目前，一體化車身成形技術(shù)可極大程度地降低汽車生產(chǎn)成本，而車身選材是限制一體化車身技術(shù)的關(guān)鍵難題。因此，研發(fā)一體化免熱處理車身材料成為近年來(lái)壓鑄行業(yè)的熱點(diǎn)話題．亞共晶Al-10%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金由于密度小(約為鋼的1/3)、成形性好和比強(qiáng)度高，被廣泛應(yīng)用于汽車零部件上。此外，Al-10%Si合金兩相凝固區(qū)間窄，故該類型鋁硅合金流動(dòng)性能好，不易產(chǎn)生凝固收縮類缺陷，能使汽車結(jié)構(gòu)部件具有良好的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，Al-10%Si-1.2%Cu-0.7%Mn具有優(yōu)異的拉伸性能，其屈服強(qiáng)度為206MPa，抗拉強(qiáng)度為331MPa，伸長(zhǎng)率為10%。
高壓鑄造(HPDC)是生產(chǎn)復(fù)雜薄壁部件最常用的方法之一，其生產(chǎn)效率高，適用性能好。然而，在壓鑄過(guò)程中，高速填充和快速凝固會(huì)導(dǎo)致鑄件內(nèi)部形成特定的微觀結(jié)構(gòu)。其中，預(yù)結(jié)晶組織(ESC)通常在低速階段沿著壓室壁形成，并且隨著沖頭的運(yùn)動(dòng)不斷長(zhǎng)大，最終隨熔體充填鑄型而保留在鑄件中。同時(shí)，鑄件內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)典型的缺陷帶組織。此外，鑄件中還存在大量氣孔和縮松，分別由卷氣和凝固收縮引起，這些均會(huì)對(duì)鑄件的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的危害．而對(duì)澆道進(jìn)行設(shè)計(jì)可以調(diào)控液流的速度和方向，達(dá)到調(diào)控壓鑄件組織和缺陷的目的。因此，本研究中通過(guò)設(shè)計(jì)彎折流道并增加ESC收集塊來(lái)調(diào)控液流速度，以期實(shí)現(xiàn)ESC的均勻分布，降低鑄件整體的孔隙率。
本實(shí)驗(yàn)中采用亞共晶AlSi10MnMg合金，其成分如表1所列。使用的鑄錠無(wú)氧化夾雜等重大缺陷，質(zhì)量均合格。
表1AlSi10MnMg合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
圖1(a)為新設(shè)計(jì)的壓鑄鑄件圖．該壓鑄件從左到右依次包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試棒、拉伸試片、熱裂鑲塊、階梯鑲塊和階梯上方的流動(dòng)鑲塊，它不僅可以測(cè)試合金的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能，還可以測(cè)試合金的抗熱裂能力和流動(dòng)性。
(a)—壓鑄鑄件;(b)—傳統(tǒng)澆道;(c)—改進(jìn)澆道;(d)—傳統(tǒng)直澆道;(e)—彎折直澆道。
圖1(b)和(c)分別顯示了兩種澆道鑲塊:一種是傳統(tǒng)澆道;另一種是改進(jìn)后的澆道．圖1(d)和(e)分別為圖1(b)和(c)澆道中的直澆道部分:一種是傳統(tǒng)的直澆道;另一種為改進(jìn)的彎折直澆道。其中，有關(guān)彎折澆道角度和截面積的設(shè)計(jì)見文獻(xiàn)（熊守美，焦祥祎，汪俊．破碎收集壓室預(yù)結(jié)晶組織的流道），這樣設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)ESC的破碎與收集。本實(shí)驗(yàn)中使用標(biāo)準(zhǔn)試棒進(jìn)行微觀組織和孔隙率的研究。
