新型壓鑄澆道設計對預結晶組織和孔隙率的影響

焦祥祎， 王鵬越， 劉亦賢， 石利軍， 王成剛， 熊守美

（1.東北大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110819； 2.東北大學 遼寧省輕量化用關鍵金屬結構材料重點實驗室， 沈陽 110819； 3.一汽鑄造有限公司， 長春 130000； 4.清華大學 材料學院， 北京 100084）

目前，一體化車身成形技術可極大程度地降低汽車生產成本，而車身選材是限制一體化車身技術的關鍵難題.因此，研發一體化免熱處理車身材料成為近年來壓鑄行業的熱點話題.亞共晶Al-10%Si（質量分數，%）合金由于密度小（約為鋼的1／3）、成形性好和比強度高，被廣泛應用于汽車零部件上［1-5］.此外，Al-10%Si 合金兩相凝固區間窄，故該類型鋁硅合金流動性能好，不易產生凝固收縮類缺陷，能使汽車結構部件具有良好的力學性能.Zhang 等［6］發現，Al-10%Si-1.2%Cu-0.7%Mn具有優異的拉伸性能，其屈服強度為206 MPa，抗拉強度為331 MPa，伸長率為10%.

高壓鑄造（HPDC）是生產復雜薄壁部件最常用的方法之一［7-8］，其生產效率高，適用性能好.然而，在壓鑄過程中，高速填充和快速凝固會導致鑄件內部形成特定的微觀結構.其中，預結晶組織（ESC）［9-10］通常在低速階段沿著壓室壁形成，并且隨著沖頭的運動不斷長大，最終隨熔體充填鑄型而保留在鑄件中.同時，鑄件內部也會出現典型的缺陷帶組織［11-13］.此外，鑄件中還存在大量氣孔和縮松，分別由卷氣和凝固收縮引起［14］，這些均會對鑄件的力學性能產生較大的危害.而對澆道進行設計可以調控液流的速度和方向，達到調控壓鑄件組織和缺陷的目的.因此，本研究中通過設計彎折流道并增加ESC 收集塊來調控液流速度，以期實現ESC的均勻分布，降低鑄件整體的孔隙率.

1 實驗方案

1.1 合金成分

本實驗中采用亞共晶AlSi10MnMg 合金，其成分如表1 所列.使用的鑄錠無氧化夾雜等重大缺陷，質量均合格.

表1 AlSi10MnMg 合金化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the hypoeutectic AlSi10MnMg alloy （mass fraction） %

1.2 壓鑄條件

圖1（a）為新設計的壓鑄鑄件圖.該壓鑄件從左到右依次包含一個標準的拉伸試棒、拉伸試片、熱裂鑲塊、階梯鑲塊和階梯上方的流動鑲塊，它不僅可以測試合金的標準力學性能，還可以測試合金的抗熱裂能力和流動性.圖1（b）和（c）分別顯示了兩種澆道鑲塊：一種是傳統澆道；另一種是改進后的澆道.圖1（d）和（e）分別為圖1（b）和（c）澆道中的直澆道部分：一種是傳統的直澆道；另一種為改進的彎折直澆道.其中，有關彎折澆道角度和截面積的設計見文獻［15］，這樣設計的目的是實現ESC 的破碎與收集.本實驗中使用標準試棒進行微觀組織和孔隙率的研究.

圖1 壓鑄件試棒圖Fig.1 The configuration of die casting

本實驗中采用TOYO BD-350V5 壓鑄機，在真空方面配套VCSU-15 真空設備.將AlSi10MnMg合金鑄錠添加到熔煉爐中，加熱到700 ～720 ℃溫度區間.熔化后，保溫一段時間再進行除氣扒渣，降溫至680 ℃開始壓鑄實驗.表2 列出了本次壓鑄實驗采用的3 種工藝參數.為了防止沖頭運動前端受澆料口的影響，設置了多級低速速度，當沖頭行程在80～270 mm 的位置時，真空壓鑄工藝和高真空壓鑄工藝的低速速度分別設置為0.15 m／s和0.05 m／s.同時，為了檢驗改進直澆道對ESC 破碎彌散的效果，本實驗中采用較低的高速速度1.5 m／s.

表2 壓鑄工藝Table 2 The key HPDC process parameters

圖2（a）為真空壓鑄和高真空壓鑄沖頭運動行程對比圖.從圖中可以看出，在多級低速下，真空壓鑄沖頭運動時間為1.83 s，高真空壓鑄沖頭運動時間為3.92 s，二者相差2.09 s.這個差別為高真空壓鑄提供了更多抽真空的時間，但液體在壓室中停留時間的增加會導致ESC 含量的增大.圖2（b）為真空壓鑄和高真空壓鑄有效真空度與有效真空時間的對比圖.有效真空度是指金屬液充型前型腔的真空度，其為真空壓力與壓鑄機油缸壓力的交點.由圖可知：真空壓鑄的有效真空度為25 kPa，有效真空時間為0.7 s；而高真空壓鑄的有效真空度為9.5 kPa，有效真空時間高達1.9 s，真空效果極佳.綜上可知，第3 種工藝彎折澆道高真空壓鑄可達到保持高真空且破碎彌散ESC 的目的.

1.3 組織性能分析

為觀察鑄件中孔隙率，采用納米電子計算機斷層掃描進行無損檢測壓鑄件中的孔隙率，并還原孔洞的三維形貌.實驗中采用的工作電壓和電流分別設置為100 kV 和110 μA，分辨率設置為3 μm.先使用標號200＃～3000＃水砂紙對選取的壓鑄試棒進行研磨，然后使用顆粒大小為2.5 ～0.1 μm的金剛石研磨膏進行機械拋光，經超聲去垢處理后用于金相（OM）觀察.另外，使用Avizo軟件進行ESC 和孔隙率的統計，同時孔洞的三維形貌也通過Avizo 軟件呈現出來.

