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        壓鑄工藝參數(shù)和冷卻速度對(duì)B390鋁合金表面貧硅區(qū)的影響

        2019-01-30 07:55:34張奧健陳惠芬
        上海金屬 2019年1期
        關(guān)鍵詞:壓鑄件充型合金

        張奧健 徐 春,2 陳惠芬,2 葉 兵

        (1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201418;2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201418;3. 上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心,上海 200240)

        過共晶鋁硅合金與共晶和亞共晶鋁硅合金相比,具有密度更低,熱膨脹系數(shù)更小,且耐磨性能和耐高溫性能好的優(yōu)點(diǎn),因此是制造發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮機(jī)活塞、汽缸體、剎車盤等零件的理想材料,在航空航天、汽車、機(jī)械等行業(yè)具有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)[1-4]。工業(yè)上常使用的過共晶鋁硅合金中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%~26%,硅相的顯微硬度值是鋁的15倍左右,因此硅相分布在鋁基體中,相當(dāng)于軟的鋁基體上分布著很多硬質(zhì)點(diǎn),從而大大增加了合金的耐磨性能[5-7]。因此從耐磨角度看,希望鋁合金表面存在大量的硅相顆粒。然而,過共晶鋁硅合金在壓鑄時(shí),初晶硅的析出受壓鑄工藝參數(shù)和冷卻速度等因素的影響,通常鑄件表面存在幾百微米厚的貧硅區(qū),或者說初生硅極少,這不利于產(chǎn)品的耐磨性能,因此必須通過機(jī)加工去除貧硅區(qū),從而將大大增加鑄件的制造成本[8-9]。

        本文以B390鋁合金壓鑄件為研究對(duì)象,借助商用AnyCasting軟件模擬其充型、凝固過程,合理取樣并統(tǒng)計(jì)壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度,研究了壓鑄工藝參數(shù)以及冷卻速度對(duì)貧硅區(qū)厚度的影響,優(yōu)化壓鑄工藝以減小表面貧硅區(qū)的厚度,為工業(yè)上壓鑄優(yōu)質(zhì)的耐磨表面提供技術(shù)支撐。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        試驗(yàn)所用的熔煉原材料為純鎂(wMg=99.94%)、純鋁(wAl=99.70%)、純鋅(wZn=99.98%)及AlSi28、AlCu50、AlMn10、AlNi10、AlFe20中間合金,采用SG2-5-10型坩堝電阻爐熔煉化學(xué)成分如表1所示的B390鋁合金。

        表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the test alloy (mass fraction) %

        熔煉工藝為:將鋁錠置入坩堝,待爐溫升至700 ℃形成熔池后,加入AlSi28中間合金;待爐溫升至740 ℃鋁硅合金完全融化后,按順序加入AlMn10、AlFe20、AlNi10、AlCu50中間合金;待中間合金全部熔化后,降溫至700 ℃,依次加入用鋁箔包裹的純Mg和純Zn;升溫至780 ℃,加入CuP14變質(zhì),保溫20 min;降溫至740 ℃精煉除渣;保溫,準(zhǔn)備壓鑄。

        采用日立TOYO BD-350V5型壓鑄機(jī)壓鑄。為了研究壓鑄工藝參數(shù)對(duì)B390鋁合金表面貧硅區(qū)厚度的影響,選擇3個(gè)參數(shù)2個(gè)水平進(jìn)行DoE試驗(yàn),模具溫度為150 ℃。具體參數(shù)如表2所示。

        表2 壓鑄工藝參數(shù)Table 2 Die-casting process parameters

        通過商用AnyCasting軟件模擬壓鑄件在不同壓鑄工藝參數(shù)下的充型、凝固過程,來確定壓鑄件不同位置的冷卻速度,并在3個(gè)典型冷卻速度的位置取樣。試樣經(jīng)機(jī)械拋光后,采用蔡司金相顯微鏡拍攝照片,利用Image-Pro Plus軟件對(duì)照片進(jìn)行貧硅區(qū)劃分并統(tǒng)計(jì)貧硅區(qū)的厚度。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 壓鑄件充型、凝固過程模擬

        B390鋁合金壓鑄件充型過程的模擬結(jié)果如圖1所示,其中圖1(a)為壓鑄件在0.062 s完成充型的狀態(tài)圖,圖1(b)~圖1(c)依次為充型時(shí)間0.033、0.038、0.047 s拉伸片的狀態(tài)圖,圖1(e)~圖1(f)依次為充型時(shí)間0.051、0.054、0.062 s的拉伸棒狀態(tài)圖??梢钥闯?,較薄的拉伸片由下至上逐步充滿僅需0.047 s;較粗的拉伸棒是由芯部從下至上充填的,中上部通過回流充滿,需要0.062 s。

        壓鑄件凝固過程的模擬結(jié)果如圖2所示,其中圖2(a)~圖2(c)依次為凝固時(shí)間1.493、12.367、14.386 s的壓鑄件狀態(tài)圖,從圖2(a)~圖2(c)可以看出,較薄拉伸片在1.5 s內(nèi)完全凝固,從圖2(b,c)可以看出,較粗的拉伸棒上部標(biāo)距部分先凝固,中部夾持部分后凝固,完全凝固約需14.4 s。

