壓鑄工藝參數(shù)和冷卻速度對(duì)B390鋁合金表面貧硅區(qū)的影響

張奧健 徐 春,2 陳惠芬,2 葉 兵

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201418；3. 上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心，上海 200240)

過(guò)共晶鋁硅合金與共晶和亞共晶鋁硅合金相比，具有密度更低，熱膨脹系數(shù)更小，且耐磨性能和耐高溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此是制造發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮機(jī)活塞、汽缸體、剎車盤(pán)等零件的理想材料，在航空航天、汽車、機(jī)械等行業(yè)具有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)[1-4]。工業(yè)上常使用的過(guò)共晶鋁硅合金中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～26%，硅相的顯微硬度值是鋁的15倍左右，因此硅相分布在鋁基體中，相當(dāng)于軟的鋁基體上分布著很多硬質(zhì)點(diǎn)，從而大大增加了合金的耐磨性能[5-7]。因此從耐磨角度看，希望鋁合金表面存在大量的硅相顆粒。然而，過(guò)共晶鋁硅合金在壓鑄時(shí)，初晶硅的析出受壓鑄工藝參數(shù)和冷卻速度等因素的影響，通常鑄件表面存在幾百微米厚的貧硅區(qū)，或者說(shuō)初生硅極少，這不利于產(chǎn)品的耐磨性能，因此必須通過(guò)機(jī)加工去除貧硅區(qū)，從而將大大增加鑄件的制造成本[8-9]。

本文以B390鋁合金壓鑄件為研究對(duì)象，借助商用AnyCasting軟件模擬其充型、凝固過(guò)程，合理取樣并統(tǒng)計(jì)壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度，研究了壓鑄工藝參數(shù)以及冷卻速度對(duì)貧硅區(qū)厚度的影響，優(yōu)化壓鑄工藝以減小表面貧硅區(qū)的厚度，為工業(yè)上壓鑄優(yōu)質(zhì)的耐磨表面提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用的熔煉原材料為純鎂(wMg=99.94%)、純鋁(wAl=99.70%)、純鋅(wZn=99.98%)及AlSi28、AlCu50、AlMn10、AlNi10、AlFe20中間合金，采用SG2-5-10型坩堝電阻爐熔煉化學(xué)成分如表1所示的B390鋁合金。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the test alloy (mass fraction) %

熔煉工藝為：將鋁錠置入坩堝，待爐溫升至700 ℃形成熔池后，加入AlSi28中間合金；待爐溫升至740 ℃鋁硅合金完全融化后，按順序加入AlMn10、AlFe20、AlNi10、AlCu50中間合金；待中間合金全部熔化后，降溫至700 ℃，依次加入用鋁箔包裹的純Mg和純Zn；升溫至780 ℃，加入CuP14變質(zhì)，保溫20 min；降溫至740 ℃精煉除渣；保溫，準(zhǔn)備壓鑄。

采用日立TOYO BD-350V5型壓鑄機(jī)壓鑄。為了研究壓鑄工藝參數(shù)對(duì)B390鋁合金表面貧硅區(qū)厚度的影響，選擇3個(gè)參數(shù)2個(gè)水平進(jìn)行DoE試驗(yàn)，模具溫度為150 ℃。具體參數(shù)如表2所示。

表2 壓鑄工藝參數(shù)Table 2 Die-casting process parameters

通過(guò)商用AnyCasting軟件模擬壓鑄件在不同壓鑄工藝參數(shù)下的充型、凝固過(guò)程，來(lái)確定壓鑄件不同位置的冷卻速度，并在3個(gè)典型冷卻速度的位置取樣。試樣經(jīng)機(jī)械拋光后，采用蔡司金相顯微鏡拍攝照片，利用Image-Pro Plus軟件對(duì)照片進(jìn)行貧硅區(qū)劃分并統(tǒng)計(jì)貧硅區(qū)的厚度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓鑄件充型、凝固過(guò)程模擬

B390鋁合金壓鑄件充型過(guò)程的模擬結(jié)果如圖1所示，其中圖1(a)為壓鑄件在0.062 s完成充型的狀態(tài)圖，圖1(b)～圖1(c)依次為充型時(shí)間0.033、0.038、0.047 s拉伸片的狀態(tài)圖，圖1(e)～圖1(f)依次為充型時(shí)間0.051、0.054、0.062 s的拉伸棒狀態(tài)圖?？梢钥闯?，較薄的拉伸片由下至上逐步充滿僅需0.047 s；較粗的拉伸棒是由芯部從下至上充填的，中上部通過(guò)回流充滿，需要0.062 s。

壓鑄件凝固過(guò)程的模擬結(jié)果如圖2所示，其中圖2(a)～圖2(c)依次為凝固時(shí)間1.493、12.367、14.386 s的壓鑄件狀態(tài)圖，從圖2(a)～圖2(c)可以看出，較薄拉伸片在1.5 s內(nèi)完全凝固，從圖2(b,c)可以看出，較粗的拉伸棒上部標(biāo)距部分先凝固，中部夾持部分后凝固，完全凝固約需14.4 s。

綜合壓鑄件充型、凝固過(guò)程模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一壓鑄件中，拉伸片的充型、凝固速度均遠(yuǎn)大于拉伸棒，并且拉伸棒上部標(biāo)距部分充型、凝固速度大于中部夾持部分，這就導(dǎo)致拉伸片的冷卻速度大于拉伸棒，拉伸棒上部標(biāo)距部分的冷卻速度大于中部夾持部分。