本實(shí)驗(yàn)中采用TOYOBD-350V5壓鑄機(jī)，在真空方面配套VCSU-15真空設(shè)備。將AlSi10MnMg合金鑄錠添加到熔煉爐中，加熱到700～720℃溫度區(qū)間。熔化后，保溫一段時(shí)間再進(jìn)行除氣扒渣，降溫至680℃開始?jí)鸿T實(shí)驗(yàn)．表2列出了本次壓鑄實(shí)驗(yàn)采用的3種工藝參數(shù).為了防止沖頭運(yùn)動(dòng)前端受澆料口的影響，設(shè)置了多級(jí)低速速度，當(dāng)沖頭行程在80～270mm的位置時(shí)，真空壓鑄工藝和高真空壓鑄工藝的低速速度分別設(shè)置為0.15m/s和0.05m/s．同時(shí)，為了檢驗(yàn)改進(jìn)直澆道對(duì)ESC破碎彌散的效果，本實(shí)驗(yàn)中采用較低的高速速度1.5m/s。
圖2(a)為真空壓鑄和高真空壓鑄沖頭運(yùn)動(dòng)行程對(duì)比圖．從圖中可以看出，在多級(jí)低速下，真空壓鑄沖頭運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1.83s，高真空壓鑄沖頭運(yùn)動(dòng)時(shí)間為3.92s，二者相差2.09s．這個(gè)差別為高真空壓鑄提供了更多抽真空的時(shí)間，但液體在壓室中停留時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致ESC含量的增大。
圖2(b)為真空壓鑄和高真空壓鑄有效真空度與有效真空時(shí)間的對(duì)比圖。有效真空度是指金屬液充型前型腔的真空度，其為真空壓力與壓鑄機(jī)油缸壓力的交點(diǎn)。由圖可知:真空壓鑄的有效真空度為25kPa，有效真空時(shí)間為0.7s;而高真空壓鑄的有效真空度為9.5kPa，有效真空時(shí)間高達(dá)1.9s，真空效果極佳。綜上可知，第3種工藝彎折澆道高真空壓鑄可達(dá)到保持高真空且破碎彌散ESC的目的。
(a)—沖頭運(yùn)動(dòng)行程;(b)—有效真空度和有效真空時(shí)間。
為觀察鑄件中孔隙率，采用納米電子計(jì)算機(jī)斷層掃描進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)壓鑄件中的孔隙率，并還原孔洞的三維形貌．實(shí)驗(yàn)中采用的工作電壓和電流分別設(shè)置為100kV和110μA，分辨率設(shè)置為3μm。先使用標(biāo)號(hào)200#～3000#水砂紙對(duì)選取的壓鑄試棒進(jìn)行研磨，然后使用顆粒大小為2.5～0.1μm的金剛石研磨膏進(jìn)行機(jī)械拋光，經(jīng)超聲去垢處理后用于金相(OM)觀察。另外，使用Avizo軟件進(jìn)行ESC和孔隙率的統(tǒng)計(jì)，同時(shí)孔洞的三維形貌也通過(guò)Avizo軟件呈現(xiàn)出來(lái)。
圖3為3種壓鑄工藝下試棒圓截面及沿直徑方向放大的組織圖．從圖3(a)和(b)中可以看出，在真空和高真空的工藝下組織中均有一定量的孔洞分布，表層還存在超過(guò)100μm的皮膚層［見圖3(d)和(e)］。而在彎折流道高真空壓鑄工藝下，試棒截面上并沒有觀察到大尺寸孔洞，表層也未發(fā)現(xiàn)皮膚層［見圖3(c)和(f)］。表3列出了3種壓鑄工藝下ESC的面積分?jǐn)?shù)、當(dāng)量直徑和數(shù)量對(duì)比．在真空壓鑄下，由于低速速度相對(duì)較高，ESC面積分?jǐn)?shù)較低(4.86%)。而在高真空壓鑄工藝下，由于低速速度相對(duì)較低，ESC的面積分?jǐn)?shù)較高(11.06%)。當(dāng)添加彎折澆道后，ESC的面積分?jǐn)?shù)為10.73%，與高真空壓鑄工藝相比，ESC的面積分?jǐn)?shù)并沒有出現(xiàn)大幅度下降。
表3 3種壓鑄工藝下的ESC對(duì)比