        綜合壓鑄件充型、凝固過程模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在同一壓鑄件中,拉伸片的充型、凝固速度均遠(yuǎn)大于拉伸棒,并且拉伸棒上部標(biāo)距部分充型、凝固速度大于中部夾持部分,這就導(dǎo)致拉伸片的冷卻速度大于拉伸棒,拉伸棒上部標(biāo)距部分的冷卻速度大于中部夾持部分。

        圖1 壓鑄件充型過程模擬Fig.1 Simulation of filling process of die-cast part

        圖2 壓鑄件凝固過程模擬Fig.2 Simulation of solidification process of die-cast part

        如圖3(a)所示,在厚度2.5 mm的拉伸片中部(紅框A處)和φ5 mm標(biāo)距部分(紅點(diǎn)B處)、φ15 mm夾持部分的拉伸棒上(紅點(diǎn)C處)取樣,制得冷卻速度由快到慢依次為A、B、C的3種樣品,試樣如圖3(b)所示,1~4號(hào)4個(gè)工藝分別制備3個(gè)重復(fù)試樣,共12個(gè)試樣。

        圖3 樣品制備Fig.3 Sample preparation

        2.2 冷卻速度對(duì)表面貧硅區(qū)的影響

        試樣經(jīng)機(jī)械拋光后,采用蔡司金相顯微鏡在100、200倍下拍攝照片,片狀樣品A由上至下拍攝6張,棒狀樣品B、C每旋轉(zhuǎn)60°拍攝一張,利用Image-Pro Plus軟件對(duì)照片進(jìn)行貧硅區(qū)劃分并統(tǒng)計(jì)貧硅區(qū)的厚度。圖4(a)~圖4(c)分別為采用4號(hào)工藝制備的片狀樣品A和棒狀樣品B、C的貧硅區(qū)劃分圖。

        統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4(d)所示,在1~4號(hào)4種壓鑄工藝下,A樣品表面貧硅區(qū)厚度最大,其中采用4號(hào)工藝制備的貧硅區(qū)厚度最大,為529 μm;C樣品表面貧硅區(qū)厚度最小,其中采用2號(hào)工藝制備的貧硅區(qū)厚度最小,為328 μm;B樣品表面貧硅區(qū)的厚度介于兩者之間,且接近于后者。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,隨著冷卻速度的增加(vC

        圖4 貧硅區(qū)厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Statistical thickness of the silicon-depleted zone

        2.3 壓鑄工藝參數(shù)對(duì)表面貧硅區(qū)的影響

        由圖4(d)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見,對(duì)于冷卻速度不同的樣品A、B、C,采用1~4號(hào)壓鑄工藝制得的壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度均是先減小后增大,其中2號(hào)壓鑄工藝制得的壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度最小。為了分析壓鑄工藝參數(shù)對(duì)壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度的影響,采用Minitab軟件對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了DoE分析,圖5(a)~圖5(c)為壓鑄工藝參數(shù)(壓射壓力、澆注溫度、壓射速度)對(duì)A、B、C樣品表面貧硅區(qū)厚度影響的主效應(yīng)圖。

        從圖5(a~c)可以看出:對(duì)于冷卻速度不同的A、B、C樣品,壓鑄工藝參數(shù)(壓射壓力、澆注溫度和壓射速度)對(duì)壓鑄件表面貧硅區(qū)的影響大體一致。在標(biāo)準(zhǔn)壓鑄工藝范圍內(nèi),隨著壓射壓力的增加,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度無明顯變化。壓鑄的凝固過程分3個(gè)階段[12-13]:第一階段是在充型開始時(shí),金屬液接觸型腔表面便開始結(jié)晶凝固,此階段類似于常壓下的凝固;第二階段是在金屬液快速射入型腔后,在壓力下凝固;第三階段是在壓力下補(bǔ)縮金屬液的凝固。而在壓鑄過程中,壓鑄件表面貧硅區(qū)的形成可能屬于上述凝固的第一階段,基本是在常壓下形成的,因此,在標(biāo)準(zhǔn)壓鑄工藝范圍內(nèi),隨著壓射壓力的提高,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度變化不大。隨著澆鑄溫度的升高,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度明顯減小,這可能是由于澆注溫度高于液相線溫度越多,金屬液向鑄型傳輸?shù)臒崃烤驮礁?,冷卻速度變慢,促進(jìn)了初晶硅的生長[14],從而導(dǎo)致壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度減小。隨著壓射速度的增加,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度也隨之增加。這可能由于隨著壓射速度的增大,金屬液在壓鑄過程中的熱量損失降低,過冷度增大,提高了金屬液冷卻速度,抑制了初晶硅的生長,從而導(dǎo)致壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度增大。綜上所述,壓鑄工藝參數(shù)對(duì)壓鑄件表面貧硅區(qū)的影響主要體現(xiàn)在冷卻速度的變化上,因此,可以通過調(diào)節(jié)壓鑄工藝參數(shù),適當(dāng)降低金屬液冷卻速度,來減小壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度。

        圖5 壓鑄工藝參數(shù)對(duì)貧硅區(qū)厚度影響的主效應(yīng)圖Fig.5 Main effect diagrams of influence of die-casting process parameters on the thickness of silicon-depleted zone

        3 結(jié)論

        (1)隨著澆注溫度的升高,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度明顯減?。浑S著壓射速度的增加,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度增大;而隨著壓射壓力的增加,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度無明顯變化;隨著冷卻速度的增加,壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度增大。

        (2)在壓射壓力為85 MPa、澆注溫度為740 ℃、壓射速度為1 m/s時(shí),新型B390鋁合金壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度最小。

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