張軍勝

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

0 引 言

擠壓鑄造是生產(chǎn)鋁合金零件的一種有效且經(jīng)濟(jì)的方法,被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域[1]。然而,氣孔、偏析、開裂等缺陷的存在是擠壓鑄造工藝的主要缺陷,事實(shí)上,在所有的鑄造方式中,消除缺陷和改善合金顯微組織都被認(rèn)為是提高鑄造件性能的重要方法[2]。擠壓鑄造是一種結(jié)合了重力壓鑄和閉式模鍛優(yōu)點(diǎn)的特殊鑄造工藝,它在高壓凝固過程中采用較慢的澆注速度,使充型過程中形成盡量少的湍流,以生產(chǎn)高完整性和高一致性的鑄件[3]。擠壓鑄造工藝還具有不需要冒口系統(tǒng)、易獲得凈成型鑄件、能夠使用各種鑄造和變形合金、改善合金的抗磨損和耐腐蝕性能、提高合金的硬度和力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)[4]。鋁合金因其重量輕、比強(qiáng)度高、高溫下穩(wěn)定性好而被用于汽車、航天和航空工業(yè),其中AlSi17合金因其重量輕、力學(xué)性能優(yōu)良,耐磨性和耐腐蝕性能好等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、國防和海洋等領(lǐng)域[5-6]。研究表明:在擠壓鑄造過程中的模具預(yù)熱溫度過高會導(dǎo)致凝固時間延長,阻礙了合金顯微組織的細(xì)化;而擠壓鑄造過程中澆注溫度的變化對縮孔缺陷的形成影響很小,但對宏觀偏析影響很大[7]。因此,澆注溫度和模具預(yù)熱溫度等參數(shù)會對擠壓鑄造AlSi17合金的顯微組織和力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[8]。為了保證在擠壓鑄造過程中獲得更高質(zhì)量的AlSi17合金鑄件,有必要對AlSi17合金的擠壓鑄造參數(shù),如澆注溫度和模具預(yù)熱溫度進(jìn)行一定的分析和研究。本文以某AlSi17合金零件為研究對象,分別研究了不同澆注溫度和模具預(yù)熱溫度對AlSi17合金零件的顯微組織和力學(xué)性能的影響,以期為擠壓鑄造AlSi17合金的工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

選擇三基SCH臥式擠壓鑄造機(jī)對AlSi17合金進(jìn)行加工,圖1為通過擠壓鑄造得到的AlSi17合金零件示意圖,零件尺寸為155mm×143mm×16mm,零件質(zhì)量約為1.3kg。本研究選擇不同的澆注溫度(675, 700, 725℃)及模具預(yù)熱溫度(225, 275, 325℃)對汽車用AlSi17合金進(jìn)行加工,在每種參數(shù)下加工5個樣品并進(jìn)行觀察,最終統(tǒng)計(jì)分析了各擠壓參數(shù)對AlSi17合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。所使用的AlSi17合金鑄錠的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。熔煉過程為:先向熔融AlSi17合金中注入N2來進(jìn)行脫氣,隨后撇去熔液表面的氧化物夾渣,之后再將熔融的液態(tài)AlSi17合金加入AlSr10變質(zhì)劑并轉(zhuǎn)移到保溫爐中進(jìn)行15min的保溫靜置。擠壓鑄造使用的模具材料為H13工具鋼,模具經(jīng)加熱器分別預(yù)熱到225, 275, 325℃,并采用石墨膠體對模具進(jìn)行潤滑。最后分別在675, 700, 725℃的澆注溫度與85MPa的擠壓壓力下一直保持壓力,直到AlSi17合金凝固結(jié)束。本研究中金相試樣取樣位置為零件靠近中心部位,使用Keller試劑進(jìn)行金相試樣的腐蝕處理,隨后采用拋光機(jī)進(jìn)行拋光,利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對其顯微組織進(jìn)行了觀察研究,采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度的測試,測試力為20kg,球徑2.5mm。按照圖1所示的拉伸試樣規(guī)格對AlSi17合金零件進(jìn)行拉伸試樣的切割制備,在電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上在室溫條件下以0.01s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。最終將每個參數(shù)下的5個拉伸試樣取平均值來測定AlSi17鋁合金在不同擠壓參數(shù)下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率,最后使用SEM觀察分析AlSi17鋁合金試樣在不同澆注溫度下的斷口組織形貌。

