真空增壓鑄造工藝對ZL114A合金充型能力和力學性能的影響

陶健全，向林，李曉松，邢志輝，李明

（中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039）

ZL114A合金作為典型的 Al-Si系鑄造鋁合金，廣泛應用于航空航天、兵器、汽車、通信、電子等領域[1—6]。隨著裝備輕量化的發展，鋁合金鑄件設計日趨呈現大型化、復雜化和薄壁化等特點，復雜薄壁鑄件的充型和凝固是精密成形的核心，對鑄件的性能和質量起著決定性作用[7—9]。傳統鑄造工藝易出現薄壁澆不足、冷隔缺陷多、疏松、針孔缺陷超標等問題，已不能滿足高品質鑄件的設計要求。程運超等[10]研究了真空增壓凝固條件下ZL105A合金組織及其力學性能，結果表明，外加凝固壓力能夠細化α(Al)晶粒，減少縮松缺陷，增加組織致密度，同時加壓凝固可以提高抗拉強度和屈服強度。王元慶等[11]認為真空增壓鑄造技術可提高合金的充型能力，改善鑄件的內在質量。文中采用真空增壓鑄造工藝，研究了不同真空度、石膏鑄型溫度、凝固壓力對ZL114A合金充型能力、力學性能和顯微組織的影響，為復雜薄壁鑄件的結構設計、鑄造工藝設計提供理論依據。

1 實驗

在熔模石膏型單鑄試棒蠟樣上粘結厚度分別為1.5，3.0，5.0 mm的蠟片，用于測試充型距離，測試片的高度為20 mm，長度為210 mm，如圖1a所示。將測試蠟樣置于砂箱中，澆灌石膏漿料，硬化后進行脫蠟焙燒，最高焙燒溫度為700 ℃，降溫至鑄型溫度。將ZL114A錠在坩堝蓋上預熱至250 ℃以上，加入坩堝爐中，熔化至680～700 ℃加入AlBe5中間合金和純鎂錠，升溫至（735±5）℃噴粉（精煉劑ZS-AJ203）精煉，精煉20 min后變質，變質后繼續精煉10 min，加入覆蓋劑（ZS-AF1），靜置并降溫至澆注溫度720 ℃，實驗合金的化學成分為質量分數為 7.16%的Si，0.53%的 Mg，0.16%的 Ti，0.12%的 Fe（雜質元素），其余為Al。石膏鑄型和澆包置于真空增壓鑄造機內，鎖緊密封，抽真空至所需真空度（?0.08～0 MPa），傾轉澆包將鋁液澆鑄型中，立即加壓（加壓壓力為 0～0.8 MPa），保持壓力 10 min，卸壓，取出鑄型，去除石膏，獲得澆注試樣，如圖1b所示。

采用游標卡尺測量不同工藝條件下ZL114A合金的充型距離，型號為OLYMPUS-GX71的金相顯微鏡觀察金相顯微組織，Philip-xl30型掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口的形貌。拉伸試樣經 T5熱處理后，按GB/T 228.1金屬材料室溫拉伸試驗方法的規定進行拉伸測試，試驗設備為 CSS-44100型電子萬能實驗機，拉伸速度為1 mm/min。在同一狀態下測試3根試樣，取平均值。

圖1 充型距離測試片與力學性能試棒Fig.1 Filling distance test piece and mechanical property test rod

2 結果與分析

2.1 真空度與鑄型溫度對 ZL114A合金充型距離的影響

在鑄型溫度為 300 ℃，澆注溫度為 720 ℃條件下，不同真空度對ZL114A合金充型距離的影響如圖2所示。提高充型真空度，可顯著提升ZL114A合金的充型距離。當真空度從重力狀態（0 MPa）提高至?0.08 MPa時，1.5 mm薄片的充型距離從30 mm提升至100 mm，3.0 mm薄片的充型距離從42 mm提升至 210 mm，薄片厚度為 5.0 mm時，當真空度為?0.06 MPa時，充型距離即可達到210 mm。

圖2 真空度對ZL114A合金充型距離的影響Fig.2 Effect of vacuum on the filling distance of ZL114A alloy