從3種工藝的ESC平均當(dāng)量直徑和數(shù)量來(lái)看:真空壓鑄工藝下ESC尺寸最小、數(shù)量最少;高真空壓鑄工藝下ESC平均當(dāng)量直徑最大(25.1μm);當(dāng)添加彎折澆道后，ESC的平均當(dāng)量直徑降低到了23.8μm，減少了5.18%．此外，在高真空壓鑄工藝下，添加彎折流道后，ESC數(shù)量由509個(gè)增至586個(gè)，增加了15.13%。
(a)真空壓鑄;(b)低速速度降低+高真空壓鑄;(c)彎折澆道+高真空壓鑄;(d)～(f)—對(duì)應(yīng)的沿直徑方向分布。
表4 3種壓鑄工藝下孔洞特征對(duì)比
表4列出了3種壓鑄工藝下孔洞特征的對(duì)比情況．從表中可以發(fā)現(xiàn):在真空壓鑄和高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率高，孔洞的平均當(dāng)量直徑大，大尺寸孔洞數(shù)量多;在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率從0.073%降低至0.006%，孔洞的平均尺寸也由35.5μm降到了25.5μm，超過(guò)100μm大尺寸孔洞的數(shù)量也由15降至0。因此，在壓鑄過(guò)程中，高真空工藝下添加彎折流道能夠有效降低鑄件中的孔隙率，提高鑄件的質(zhì)量。
(a)真空壓鑄下二維切片;(b)低速速度降低+高真空壓鑄下二維切片;(c)彎折澆道+高真空壓鑄下二維切片;(d)～(f)—(a)～(c)對(duì)應(yīng)的三維孔洞分布圖
結(jié)合表3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，ESC面積分?jǐn)?shù)所受的影響不大，但能夠使ESC從表層到心部分布得更加均勻，進(jìn)而增大枝晶間的補(bǔ)縮效果，并且在高真空狀態(tài)下，孔隙率大幅降低(見圖5和表4)．出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是彎折澆道可以改變?nèi)垠w運(yùn)動(dòng)軌跡，調(diào)控熔體運(yùn)動(dòng)速度，使得液流速度在澆道截面積變化的位置上出現(xiàn)驟增或驟減。這樣ESC在充型過(guò)程中會(huì)受到較大的剪切力，一方面可達(dá)到破碎ESC的目的，另一方面還可以使ESC分布均勻。對(duì)于高真空壓鑄試棒，由于真空度高，合金中的氣孔含量會(huì)大幅度降低，然而，熔體在壓室中停留時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致大量的枝晶狀ESC出現(xiàn)．在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，ESC會(huì)在鑄件心部富集而形成大尺寸枝晶網(wǎng)絡(luò)．由于熔體在枝晶網(wǎng)絡(luò)界面處難以補(bǔ)縮，會(huì)引起大尺寸網(wǎng)狀縮松的形成，這就成為了鑄件斷裂的裂紋源．而彎折澆道可以減小ESC尺寸，降低ESC枝晶網(wǎng)絡(luò)占比，從而改善枝晶間的補(bǔ)縮效果，消除大尺寸網(wǎng)狀縮松。
(1)設(shè)計(jì)彎折澆道來(lái)輔助高真空壓鑄工藝，可使鑄件中ESC發(fā)生破碎并沿徑向分布均勻，這有效降低了鑄件中的孔隙率，消除了大尺寸孔洞，在很大程度上提高了鑄件的質(zhì)量。
(2)彎折澆道促進(jìn)了鑄件中ESC的均勻分布，而均勻分布的ESC能夠大幅度降低孔隙率，使孔隙率從0.073%降低到0.006%，大尺寸孔洞被消除。
本文作者：
東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 焦祥祎
東北大學(xué)遼寧省輕量化用關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 焦祥祎
一汽鑄造有限公司 王鵬越、石利軍、王成剛
清華大學(xué)材料學(xué)院 劉亦賢、熊守美
