鎂基復合材料半固態流變成型件的研究

吳孝泉

（江西科技學院 教務處，江西 南昌 30098）

鎂基復合材料半固態流變成型件的研究

吳孝泉

（江西科技學院 教務處，江西 南昌 30098）

采用原位法制備鎂基復合材料，通過機械攪拌法制備出Mg2Si/AM60半固態漿料。比較研究了半固態復合材料流變成形件和常規壓鑄件的組織。結果表明：流變成形件澆注溫度低、壓射力大、壓鑄件表面質量好、內部組織均勻、大部分固相以球狀存在。

汽車零件；復合材料；流變壓鑄

0 引言

鎂合金因其塑性差、強度低、耐熱性差等缺點，在工業上的應用受到限制。隨著，汽車零件輕量化的發展及輕金屬做為結構材料的需求量變大，開發輕金屬結構材料和金屬成型新工藝迫在眉睫[1-7]。本實驗采用鎂基復合材料制備出半固態漿料，通過流變成型工藝，制造出汽車零件，并對零件的外觀及組織進行了分析。

1 實驗材料及實驗方法

1.1鎂基復合材料的制備工藝

制備合金原料為：Al5.58-Mn0.33-Zn0.17-Si0.03-Fe0.001-Cu0.005,將上述原料在電阻爐中加熱至800℃熔化，當鎂熔體溫度達到780-800℃時，靜置5min。精煉時為減少熔體燒損，采用自制覆蓋劑對熔體保護。將干燥后的結晶Si粉用鋁箔包好，并壓入合金熔體當中。為使結晶Si熔解充分，成分分布均勻，反應15min后用自制攪拌器對熔體攪拌5-10min，保溫30min，溫度降至600℃，攪拌5-10min。

1.2 流變壓鑄工藝

液態常規壓鑄和流變壓鑄工藝都采用湯勺將合金熔體喂入壓室，將漿料壓入模具型腔成形,半固態流變壓鑄工藝如圖1所示。

圖1 流變壓鑄工藝流程圖

復合材料流變壓鑄的澆注溫度為600℃，沖頭壓射速度2.5m/s，模具溫度220℃。液態常規壓鑄澆注溫度660℃，其它參數和半固態相同。

2 實驗結果與討論

2.1 鎂基復合材料顯微組織分析

結晶Si粉加入AM60熔體中，發現鑄態組織中生成Mg2Si，其形態分別以塊狀、片層狀、中國漢字狀及枝晶狀出現。

從圖2可以看出，當Si粉加入量為0.5wt.%時，鑄態組織中基本無枝晶，晶粒細化，且有少量中國漢字狀Mg2Si相；當Si粉加入量為1wt.%時，中國漢字狀的Mg2Si相開始增多，并形成了少量片狀Mg2Si。隨著Si粉加入量的進一步增加，鑄態組織里中國漢字狀Mg2Si逐漸消失，取而代之的是粗大樹枝狀及板塊狀Mg2Si，且形狀隨Si質量分數的增加而變大。當Si粉加入量達到5wt.%時，組織中出現了角塊狀黑色富硅相，此相力學性能強度低，性能脆，受拉力容易在此區域發生裂紋。

圖2 Si量對復合材料微觀組織的影響

分析鑄態組織表明：合金中加入不同質量分數的Si粉，生成Mg2Si相的形態也大不相同，為獲得最優力學性能的材料，本實驗采用結晶Si粉加入量為1wt.%的復合材料做研究對象。

2.2 鎂基復合材料常規壓鑄件的分析

圖3（a）為液態常規鑄件外觀，觀察可看到細小的網狀花紋印分布在中間軸螺塞的外徑上，并伴有粘模及飛邊的缺陷。[8]本實驗中模具對應部位無龜裂缺陷，本次實驗網狀花紋印記缺陷是可能是由于金屬漿料溫度高、熔體與模具溫差大、鑄件各部位凝固速度不同，最終形成此缺陷；圖3（b）中可見，有一鑄件被完全頂出，連接在澆道上，而另一鑄件粘在模具型腔里，從而形成粘模缺陷。其原因可能是熔體填充速度快、脫模劑使用不當或澆注溫度過高造成的；圖3（c）箭頭所示飛邊缺陷，它是壓鑄件最常見的一種缺陷，其產生的原因相對復雜，如：模具鎖模力不夠、模具型腔內雜物未清理或壓射速度快，壓射沖擊力大等原因。

為消除以上缺陷，需考慮調整澆注溫度，減小壓射速度，清潔模具型腔，重新檢查鎖模力等壓鑄機參數，以便有效改善壓鑄件質量。

圖3 液態鑄件缺陷

2.3 鎂基復合材料流變壓鑄件的分析

2.3.1 復合材料半固態組織

從圖4可以看出，半固態組織形貌里完全看不到枝晶狀組織，并且中國漢字狀Mg2Si分布在液相和晶界中（箭頭所示）。

圖4 復合材料的半固態組織

2.3.2 流變壓鑄件的分析

在半固態金屬流變壓鑄過程中，熔體是以層流方式充型，此種充型能最大限度地減少鑄件卷氣，但層流充型比紊流充型要求的壓射力要大得多。因此，在壓射第一階段以高壓、高速將漿料壓入型腔。此外，流變壓鑄比常規壓鑄澆注溫度，以層流方式充型。因此，縮孔、縮松產生的機率極小，鑄件合格率會大幅提高。