圖1 壓鑄件充型過(guò)程模擬Fig.1 Simulation of filling process of die-cast part

圖2 壓鑄件凝固過(guò)程模擬Fig.2 Simulation of solidification process of die-cast part

如圖3(a)所示，在厚度2.5 mm的拉伸片中部(紅框A處)和φ5 mm標(biāo)距部分(紅點(diǎn)B處)、φ15 mm夾持部分的拉伸棒上(紅點(diǎn)C處)取樣，制得冷卻速度由快到慢依次為A、B、C的3種樣品，試樣如圖3(b)所示，1～4號(hào)4個(gè)工藝分別制備3個(gè)重復(fù)試樣，共12個(gè)試樣。

圖3 樣品制備Fig.3 Sample preparation

2.2 冷卻速度對(duì)表面貧硅區(qū)的影響

試樣經(jīng)機(jī)械拋光后，采用蔡司金相顯微鏡在100、200倍下拍攝照片，片狀樣品A由上至下拍攝6張，棒狀樣品B、C每旋轉(zhuǎn)60°拍攝一張，利用Image-Pro Plus軟件對(duì)照片進(jìn)行貧硅區(qū)劃分并統(tǒng)計(jì)貧硅區(qū)的厚度。圖4(a)～圖4(c)分別為采用4號(hào)工藝制備的片狀樣品A和棒狀樣品B、C的貧硅區(qū)劃分圖。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4(d)所示，在1～4號(hào)4種壓鑄工藝下，A樣品表面貧硅區(qū)厚度最大，其中采用4號(hào)工藝制備的貧硅區(qū)厚度最大，為529 μm；C樣品表面貧硅區(qū)厚度最小，其中采用2號(hào)工藝制備的貧硅區(qū)厚度最小，為328 μm；B樣品表面貧硅區(qū)的厚度介于兩者之間，且接近于后者。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隨著冷卻速度的增加(vC

圖4 貧硅區(qū)厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Statistical thickness of the silicon-depleted zone

2.3 壓鑄工藝參數(shù)對(duì)表面貧硅區(qū)的影響

由圖4(d)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于冷卻速度不同的樣品A、B、C，采用1～4號(hào)壓鑄工藝制得的壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度均是先減小后增大，其中2號(hào)壓鑄工藝制得的壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度最小。為了分析壓鑄工藝參數(shù)對(duì)壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度的影響，采用Minitab軟件對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了DoE分析，圖5(a)～圖5(c)為壓鑄工藝參數(shù)(壓射壓力、澆注溫度、壓射速度)對(duì)A、B、C樣品表面貧硅區(qū)厚度影響的主效應(yīng)圖。

從圖5(a～c)可以看出：對(duì)于冷卻速度不同的A、B、C樣品，壓鑄工藝參數(shù)(壓射壓力、澆注溫度和壓射速度)對(duì)壓鑄件表面貧硅區(qū)的影響大體一致。在標(biāo)準(zhǔn)壓鑄工藝范圍內(nèi)，隨著壓射壓力的增加，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度無(wú)明顯變化。壓鑄的凝固過(guò)程分3個(gè)階段[12-13]：第一階段是在充型開(kāi)始時(shí)，金屬液接觸型腔表面便開(kāi)始結(jié)晶凝固，此階段類似于常壓下的凝固；第二階段是在金屬液快速射入型腔后，在壓力下凝固；第三階段是在壓力下補(bǔ)縮金屬液的凝固。而在壓鑄過(guò)程中，壓鑄件表面貧硅區(qū)的形成可能屬于上述凝固的第一階段，基本是在常壓下形成的，因此，在標(biāo)準(zhǔn)壓鑄工藝范圍內(nèi)，隨著壓射壓力的提高，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度變化不大。隨著澆鑄溫度的升高，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度明顯減小，這可能是由于澆注溫度高于液相線溫度越多，金屬液向鑄型傳輸?shù)臒崃烤驮礁撸鋮s速度變慢，促進(jìn)了初晶硅的生長(zhǎng)[14]，從而導(dǎo)致壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度減小。隨著壓射速度的增加，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度也隨之增加。這可能由于隨著壓射速度的增大，金屬液在壓鑄過(guò)程中的熱量損失降低，過(guò)冷度增大，提高了金屬液冷卻速度，抑制了初晶硅的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致壓鑄件表面貧硅區(qū)厚度增大。綜上所述，壓鑄工藝參數(shù)對(duì)壓鑄件表面貧硅區(qū)的影響主要體現(xiàn)在冷卻速度的變化上，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓鑄工藝參數(shù)，適當(dāng)降低金屬液冷卻速度，來(lái)減小壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度。

圖5 壓鑄工藝參數(shù)對(duì)貧硅區(qū)厚度影響的主效應(yīng)圖Fig.5 Main effect diagrams of influence of die-casting process parameters on the thickness of silicon-depleted zone

3 結(jié)論

(1)隨著澆注溫度的升高，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度明顯減??；隨著壓射速度的增加，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度增大；而隨著壓射壓力的增加，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度無(wú)明顯變化；隨著冷卻速度的增加，壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度增大。

(2)在壓射壓力為85 MPa、澆注溫度為740 ℃、壓射速度為1 m/s時(shí)，新型B390鋁合金壓鑄件表面貧硅區(qū)的厚度最小。