隨著一體化壓鑄的興起，越來越多的汽車結(jié)構(gòu)件開始使用壓鑄鋁合金生產(chǎn)，其中最大的挑戰(zhàn)之一便是需要獲得高伸長(zhǎng)率，尤其是在高強(qiáng)韌免熱處理材料領(lǐng)域。鋁合金鑄件力學(xué)性能的影響因素較多，按工藝順序可以分為3類：①合金成分，通過改變材料相組成、組織形貌、晶粒大小等調(diào)整材料性能；②鑄造工藝，包括鑄造方式、模具設(shè)計(jì)、熔煉、澆注方式、鋁料溫度、凝固和冷卻等多個(gè)環(huán)節(jié)，通過調(diào)整鑄件夾雜、氣孔和裂紋等內(nèi)部品質(zhì)影響鑄件性能；③熱處理工藝，不同的固溶、時(shí)效溫度、時(shí)間以及冷卻方式對(duì)鑄件的硬度、強(qiáng)度和韌性等性能有顯著影響。
研究發(fā)現(xiàn)，即便是同種材料和相同鑄造工藝，同一產(chǎn)品不同區(qū)域的力學(xué)性能也可能存在很大差異。對(duì)于性能較差的區(qū)域，難以通過調(diào)整鑄造工藝大幅提高其力學(xué)性能。對(duì)于相同的材料，在不同鑄件上，即便在相同區(qū)域取樣，所測(cè)得的力學(xué)性能仍有差異。本研究分析影響壓鑄件力學(xué)性能的因素，總結(jié)高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金鑄件本體取樣力學(xué)性能與材料理想力學(xué)性能之間的差異，聚焦于高真空壓鑄結(jié)構(gòu)件性能測(cè)試過程中伸長(zhǎng)率的影響，通過深入分析平板模、試棒模以及實(shí)際結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，探討了材料成分對(duì)免熱處理合金的強(qiáng)韌作用，重點(diǎn)研究了取樣方式和鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響。對(duì)高強(qiáng)韌鋁合金在測(cè)試過程中的試片類型、標(biāo)距大小等關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，提供了獲取材料理想性能的測(cè)試方法與建議。此外，系統(tǒng)比較了傳統(tǒng)AlSi10MnMg熱處理材料、高強(qiáng)韌免熱處理材料在鑄件本體取樣與材料理想性能之間的波動(dòng)偏差。旨在為高強(qiáng)韌免熱處理鋁合金鑄件的力學(xué)性能提高及測(cè)試方法提供參考。
圖文結(jié)果
選用了4種高強(qiáng)韌合金，其設(shè)計(jì)成分見表1。這些材料被用于壓鑄平板試樣和試棒，其中試棒標(biāo)距為25 mm和50 mm。利用AlSi10MnMg合金和自主生產(chǎn)免熱處理HT11合金壓鑄生產(chǎn)了一款小型減震塔鑄件。其中AlSi10MnMg合金的T7熱處理過程在輥道式熱處理生產(chǎn)線上進(jìn)行，具體工藝為：460 ℃×2.5 h固溶處理+風(fēng)淬處理3.5 min+210 ℃×156 min時(shí)效處理。
圖1為試驗(yàn)材料壓鑄的所用試棒、平板（一模兩腔）、減震塔（一模兩腔）鑄件模型，分別采用4 500、12 500、25 000 kN的壓鑄機(jī)生產(chǎn)。試棒除毛刺后可以直接拉伸測(cè)試，通過線切割加工制備平板和減震塔鑄件的拉伸試片，其標(biāo)距為25 mm，尺寸見圖2，平板取樣厚度為3 mm，鑄件取樣試樣厚度取決于鑄件。在拉伸試驗(yàn)前，試片的側(cè)面經(jīng)過細(xì)砂紙打磨，直至表面粗糙度達(dá)到Ra≤5 μm。拉伸試驗(yàn)在CMT5205拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1 mm/min。依次使用400、800、1 500、2 000目的砂紙打磨金相試樣，采用SiC懸浮劑進(jìn)行拋光處理，利用MDS400金相顯微鏡對(duì)試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析。
選用AlSi10MnMg平板，研究取樣方式對(duì)其拉伸力學(xué)性能的影響。試片分為2組：試片A、B、C垂直于平板主充型方向，試片D、E、F平行于平板主充型方向，取樣位置包括水口附近、平板中間以及水尾。圖3為6組不同取樣方式示意圖，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。圖5為不同取樣方式AlSi10MnMg平板鑄件的平均伸長(zhǎng)率?？梢钥闯?，取樣方式對(duì)試樣強(qiáng)度影響并不明顯。伸長(zhǎng)率的變化相較于強(qiáng)度更為顯著。在平行充型方向的中間位置（E組），獲得了最高的伸長(zhǎng)率，達(dá)到9.42%；而在平行充型方向水尾位置（F組），伸長(zhǎng)率則最低，為6.84%。
隨著鋁液在型腔內(nèi)的逐步填充，鋁液溫度會(huì)逐漸降低并凝固。鑄件在水口位置因溫度較高且均勻，在無卷氣、熱節(jié)時(shí)，內(nèi)部品質(zhì)通常優(yōu)于其他位置；溫度越低，越易產(chǎn)生縮孔、冷隔等缺陷，內(nèi)部品質(zhì)通常較差，性能更低。然而，從圖5可見，設(shè)計(jì)的平板并不完全遵循這一規(guī)律。伸長(zhǎng)率最佳的位置均出現(xiàn)在平板的中間，而非水口。這一現(xiàn)象與平板設(shè)計(jì)的特定因素緊密相關(guān)。圖6為平板外形、X光檢測(cè)和模流分析。從圖6a可以看出，試驗(yàn)平板的內(nèi)澆口經(jīng)過減薄處理，導(dǎo)致鋁液在進(jìn)入內(nèi)澆口后能以較大的速度向前填充。盡管平板各處的凝固時(shí)間差異不大（見圖6c），鋁液在水口附近的填充順序卻存在先后差異（見圖6d），這使得垂直充型方向的鋁液填充不均勻，從而導(dǎo)致伸長(zhǎng)率相對(duì)較差。在水尾位置，垂直方向的伸長(zhǎng)率反而較高，這表明垂直方向劣于平行方向的規(guī)律并非固定不變。鋁液的凝固過程并不嚴(yán)格遵循順序凝固規(guī)律，在型腔內(nèi)鋁液溫度的不一致性仍會(huì)導(dǎo)致先后凝固差異，對(duì)鑄件內(nèi)部質(zhì)量影響不顯著，見圖6b，但對(duì)力學(xué)性能，尤其是伸長(zhǎng)率的影響頗為明顯。
