壓鑄AlSi10MnMg合金鑄態(tài)缺陷分析

摘  要：根據(jù)Flow-3D數(shù)值模擬結(jié)果,對(duì)薄壁AlSi10MnMg合金承重梁進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)，并對(duì)模擬結(jié)果中存在缺陷的5個(gè)典型位置的微觀組織進(jìn)行了觀察與分析, 發(fā)現(xiàn)了偏析，卷氣，縮孔及氧化夾雜等缺陷。根據(jù)零件的實(shí)際生產(chǎn)情況與缺陷分布情況，給出了消除缺陷的方案。結(jié)果表明，對(duì)熔體的攪拌使合金成分均勻；使用致密過濾網(wǎng)以減少氧化夾雜；增加保壓時(shí)間以減少縮孔產(chǎn)生；優(yōu)化澆注系統(tǒng)或采用真空壓鑄系統(tǒng)來減少零件內(nèi)的卷氣缺陷。

薄壁鋁合金壓鑄件因其輕量化效果和力學(xué)性能良好，在汽車車身結(jié)構(gòu)件方面的應(yīng)用越來越廣泛。高壓鑄造作為一種快速的近凈成形工藝，尤其適合此類結(jié)構(gòu)型零部件的成形。然而，薄壁鋁合金壓鑄件的生產(chǎn)過程易產(chǎn)生缺陷，且力學(xué)性能不穩(wěn)定，這對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

本課題以某汽車縱向承重梁鑄件為研究對(duì)象，根據(jù)Flow-3D數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)AlSi10MnMg壓鑄鋁合金鑄件的鑄態(tài)組織進(jìn)行了研究，得到并分析了幾種典型鑄造缺陷的形成原因并給出了解決方案，為后期對(duì)AlSi10MnMg鋁合金壓鑄件熱處理中金相組織的演化過程提供借鑒，同時(shí)對(duì)AlSi10MnMg薄壁壓鑄鋁合金結(jié)構(gòu)件的工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1、數(shù)值模擬與試樣制備

壓鑄鋁合金承重梁材質(zhì)為AlSi10MnMg合金，其成分見表1，模具材質(zhì)為H13模具鋼。圖1為該薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)件的三維模型。澆注系統(tǒng)采用梳狀設(shè)計(jì)，邊緣壁厚為6 mm，主體部分壁厚為3 mm，加強(qiáng)筋高度為2 mm，外形尺寸為250 mm×80 mm×6 mm。

零件充型過程使用Flow-3D軟件進(jìn)行模擬。充型過程步長為0.0 008 s，總網(wǎng)格數(shù)為16 945 929，表2為數(shù)值模擬的初始條件。圖2為通過Flow-3D進(jìn)行數(shù)值模擬的充型過程示意圖。可以看出，充型后零件下端含氣情況良好，零件中部偏上位置存在卷氣情況，這是因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致的，這會(huì)導(dǎo)致一部分氣體不能及時(shí)排出型腔，最終形成鑄造缺陷，以此充型數(shù)值模擬結(jié)果中卷氣程度的不同為根據(jù)，對(duì)零件進(jìn)行測(cè)試生產(chǎn)并選擇5個(gè)區(qū)域進(jìn)行取樣分析。

表1：AlSi10MnMg的合金成分 wb/ %

圖1：薄壁AlSi10MnMg結(jié)構(gòu)件及的三維模型

表2：數(shù)值模擬的初始邊界條件

圖2：充型過程數(shù)值模擬結(jié)果

預(yù)先對(duì)坩堝進(jìn)行預(yù)熱，裝料完成后，將爐溫控制在680 ℃以上。當(dāng)爐料完全熔化后，停止加熱，待金屬液降到660 ℃左右時(shí)加入純Mg塊，隨后再次加熱，將爐溫調(diào)至680 ℃以上，進(jìn)行精煉除氣扒渣，隨后調(diào)整合金液溫度至670 ℃左右，靜置5 min。依據(jù)模擬結(jié)果可知，對(duì)該鑄件最佳的工藝參數(shù)是快壓射速度為2 m/s，模具溫度為135 ℃，填充溫度為740 ℃，以此進(jìn)行試生產(chǎn)。根據(jù)Flwo-3D仿真模擬結(jié)果，在試樣上確定特征較為突出的位置，并進(jìn)行切割取樣，觀察其微觀組織形貌，取樣位置見圖3。

圖3：取樣位置示意圖

2、微觀組織觀察

金相試樣在0.5%的氫氟酸腐蝕液腐蝕8 s后，使用徠卡DMI5000M金相顯微鏡觀察組織。圖4~圖8為位置1~5處的鑄態(tài)顯微組織。可以看出，位置1未見明顯的鑄造缺陷。

圖4：AlSi10MnMg零件位置1的鑄態(tài)組織

圖5：位置2含有氧化夾雜的金相組織顯微圖

僅存在少量的針孔等缺陷。由圖5可以看出，位置2處可觀察到較為突出的氧化夾雜缺陷。白色基體為α-Al基體，在低倍下可見較為明顯的氧化物卷入，對(duì)缺陷位置放大后，可見明顯的黑色塊狀緊貼晶體邊界分布，是較為明顯的氧化夾雜，應(yīng)該是在熔煉過程中生成的金屬氧化物卷入形成，或是添加的Al-10Sr在熔煉過程中未完全熔化形成的。