在真空度為?0.04 MPa，澆注溫度為720 ℃條件下，石膏鑄型的溫度對ZL114A合金充型距離的影響如圖3所示。提高鑄型溫度，可提高ZL114A合金的充型距離。當鑄型溫度從260 ℃提高至340 ℃，1.5 mm薄片的充型距離從40 mm提升至80 mm，3.0 mm薄片的充型距離從95 mm提升至175 mm，5.0 mm薄片的充型距離從165 mm提升至210 mm。

圖3 鑄型溫度對ZL114A合金充型距離的影響Fig.3 Effect of mold temperature on the filling distance of ZL114A alloy

石膏鑄型保溫性能好，適用于澆注薄壁構件，但石膏鑄型透氣性較差，在重力條件下，型腔氣體反壓力較大，薄壁部位充型困難，澆不足缺陷嚴重。在高真空條件下，一方面石膏鑄型型腔氣體大幅減少，可顯著降低合金熔體充型過程中遇到的反壓力，另一方面可減少充型前端熔體的氧化，在較高的鑄型溫度條件下，大幅降低固相分數，延長合金液的保持時間，增強合金熔體的充型能力[12—13]。

2.2 凝固壓力對 ZL114A合金顯微組織和力學性能的影響

在鑄型溫度為300 ℃、澆注溫度為720 ℃，充型真空度為?0.06 MPa條件下，不同凝固壓力對ZL114A合金的力學性能的影響如圖4所示，在重力條件下，ZL114A試棒經 T5熱處理后的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為293 MPa，240 MPa和2.0%。提高凝固壓力至0.4 MPa，抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為320 MPa，237 MPa和3.5%，繼續提高凝固壓力至 0.8 MPa，抗拉強度、屈服強度提高至338 MPa，278 MPa，斷后伸長率無明顯提高?？梢姡岣吣虊毫Γ娠@著提升ZL114A合金的力學性能。

不同凝固壓力條件下ZL114A合金，經T6處理后的金相顯微組織如圖5所示。在重力條件下凝固（凝固壓力0 MPa），晶粒粗大，析出的第二相組織粗大。當凝固壓力提高至0.4 MPa，晶粒明顯細化，第二相彌散分布。凝固壓力增加至0.8 MPa時，晶粒獲得進一步細化，第二相彌散均勻分布，細晶強化和第二相強化效果明顯。

圖5 凝固壓力對ZL114A金相組織的影響Fig.5 Effect of solidification pressure on the metallographic structures of ZL114A

不同凝固壓力條件下 ZL114A合金的斷口 SEM形貌如圖6所示。在重力條件下凝固，熔體凝固時間長，大氣壓條件下補縮能力不足，斷口組織粗大，局部有明顯的顯微疏松缺陷。在壓力條件下凝固，斷口上存在大量韌窩，斷裂方式為韌性斷裂。根據疏松形成判據：

圖6 不同凝固壓力下ZL114A合金拉伸斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of ZL114A alloy tensile fracture under different solidification pressures

式中：Gsc為臨界固相率的溫度梯度；Rsc為臨界固相率的冷卻速度；Psc為臨界固相率的壓力；Kc為判據數。在較高壓力下凝固，可驅使處于液固兩相區中的金屬液進入固相骨架間隙內進行補縮，可抑制針孔缺陷、阻止縮松缺陷。壓力越高，凝固組織越致密，力學性能越高[14—16]。

3 結論

1）提高真空度和石膏鑄型溫度，ZL114A合金的充型能力明顯增強。真空度從重力狀態（0 MPa）提高至?0.08 MPa，3.0 mm的薄片的充型距離從42 mm提升至210 mm。在真空條件下，鑄型溫度從260 ℃提高至340 ℃，3.0 mm薄片的充型距離從95 mm提升至175 mm。

2）提高凝固壓力，可顯著提升 ZL114A合金單鑄試棒的力學性能。凝固壓力從重力條件下提升至0.8 MPa，抗拉強度從293 MPa提升至338 MPa，斷后伸長率從2.0%提升至4.0%。

3）壓力條件下凝固，可顯著增強 ZL114A熔體的補縮能力，晶粒被明顯細化，疏松缺陷被抑制。