2 實驗結果與討論

2.1 壓室預結晶組織差異

圖3 為3 種壓鑄工藝下試棒圓截面及沿直徑方向放大的組織圖.從圖3（a）和（b）中可以看出，在真空和高真空的工藝下組織中均有一定量的孔洞分布，表層還存在超過100 μm 的皮膚層［見圖3（d）和（e）］.而在彎折流道高真空壓鑄工藝下，試棒截面上并沒有觀察到大尺寸孔洞，表層也未發現皮膚層［見圖3（c）和（f）］.

圖3 三種壓鑄工藝組織圖Fig.3 Microstructure of three die casting processes

表3 列出了3 種壓鑄工藝下ESC 的面積分數、當量直徑和數量對比.在真空壓鑄下，由于低速速度相對較高，ESC 面積分數較低（4.86%）.而在高真空壓鑄工藝下，由于低速速度相對較低，ESC 的面積分數較高（11.06%）.當添加彎折澆道后，ESC 的面積分數為10.73%，與高真空壓鑄工藝相比，ESC 的面積分數并沒有出現大幅度下降.從3 種工藝的ESC 平均當量直徑和數量來看：真空壓鑄工藝下ESC 尺寸最小、數量最少；高真空壓鑄工藝下ESC 平均當量直徑最大（25.1 μm）；當添加彎折澆道后，ESC 的平均當量直徑降低到了23.8 μm，減少了5.18%.此外，在高真空壓鑄工藝下，添加彎折流道后，ESC 數量由509 個增至586 個，增加了15.13%.

表3 3 種壓鑄工藝下的ESC 對比Table 3 Difference of ESC under three die casting processes

圖4 為3 種工藝下ESC 面積分數沿徑向分布圖.從圖中可以看出，真空壓鑄工藝下的ESC 含量遠低于高真空壓鑄工藝下的ESC 含量.在高真空狀態下，ESC 主要富集于鑄件的心部，在心部形成ESC 枝晶網絡.在添加彎折流道后，ESC 的含量雖然降低程度小，但其沿直徑方向分布得非常均勻，未出現大尺寸的ESC 枝晶網絡聚集現象.

圖4 3 種工藝下ESC 面積分數沿徑向分布圖Fig.4 ESC area fraction along the diameter direction under three die casting processes

2.2 孔隙率差異

圖5 為3 種壓鑄工藝下孔洞分布圖.從圖5（a）～（c）中可以看出，在真空壓鑄和高真空壓鑄工藝下，試棒切片心部位置存在大尺寸孔洞，而在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，切片中并未發現大尺寸孔洞.從圖5（d）～（f）中可看出：在真空壓鑄和高真空壓鑄工藝下，大尺寸孔洞貫穿于試棒整個心部位置；而在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，試棒心部孔隙率急劇減小，孔洞的尺寸也較小.表4 列出了3 種壓鑄工藝下孔洞特征的對比情況.從表中可以發現：在真空壓鑄和高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率高，孔洞的平均當量直徑大，大尺寸孔洞數量多；在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率從0.073%降低至0.006%，孔洞的平均尺寸也由35.5 μm 降到了25.5 μm，超過100 μm 大尺寸孔洞的數量也由15 降至0.因此，在壓鑄過程中，高真空工藝下添加彎折流道能夠有效降低鑄件中的孔隙率，提高鑄件的質量.

圖5 3 種壓鑄工藝孔洞分布圖Fig.5 Porosity distribution of three die casting processes

表4 3 種壓鑄工藝下孔洞特征對比Table 4 Difference of porosity under three die casting processes

結合表3 和圖4 可以發現，在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，ESC 面積分數所受的影響不大，但能夠使ESC 從表層到心部分布得更加均勻，進而增大枝晶間的補縮效果，并且在高真空狀態下，孔隙率大幅降低（見圖5 和表4）.出現這些現象的原因是彎折澆道可以改變熔體運動軌跡，調控熔體運動速度，使得液流速度在澆道截面積變化的位置上出現驟增或驟減.這樣ESC 在充型過程中會受到較大的剪切力，一方面可達到破碎ESC 的目的，另一方面還可以使ESC 分布均勻.對于高真空壓鑄試棒，由于真空度高，合金中的氣孔含量會大幅度降低，然而，熔體在壓室中停留時間的增長會導致大量的枝晶狀ESC 出現.在之前的研究中發現［10］，ESC 會在鑄件心部富集而形成大尺寸枝晶網絡.由于熔體在枝晶網絡界面處難以補縮，會引起大尺寸網狀縮松的形成，這就成為了鑄件斷裂的裂紋源.而彎折澆道可以減小ESC 尺寸，降低ESC 枝晶網絡占比，從而改善枝晶間的補縮效果，消除大尺寸網狀縮松.

3 結 論

（1）設計彎折澆道來輔助高真空壓鑄工藝，可使鑄件中ESC 發生破碎并沿徑向分布均勻，這有效降低了鑄件中的孔隙率，消除了大尺寸孔洞，在很大程度上提高了鑄件的質量.

（2）彎折澆道促進了鑄件中ESC 的均勻分布，而均勻分布的ESC 能夠大幅度降低孔隙率，使孔隙率從0.073%降低到0.006%，大尺寸孔洞被消除.