圖6：位置3含有縮孔鑄態(tài)金相組織顯微圖

從圖6可觀察到較為突出的縮孔現(xiàn)象。白色基體是α-Al固溶體，不均勻的共晶組織呈顆粒狀分布在α--Al基體上，從高倍組織觀察到該區(qū)域存在縮孔缺陷,其一般在鑄件中心最后凝固的部分，是因?yàn)樵鰤翰患皶r(shí)造成鋁液補(bǔ)縮不充分，縮孔會(huì)導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能下降，并會(huì)在零件受到應(yīng)力時(shí)成為裂紋源，導(dǎo)致零件斷裂。

圖7：位置4鑄態(tài)金相組織顯微圖

從圖7中未見明顯卷氣及氧化夾雜等缺陷，但可看出共晶組織分布比較集中,該區(qū)域存在一定程度的偏析現(xiàn)象,共晶組織的富集會(huì)導(dǎo)致局部的抗腐蝕能力降低。這是因?yàn)樵谌蹮掃^程中，金屬液成分不均，即熔體攪拌不均勻，使得該處金相試樣抗腐蝕性能較差，易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。共晶組織形成的微觀偏析同樣也會(huì)導(dǎo)致鑄態(tài)合金的力學(xué)性能下降。

圖8：位置5鑄態(tài)金相組織顯微圖

從圖8中清晰可見明顯的卷氣現(xiàn)象，在壓鑄過程中，鋁液高速充填型腔時(shí)，型腔中存在未被排除干凈的或被卷入熔體的氣體，被鋁液包裹從而形成卷氣缺陷，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的綜合性能造成較大影響，使產(chǎn)品在承受較大載荷時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂等危害。

3、分析與討論

在以上的5組金相圖中可以看出，位置1的微觀金相組織最為致密，表面平整、無明顯的鑄造缺陷；位置2~5處均出現(xiàn)不同程度的鑄造缺陷：位置2出現(xiàn)了明顯的氧化夾雜，需在之后的熔體制備過程中增加過濾次數(shù)或增加過濾網(wǎng)目數(shù)，使用更加致密的過濾網(wǎng)對(duì)熔體進(jìn)行多次過濾；位置3出現(xiàn)了壓鑄增壓不足產(chǎn)生的縮孔現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)增長保壓時(shí)間，使得到的鑄件更加致密；位置4出現(xiàn)的偏析現(xiàn)象一方面由攪拌不均勻而導(dǎo)致，應(yīng)該在熔體保溫過程中增加攪拌時(shí)間，使細(xì)化劑及合金元素更加充分的進(jìn)行混合，另一方面由于冷卻系統(tǒng)不合理導(dǎo)致凝固過程中該區(qū)域形成溫度場，從而形成偏析，應(yīng)該優(yōu)化控制該區(qū)域溫差或修改該區(qū)域冷卻管道分布；位置5則出現(xiàn)了壓鑄過程中較為常見的因金屬液卷氣產(chǎn)生的卷氣缺陷，需優(yōu)化澆注系統(tǒng)以減少型腔內(nèi)的氣體卷入。可通過生產(chǎn)時(shí)提供更優(yōu)良的條件如電磁攪拌系統(tǒng)使鑄件成分均勻化，或采用高真空壓鑄系統(tǒng)以減少甚至消除卷氣現(xiàn)象。

為了避免出現(xiàn)的大量氣孔、縮孔、氣縮孔缺陷，應(yīng)注意控制壓鑄過程中因過高壓射所造成的卷氣，因此在條件允許的情況下應(yīng)采用能減少鑄件內(nèi)含氣量的工藝進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，從而減少鑄件單位體積內(nèi)的氣孔，使鑄件有效載荷面積增加，同時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的形狀，合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和澆注溫度梯度，可減少鑄件內(nèi)縮孔的產(chǎn)生，從而使產(chǎn)品力學(xué)性能更為穩(wěn)定。在成本允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能采用更高真空度、更高壓力的壓鑄技術(shù)對(duì)AlSi10MnMg合金鑄件進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同零部件進(jìn)行不同澆注系統(tǒng)、澆注溫度的設(shè)計(jì)，以在最大程度上降低氣孔、縮孔、疏松，使鋁合金鑄件力學(xué)性能更為穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量更佳。

4、結(jié)論

（1）根據(jù)Flow-3D數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)薄壁AlSi10MnMg合金承重梁進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)。參考Flow-3D數(shù)值模擬的充型過程及卷氣結(jié)果分析，對(duì)零件內(nèi)含氣量不同位置進(jìn)行微觀組織觀察。

（2）結(jié)合模擬結(jié)果，對(duì)零件的5個(gè)典型位置的微觀組織進(jìn)行了分析, 得到了幾類明顯的鑄態(tài)缺陷：偏析，卷氣，縮孔，氧化夾雜等，并對(duì)各類缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。

（3）針對(duì)不同缺陷種類，增加對(duì)熔體的攪拌使得合金元素分布得更均勻；使用致密過濾網(wǎng)以減少氧化夾雜；增加保壓時(shí)間以減少縮孔產(chǎn)生；優(yōu)化澆注系統(tǒng)或采用真空壓鑄系統(tǒng)來減少零件內(nèi)的卷氣缺陷。

作者：
趙旭 孫晶瑩
東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
華晨寶馬汽車有限公司

王平 孫晶瑩
東北大學(xué)材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2019年第39卷第12期