， 使得固溶處理之後，可以達到一定的固溶效果（guǒ），從而 通過進一步時效（xiào）處理後可以（yǐ）起到明顯（xiǎn）的（de）強化作用。 5、結論 (1)隨鑄造壓力及高速速度的增加，壓鑄A380合 金（jīn）的密度、抗拉強度及伸長（zhǎng）率增加；低速（sù）速度對鑄件 的密度、抗拉強度及伸長率有較大影響，鑄造壓力一 定時，低速速（sù）度變化對鑄件力學性能的影響大於高（gāo）速 速度變化（huà）對鑄件力學性能的影響。工藝（yì）參數對壓鑄 A380合金的屈服強度影響較小。 (2)通過優化壓鑄過程中的低速壓鑄工藝，可以 明顯提高（gāo）壓鑄件的密度和力學性能。試驗條件下，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（lā）強度達到365 MPa，屈服強（qiáng）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 處理（lǐ）的（de）熱處理工藝，經過熱處理後，合金具有很高的 綜合力學性（xìng）能。經（jīng）過優化熱處理工藝後，標準壓鑄圓 棒試樣（yàng）熱處理後（hòu）的屈服強度達205 MPa，抗拉強度接近 394 MPa，伸（shēn）長率（lǜ）可達（dá）7．8％。 更多資訊詳細請（qǐng）登錄東莞低熔（róng）點合金：www.hurfikir.com