美壓鑄協(xié)會(NADCA)2006年發(fā)表的壓鑄市場報告中顯示。汽車行業(yè)是壓鑄技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，占到了整個壓鑄行業(yè)的77％。研究表明．車重每降低 100 kg，油耗可減少0．7 U100 kmrn。由此可見，鋁合金 壓鑄在汽車輕量化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。A380合金 是亞共晶A1．Si類合金，自20世紀70年代問世以來，因 其具有良好的鑄造性能、力學(xué)性能、耐蝕性及低的膨 脹系數(shù)而備受材料工作者的青睞，得到了廣泛的應(yīng)用， 例如汽車發(fā)動機鋁合金缸體壓鑄、汽車摩托車鋁合金 輪轂壓鑄等131。在壓鑄過程中，壓鑄工藝對壓鑄件的性 能有較大的影響，同時，由于壓鑄件中氣體缺陷的存 在，在熱處理過程中受熱膨脹，使鑄件產(chǎn)生起泡和變 形。導(dǎo)致壓鑄件一般不能通過熱處理強化。 本文以壓鑄鋁合金A380為研究對象，采用標準壓 鑄試驗?zāi)＞撸芯苛斯に噮?shù)對壓鑄件力學(xué)性能的影 響，改進壓鑄工藝(減速工藝)可以提高壓鑄件力學(xué) 性能；對壓鑄件進行熱處理試驗創(chuàng)新，探討了壓鑄 A380合金的熱處理工藝。 試驗設(shè)計與性能測定 1．1壓鑄試驗設(shè)計 試驗材料為A380鋁合金，化學(xué)成分如表l所示。 壓鑄試樣參照標準沒計，壓鑄試樣如圖1所示，力學(xué)性能檢 測采用標準壓鑄圓形力學(xué)性能試棒(圖中的3號試樣)，試棒尺寸如圖2所示。壓鑄設(shè)備為TOYO BD．650-V4-N型 650 t臥式冷室壓鑄機。沖頭直徑100 mm．壓室面積 7 850 mm2。壓鑄時的基準壓鑄工藝參數(shù)：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壓力、 高速速度、低速速度及低速階段減速工藝等參數(shù)對力 學(xué)性能的影響，具體壓鑄工藝試驗設(shè)計如表2所示。 每種試驗條件在達到熱平衡后生產(chǎn)Io組試樣，采 用圓形試棒測試密度及力學(xué)性能，并取其中5個試樣進 行測試取平均值，采用剩余5個試樣進行熱處理，并測 試力學(xué)性能取平均值。 1．2熱處理試驗 熱處理加熱爐采用Nabertherm自動控制爐。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(zhì)量用電子天平測量．精度1 mg；測量溫度 15-20℃。 1．4力學(xué)性能奠定 采用圖2所示的壓鑄圓棒試樣進行力學(xué)性能測試， 試樣直接壓鑄而成，試驗在WDW3020電子萬能試驗機 上進行．橫梁移動速率為1．0ram／rain。 2、壓鑄工藝參數(shù)對鑄件密度的影響 在壓力鑄造過程中，孔洞類缺陷是最主要缺陷之 一，它使鑄件力學(xué)性能下降。氣孔率及氣孔分布是評 價壓鑄件質(zhì)量的重要指標，通常用壓鑄件整體密度來 衡量其致密度H。壓鑄工藝參數(shù)對鑄件的密度有較大影 響，圖3為試驗得到的圓棒試樣在不同壓鑄工藝條件下 鑄件的密度。 從圖3可以明顯看出，鑄造壓力增加，試樣密度明 顯增大．在67 MPa時的密度最高。一方面隨鑄造壓力 增大，可以使鑄件卷入性氣孔尺寸減小．同時，也可 以減小鑄件中的縮松。 研究表明，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度提高，隨后增加緩慢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。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(nèi)氣 體卷入M．同時，當壓室充滿時，為避免液態(tài)金屬在 流道系統(tǒng)中的卷氣。需采用減速工藝充填流道。根據(jù) 計算，當前試驗條件下，低速臨界速度為0．91 m／s。由 于設(shè)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時減速工藝條件下測定的密度。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 減速工藝時的密度均高于一般壓鑄工藝0．8 1Tl，s時鑄件 的密度，表明減速工藝對于壓鑄是有效的。當減速位 置為233 mm時。試樣密度最高。 綜合分析壓鑄工藝對壓鑄件密度的影響．圖3可以 看出，鑄造壓力對密度影響最大．壓力一定時，低速速 度變化對密度的影響大于高速速度變化對密度的影響。 3、工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響 3．1 勻速工藝條件下的力學(xué)性能 3．1．1抗拉強度和塑性 對于標準圓棒壓鑄試樣進行的拉伸試驗，試驗結(jié) 果如圖4、圖5和圖6所示，分別反映了壓鑄工藝參數(shù)對 抗拉強度、斷裂伸長率和屈服強度的影響。 從圖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較高， 強度超過350 IVlPa，明顯高于0．1 m／s時的強度，高于標 準320 mPa，同時，塑性也明顯提高。 