表1 AlSi17合金化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Chemical composition (wt.%) of AlSi17 alloy prepared

圖1 拉伸試樣規(guī)格示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen specifications

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 微觀組織分析

圖2展示了AlSi合金的二元相圖,AlSi17合金的液相線溫度約為650℃,固相線溫度約為577℃。圖3中所示的AlSi17合金顯微組織是在擠壓壓力85MPa,澆注溫度700℃,及不同模具預(yù)熱溫度的條件下制備的。觀察圖3可知,不同擠壓鑄造溫度下制備的AlSi17合金凝固組織中包含了初生Si相、針狀或片狀共晶Si相以及金屬間化合物等。通過對比合金的光學(xué)顯微圖像可以分別表征225, 275, 325℃的模具預(yù)熱溫度對AlSi17合金擠壓鑄造零件顯微組織的影響。對比圖3可知,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi),隨模具預(yù)熱溫度的升高,合金內(nèi)初生Si相的尺寸呈略微減小的趨勢,但Si顆粒的形狀并沒有太大的改變。在較高的模具預(yù)熱溫度下(如325℃)合金的凝固時間會有一定程度的延長,隨著模具預(yù)熱溫度的提升,AlSi17合金的熔體溫度與模具溫度間的差值會隨之減小,這會對AlSi17合金的微觀組織形貌產(chǎn)生一定影響。隨著模具預(yù)熱溫度的升高,熔體與模具間的傳熱速率降低。

圖2 Al-Si合金二元相圖Fig.2 Binary phase diagram of Al-Si alloy

(a) 225℃

如圖4與圖5所示的光學(xué)顯微圖像反映了不同的澆注溫度(675, 700, 725℃)對AlSi17合金顯微組織的影響。從圖5的金相照片中可以看出,在模具預(yù)熱溫度為275℃,擠壓壓力為85MPa條件下,澆注溫度的改變會對AlSi17合金中初級Si相、共晶組織的尺寸、體積分?jǐn)?shù)和分布產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。當(dāng)澆注溫度為675℃時,光學(xué)顯微圖像中存在較大顆粒的初生Si相,且分布的并不均勻,產(chǎn)生了一定的偏析現(xiàn)象;當(dāng)澆注溫度升高至700℃時,AlSi17合金中的初生Si顆粒尺寸明顯呈現(xiàn)減小的趨勢,并且更加均勻地分布在Al-Si共晶組織周圍;隨著澆注溫度的進(jìn)一步升高,合金中初生Si相的數(shù)量進(jìn)一步減少,只能在光學(xué)顯微圖像中觀察到少量的初生Si顆粒。將澆注溫度逐漸升高,從675℃逐漸提高到700℃和725℃后,會導(dǎo)致澆注溫度與AlSi17合金液相線溫度間的差值逐漸升高,從而推遲初生Si相在金屬熔液中的成核。因此在充型后的凝固初期,只有少量的初生Si顆粒凝固析出,更多的液態(tài)金屬殘留在型腔中,從而提高了擠壓鑄造試樣從表面到中心組織的均勻性。體現(xiàn)到最終的顯微組織上為:澆注溫度越低,在施加任何擠壓壓力之前,初生Si相的含量明顯增加,從而使剩余的熔體中的Si元素更快耗盡,并與其他元素富集,熔體凝固溫度向共晶點(diǎn)發(fā)生移動;施加擠壓壓力后,當(dāng)剩余熔體被擠壓時,共晶硅組織析出更少。