從圖5（a）、（b）可以觀察到鑄件有欠鑄缺陷，590℃澆注溫度偏低，半固態漿料流型性差，最終形成欠鑄缺陷。其次，本實驗是采用人工湯勺取料，真正的澆注溫度會比檢測的溫度低。

圖5 半固態鑄件

圖 5（c）、（d）分別為澆注溫度 610℃和 615℃得到的壓鑄件。由鑄件外觀來看，表面質量好，無粘模、飛邊、網狀花紋等缺陷。

圖6（a）、（b）分別為常規液態壓鑄件和流變壓鑄件無損探傷分析圖。從常規液態壓鑄圖中看出，中間軸螺塞零件的齒心有氣孔、縮松等缺陷，且軸輪廓不清晰。分析產生的原因是液態壓鑄澆注溫度過高，壓射速度過大，合金熔體易卷氣，模具型腔內氣體未及時排出，最終導致氣體混合在金屬熔體中，形成氣孔、縮松等缺陷。從圖b可看出，中間軸螺塞齒輪廓清晰，齒內陰影明顯。說明充型效果好，很大程度降低了卷氣、縮松等缺陷率。

圖6（c）、（d）分別常規壓鑄件和流變壓鑄件組織形貌，由圖c可看出常規壓鑄件組織形貌主要由枝晶組成，其間還有部分縮松存在，且組織不緊密。而流變壓鑄件組織形貌主要以半固態非枝晶態組織存在，組織緊密，看不到其它縮孔、縮松等缺陷[9-10]。

圖6 無損探傷及微觀組織分析

3 結論

本實驗采用原位復合Mg2Si/AM60材料，并對其進行流變成形，通過流變壓鑄與常規壓鑄件的外觀及微觀組織對比發現：

1、在零件外觀上，液態壓鑄件容易產生網狀流紋、粘模、飛邊等缺陷，其主要原因是液態壓鑄澆注溫度高，熔體內溫度梯度大，熔體內部組織組織不均勻；流變壓鑄工藝減少縮孔、縮松，消除了微裂紋，零件表面質量好，內部組織中的球狀固相顆粒變形小。

2、從微觀組織來看，常規液態壓鑄件組織以大塊枝晶為主，液相分布于枝晶間，且分布不均勻；流變壓鑄件內部組織均勻，球狀固相變形小。

3、流變壓鑄件在成形時，要求的壓射力比常規液態壓鑄成形時高，且在低溫澆注時（如590℃）會流變壓鑄件會有欠鑄缺陷產生，其主要原因是復合材料熔體粘度高，流動性差。因此，適當提高壓射力和澆注溫度，能更好地改善流變壓鑄件的質量。

[1]吳孝泉.Si對原位自生鎂基復合材料摩擦磨損性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2011.31(10)：952-954.

[2]侯文杰，譚建波，劉江成.半固態流變壓鑄的研究現狀與發展趨勢[J].鑄造技術，2009(01)：365-368.

[3]張軍.康永林.張帆.A356鋁合金半固態流變壓鑄件力學性能的研究 [J].特種鑄造及有色合金，2011(08)：456-458.

[4]唐景.董選普.張磊等.鋁合金半固態流變壓鑄過程數值模擬及試驗驗證[J].鑄造，2012(01)：542－544.

[5]王國偉.巫瑞智.Al-6.5%Mg合金的半固態流變鑄造及其性能[J].中國有色金屬學報，2012(01)：256-258.

[6]張毅.楊宇.半固態流變成形技術的應用與發展[J].鑄造技術，2012(04)654－656.

[7]滕海濤.熊柏青.張永安等.鋁、鎂合金半固態漿料的制備與流變成形新工藝 [J].中國有色金屬學報，2012(04)：136-138.

[8]李偉東.陳和興.王順成等.擠壓鑄造半固態A356鋁合金的組織與力學性能 [J].鑄造技術，2012(04)：128-131.

[9]史立峰.王平.崔建忠.ZL201鋁合金半固態流變壓鑄組織與性能[J].輕合金加工技術，2012(05)：479－481.

[10]鄭鵬.徐駿.張志峰等.A357鋁合金半固態流變壓鑄數值模擬 [J].特種鑄造及有色合金，2010(01)：568－569.

（責任編輯：陳 輝）

Effect of Magnesium Matrix of Parts Prepared by Forming in Rheo-die Casting

WU Xiao-quan
(Teaching Administrative Office of Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

Magnesium matrix composite was prepared by in-situ technique and semi-solid slurry was prepared by stirring.Through the comparison for the microstructure forming in rheo-die casting and forming in conventional die casting,it shows that the parts forming in rheo-die casting have a lower casting temperature,higher compressing power,a better quality of surface,and a uniform inner structure,the main semi-solid of microstructure in rheo-die casting is spherical.

automobile parts；composites；rheo-die casting

TB331

A

123（2014）01-0046-04

2013-08-07

吳孝泉（1980-），男，湖南邵陽人，江西科技學院教務處，碩士，講師，工程師。

研究方向：模具CAD/CAM。

江西科技學院校級自然科學研究項目“Mg2Si/AM60半固態流壓鑄汽車零件磨損性能的研究”（NO.ZR12YB13）。