同時，對比圖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(yīng)關(guān)系，密度高，強度也高，張 永忠【4J的試驗結(jié)果也顯示了這樣的關(guān)系。 3．1．2屈服強度 由于試樣屈服強度主要取決于試樣的組織及晶粒 尺寸大小，而孔洞缺陷對于屈服強度的影響較小。壓 鑄工藝參數(shù)則主要影響試樣內(nèi)部孔洞的尺寸及分布， 因此隨著工藝條件變化，試樣的屈服強度變化幅度較 小，在155-160 MPa,之間。 3．2減速工藝條件下的力學(xué)性能 圖4、圖5及圖6中圓點所表示的性能是低速速度為 O．8 m／s的減速工藝條件下測得的力學(xué)性能。明顯看出： 減速位置分別為233 mm、243 mill、253 InlTl時的性能 均高于一般勻速壓鑄工藝0．8 m／s時鑄件的力學(xué)性能； 減速位置233 mm時，抗拉強度達365 MPa，屈服強度 為158 MPa，伸長率4．2％，綜合力學(xué)性能最高，尤其是 抗拉強度和塑性遠高于A380參T,準要求。 因此，減速工藝不僅可以避免金屬在壓室內(nèi)的卷 氣，而且可以減少金屬充填流道時的卷氣，從而明顯 提高壓鑄件的力學(xué)性能，合理的減速距離可以通過計 算和數(shù)值模擬予以確定用。 4、熱處理工藝性能研究 4．1熱處理試驗 由于壓鑄件中大量氣孔缺陷的存在，壓鑄件通常不 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樣在熱處理過程中的起泡現(xiàn) 象。在本試驗研究中，我們對A380合金壓鑄試樣分別 在520℃、515℃、510℃、505℃、500℃、495℃、 490℃、485℃等溫度進行了固溶處理。研究發(fā)現(xiàn)當固 溶溫度高于500℃時，起泡和變形現(xiàn)象很嚴重，甚至導(dǎo) 致鑄件報廢。而在495℃、490℃及485℃的固溶溫度 下，氣泡現(xiàn)象隨試樣質(zhì)量及固溶處理時間的長短而不 同。S12工藝扁棒(圖l中的2號試樣)在485"(2118 min／ 水冷熱處理條件下不起泡，而485'12／37 mill／水冷熱處 理條件下出現(xiàn)大量氣泡，同時測得的力學(xué)性能明顯下 降。因此，溫度和時間的控制在A380合金壓鑄件的熱 處理過程中極為重要。 基于上述研究，作者提出采用通過短時固溶處理+ 時效處理的熱處理工藝方案進乎亍A380合金壓鑄件的熱處 理工藝。通過對扁試樣和圓棒試樣的熱處理結(jié)果表明，熱處理后的試樣抗拉強度得到大幅度提高，如圖7所示。 扁試樣(減速T藝S15)+490 4C／21 min／；K冷+／170"C／6tI／ 空冷，強度接近到370MPa；圓棒試樣(減速工藝S14) +固溶時效處理(495。C／20 min／水冷+170。C／6 ll／空冷)， 抗拉強度可達410MPa 根據(jù)大量試驗，我們設(shè)計了短時固溶處理+低溫長時 間時效處理工藝，可以避免鑄件的起泡現(xiàn)象，同時， A380壓鑄試樣綜合力學(xué)性能得到大幅度提高。圖8顯示了 S15工藝下圓棒試樣熱處理(485℃／25 min+90℃／14 11) 后的力學(xué)性能，屈服強度達205 MPa，抗拉強度接近 394 MPa，伸長率可達7．8％，值得一提的是塑性指標 大幅度提高 4．2熱處理結(jié)果分析 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，原子擴散受到限 制，使得壓鑄件組織極為復(fù)雜。通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(fā)、共晶si、含F(xiàn)e相等。 由于壓鑄條件下鑄件冷卻速度較高，使壓鑄鋁合 金中Ot固溶體中的Cu、Mn等元素呈過飽和狀態(tài)；同時 由于在壓力下結(jié)晶，引起晶格缺陷局部聚集和微觀物 理不均勻性．導(dǎo)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，增加了原子擴散速度， 使得固溶處理之后，可以達到一定的固溶效果，從而 通過進一步時效處理后可以起到明顯的強化作用。 5、結(jié)論 (1)隨鑄造壓力及高速速度的增加，壓鑄A380合 金的密度、抗拉強度及伸長率增加；低速速度對鑄件 的密度、抗拉強度及伸長率有較大影響，鑄造壓力一 定時，低速速度變化對鑄件力學(xué)性能的影響大于高速 速度變化對鑄件力學(xué)性能的影響。工藝參數(shù)對壓鑄 A380合金的屈服強度影響較小。 (2)通過優(yōu)化壓鑄過程中的低速壓鑄工藝，可以 明顯提高壓鑄件的密度和力學(xué)性能。試驗條件下，通 過采用接近臨界速度的低速工藝及減速工藝，壓鑄態(tài) 試樣的抗拉強度達到365 MPa，屈服強度158 IⅥIP8，伸 長率4．2％。 (3)開發(fā)了A380合金壓鑄件的短時固溶處理+時效 處理的熱處理工藝，經(jīng)過熱處理后，合金具有很高的 綜合力學(xué)性能。經(jīng)過優(yōu)化熱處理工藝后，標準壓鑄圓 棒試樣熱處理后的屈服強度達205 MPa，抗拉強度接近 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.guiaogroup.com