(a) 675℃

(a) 675℃

2.2 力學(xué)性能

表2中的數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了AlSi17合金試樣在澆注溫度700℃與不同模具預(yù)熱溫度下的拉伸和硬度的測試結(jié)果。當(dāng)模具預(yù)熱溫度從225℃增加到275℃時,AlSi17合金的所有力學(xué)性能都有所改善,但當(dāng)模具預(yù)熱溫度增加到325℃后,AlSi17合金的力學(xué)性能均有一定程度的下降,但是上升和下降的程度并不大,這與圖4中所示的顯微組織變化有所對應(yīng)。表3為模具溫度275℃下采用不同澆注溫度得到的合金力學(xué)性能測試結(jié)果,當(dāng)澆注溫度從675℃升高到700℃時,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度分別提高了10.02%、 28.17%和2.25%。然而,澆注溫度在700～725℃的變化過程中,AlSi17合金的力學(xué)性能升高并不是那么明顯,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度分別只提高了1.15%、 1.27%和4.39%。當(dāng)模具預(yù)熱溫度升高,或當(dāng)澆注溫度降低時,AlSi17合金熔體與模具間的溫差會逐步減小,導(dǎo)致熔體與模具間傳熱系數(shù)降低,最終使合金的凝固點(diǎn)降低,模具周圍凝固的晶粒增多,從而使AlSi17合金的硬度降低。在選擇最佳的模具預(yù)熱溫度時,應(yīng)首先考慮澆注溫度,由于澆注溫度最適宜為725℃,為了防止傳熱系數(shù)降低,應(yīng)該采用盡可能低的模具預(yù)熱溫度。但是實(shí)際情況中,將模具預(yù)熱溫度提高到325℃后,AlSi17合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均有所降低,但對伸長率沒有顯著影響,因此模具預(yù)熱溫度最佳應(yīng)該為275℃。

表2 AlSi17合金在不同模具預(yù)熱溫度下的力學(xué)性能

表3 AlSi17合金在不同澆注溫度下的力學(xué)性能

在不同的澆注溫度下(675, 700, 725℃)擠壓鑄造AlSi17合金的斷口形貌SEM照片如圖6所示。一方面,大而不規(guī)則的初生Si顆粒以及多種金屬間化合物的存在是AlSi17合金強(qiáng)度提高的主要因素;另一方面,這些脆性初生Si顆粒的存在會導(dǎo)致AlSi17合金的延展性降低(表3),裂紋的發(fā)生及擴(kuò)展一般是從初生Si顆粒以及共晶Si顆粒開始的。在試驗(yàn)過程中,裂紋首先擴(kuò)展到較大的初生Si顆粒上,使應(yīng)力集中在Si顆粒與α-Al的界面上,而當(dāng)細(xì)小的Si顆粒存在時,α-Al的應(yīng)力集中程度較低,初生Si顆粒尺寸的減小會降低斷口的應(yīng)力。如圖6所示,在澆注溫度為675℃的試樣中,斷口表面出現(xiàn)少量韌窩,裂紋從初生Si顆粒附近發(fā)生,并隨著共晶Si顆粒擴(kuò)展,因此,較大的初晶Si顆粒使AlSi17合金的脆性斷裂傾向大大增加。當(dāng)澆注溫度為725℃時,初生Si顆粒的數(shù)量減少,可以觀察到α-Al層表面的韌窩數(shù)量增加,共晶Si相表面微裂紋數(shù)量明顯減少,從而降低了脆性斷裂的傾向,合金從脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)化。

(a) 675℃

3 結(jié) 論

(1) 擠壓鑄造AlSi17合金隨模具預(yù)熱溫度的升高,熔體與模具間的傳熱速率降低,單晶Si的析出速率變慢,光學(xué)顯微圖像中初生Si相逐漸減少,合金內(nèi)初生Si相的尺寸呈略微減小的趨勢。

(2) 當(dāng)澆注溫度為675℃時,光學(xué)顯微圖像中存在較大顆粒的初生Si相,且不均勻分布;當(dāng)澆注溫度升高至700℃時,初生Si顆粒的尺寸有減小的趨勢,并且會更加均勻地分布在Al-Si共晶組織周圍;隨著澆注溫度的進(jìn)一步升高,合金中初生Si相的數(shù)量進(jìn)一步減少,只能在光學(xué)顯微圖像中觀察到少量的初生Si顆粒。

(3) 澆注溫度的變化對合金力學(xué)性能影響顯著,當(dāng)AlSi17合金的澆注溫度從675℃升高到700℃時,合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度分別提高了10.02%、 28.17%和2.25%,在此之后,澆注溫度(690～725℃)的提高對合金力學(xué)性能的影響逐漸降低,而模具預(yù)熱溫度(200～325℃)對合金力學(xué)性能的影響則僅在很小的范圍內(nèi)波動。