表2為兩種試棒的力學(xué)性能?？梢钥闯?，標(biāo)距的變化對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響不明顯，但壓鑄試棒的標(biāo)距越長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率越低。這可以通過材料塑性變形模型解釋，見圖8。因材料在測(cè)試過程的拉伸條件并非理想的靜態(tài)拉伸，試棒的塑性變形并非理想的均勻變形，而是斷裂處附近的變形量更大，遠(yuǎn)離斷裂點(diǎn)的位置則呈現(xiàn)出相對(duì)較小的變形量。特別是在標(biāo)距（即平行段）較長(zhǎng)的試棒中，變形量較小的區(qū)域占比較大，導(dǎo)致整體伸長(zhǎng)率的平均值下降。而試棒的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果只與斷裂時(shí)的力與斷口截面積相關(guān)，因此標(biāo)距長(zhǎng)短對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響相對(duì)有限。
平板取樣與試片伸長(zhǎng)率差異與壓鑄件表面的細(xì)晶層有著密切的聯(lián)系。壓鑄試片四周均被細(xì)晶層所環(huán)繞，因其高應(yīng)力敏感性承受更大的應(yīng)力。此外，在相同收縮率下，試片矩形的尖角位置更易產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展。相較之下，平板取樣試片則具有更優(yōu)的晶粒大小梯度組織。平板兩側(cè)是晶粒小的細(xì)晶層，使得鑄件呈現(xiàn)細(xì)-粗-細(xì)組織。當(dāng)一側(cè)的細(xì)晶層出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋的擴(kuò)展會(huì)被中間的高韌性區(qū)域抑制，這種結(jié)構(gòu)特征賦予了平板試片更優(yōu)異的延展性。因此，在平板的合適位置進(jìn)行取樣，能夠更準(zhǔn)確地反映材料的理想力學(xué)特性，為材料的性能評(píng)估和應(yīng)用提供更為可靠的依據(jù)。
結(jié)論
（1）取樣方式 包括位置和方向，對(duì)鑄件本體取樣伸長(zhǎng)率的影響顯著，而對(duì)強(qiáng)度的影響較小。在平板試驗(yàn)中，性能最差的取樣方式測(cè)得的伸長(zhǎng)率為最佳取樣方式的72.61%。在鑄件質(zhì)量較差的區(qū)域，可通過優(yōu)化取樣方向獲得較好的結(jié)果。
（2）制樣方式 包括截面類型和標(biāo)距大小，影響鑄件力學(xué)性能測(cè)試的最終結(jié)果。標(biāo)距較短的試樣具有更高的伸長(zhǎng)率，圓形截面壓鑄試棒表現(xiàn)出較高的伸長(zhǎng)率和較低的強(qiáng)度，而矩形截面壓鑄試棒則具有較低的伸長(zhǎng)率和較高的強(qiáng)度。此外，壓鑄平板的力學(xué)性能表現(xiàn)不均勻，其中性能較好的位置更能代表該材料壓鑄件的理想性能水平。
（3）同一種材料的理想性能與壓鑄件本體性能在伸長(zhǎng)率方面存在明顯差異。壓鑄件的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)通常低于該材料的理想性能水平，特別是與試片級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)相比。鑄件伸長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為在壓鑄工藝達(dá)到最佳狀態(tài)，即鑄件無明顯氣孔、冷料等缺陷時(shí)的最小值，通常為理想性能的50%~70%。
（4）對(duì)于高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金材料，在鑄態(tài)下實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)率平均值達(dá)到10%是可行的，但考慮到實(shí)際鑄件的全區(qū)域性能，將目標(biāo)伸長(zhǎng)率設(shè)定為≥8%附近更為合理。同時(shí)，根據(jù)鑄件不同位置的實(shí)際連接需求，可以對(duì)高強(qiáng)韌免熱處理材料的伸長(zhǎng)率要求進(jìn)行區(qū)域性的調(diào)整。
本文作者：
黃華 朱宇 林韻 趙少亮 鄧杏堅(jiān)
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廣東鴻圖科技股份有限公司
黃華 陳詩明 張蕾 鐘宇毅 萬里
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本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，
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