超低速壓鑄慢壓射速度下ADC12鋁合金的顯微組織和性能

1、第41卷第3期 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 V ol.41 No.3 2010年6月 Journal of Central South University (Science and Technology Jun. 2010超低速壓鑄慢壓射速度下ADC12鋁合金的顯微組織和性能紀(jì)蓮清1，郭長(zhǎng)江1，熊守美2, Masayuki Murakami3, Yoshihide Matsumoto3, Shingo Ikeda3, 劉坤1(1. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州，450002；2. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京，100084；3. 日本東洋機(jī)械金屬株式會(huì)社，兵庫(kù)縣明石市，674-009

2、1摘 要：采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X 線衍射和能譜等顯微分析技術(shù), 結(jié)合力學(xué)性能檢測(cè), 研究超低速壓鑄條件下慢壓射速度對(duì)ADC12鋁合金鑄件顯微組織及力學(xué)性能的影響，以優(yōu)化超低速壓鑄工藝及其參數(shù)。通過對(duì)相同高速起速位置、不同低速速度及不同起速位置、相同低速速度2種超低速工藝得到的鑄件比較發(fā)現(xiàn)：在超低速壓鑄工藝下，慢壓射速度對(duì)鑄件密度的影響不明顯；當(dāng)起速位置相同時(shí)，隨著低速速度的增大，鑄件的(Al枝晶越來(lái)越粗大，其性能降低；在相同低速速度、不同高速起速位置時(shí)，起速位置有最佳值，當(dāng)鑄件性能在高速起速位置為260 mm時(shí)，(Al枝晶較細(xì)小，其性能也較好。關(guān)鍵詞：ADC12鋁合金；壓鑄；慢壓射速度；

3、超低速；顯微組織；力學(xué)性能中圖分類號(hào)：TG249.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16727207(201003097705Microstructure and mechanical properties of ADC12 aluminum alloy under super slow speed die castings with low shot speedJI Lian-qing1, GUO Chang-jiang1, XIONG Shou-mei2, Masayuki Murakami3,Yoshihide Matsumoto3, Shingo Ikeda3, LIU Kun1(1. C

4、ollege of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002, China;2. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3. TOYO Machinery & Metal Co. Ltd., Hyogo 674-0091, JapanAbstract: Influences of low shot speed unde

5、r die casting process of super slow speed(SSS on microstructure and mechanical properties of ADC12 aluminum alloy were investigated in order to optimize SSS die casting process and parameters. Optical microscope, scanning electron microscope, X-ray diffractrometry and energy spectrum were taken to m

6、easure the microstructure and mechanical properties of this material. Compared with die castings under both producing conditions of different low-shot speeds at the same start position of high-speed injection stage and different start positions of high-speed injection stage at the same low-shot spee

7、d, the effect of low shot speed on casting density in the die casting process of the super slow speed is not obvious. With the increase of low-shot speed, (Al branches of this castings becomes larger and larger and its mechanical properties decrease at the same start position of high-speed injection

8、 stage. The optimized value of the start position of high-speed injection stage exists at the same low speed, and (Al branches are very small and the properties of castings are better at the start position of 260 mm.Key words: ADC12 aluminum alloy; die casting; low shoot speed; super slow speed(SSS;

9、 microstructure; mechanical properties收稿日期：20090611；修回日期：20090804 基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(082102240041通信作者：紀(jì)蓮清(1966 ，女，河南淇縣人，教授，從事材料成形及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；電話E-mail: jilq中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第41卷978孔洞類缺陷是壓鑄中公認(rèn)的主要缺陷之一，鋁合金中金屬液流動(dòng)過程的卷氣和凝固過程的收縮是產(chǎn)生孔洞類型缺陷的主要原因12，不僅使鑄件不宜在高溫條件下工作，而且極大降低了壓鑄件的熱處理性能和機(jī)加工性能，限制了壓鑄件的使用。因此，減少壓室及型腔中氣

10、體含量并采用合適的壓射速度，從而減少壓鑄時(shí)卷氣十分必要。壓鑄時(shí)，壓室的工作狀態(tài)大致可以分為澆料、慢壓射、快壓射、增壓及保壓5個(gè)階段。對(duì)于壓室的整個(gè)充填流程來(lái)說(shuō)，壓室內(nèi)的慢壓射過程是生產(chǎn)的第一個(gè)流程，也是經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)的流程，金屬液在慢壓射時(shí)的速度變化會(huì)影響其流動(dòng)形態(tài)，從而直接影響到其在澆道、澆口及型腔中的流動(dòng)，進(jìn)而影響到鑄件中卷入的氣體含量。采用合理的慢壓射速度既可獲得卷氣少致密度高的鑄件，也可保證一定的生產(chǎn)效率。 超低速(Super slow speed, 簡(jiǎn)稱SSS 壓鑄正是利用比慢壓射速度還要低的快壓射速度，將液態(tài)金屬在高壓(幾十MPa 至120 MPa作用下以層流方式填充壓鑄模型腔，并在

11、壓力下快速凝固而獲得氣體含量很低的壓鑄件的一種工藝方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少研究者開展了真空壓鑄、加氧壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)壓鑄等特種壓鑄技術(shù)研究，并對(duì)一般壓鑄時(shí)加壓開始時(shí)間、加壓壓力、速度等對(duì)鑄件密度變化的影響進(jìn)行了大量的研究37， 但對(duì)超低速壓鑄的研究還較少。日本是較早開展超低速壓鑄工藝研究的國(guó)家之一，且已將研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)，但發(fā)表這方面的研究成果較 少。清華東洋鎂鋁合金成形技術(shù)研究開發(fā)中心近年來(lái)開展了這方面的研究工作，已取得了一定的研究成果810。本文作者在此研究基礎(chǔ)上，以工業(yè)用壓鑄鋁合金ADC12為研究對(duì)象，在設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒金屬模具上進(jìn)行超低速壓鑄試驗(yàn)，從鑄件密度、力學(xué)性能和顯微組

12、織等方面，考察不同慢壓射速度對(duì)鑄件性能的影響。1 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)所選材料為商業(yè)用壓鑄鋁合金JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ADC12，用ICP(等離子體發(fā)射光譜儀 測(cè)得其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為：11.25% Si，3.09% Fe，2.51% Cu，0.21% Mn，0.096% Mg，1.74% Zn，其余為Al 。試樣采用2種不同工藝的慢壓射速度在650T 冷室壓鑄機(jī)(TOYOBD650V4N 上進(jìn)行壓鑄。工藝1：模具溫度為150 ，內(nèi)澆口直徑為24 mm ，高速速度為0.09 m/s(澆口速度0.39 m/s，鑄造壓力為100 MPa，澆注溫度為700 ，溢流槽尺寸(直徑×高 為20 mm&

13、#215;3.0 mm，料柄厚度為40 mm，壓力閥開度為100，除氣時(shí)間為20 min，持壓時(shí)間為10 s；低速離型劑與水的體積比為130；沖頭用低速潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑。工藝2：除增加了起高速位置對(duì)鑄件性能的影響外，其他條件與工藝1的相同。工藝2增加了局部擠壓。澆口側(cè)擠壓時(shí)間為8 s，擠壓延時(shí)3.2 s；溢流側(cè)擠壓時(shí)間為8 s，擠壓延時(shí)2.2 s，測(cè)試試件局部加壓對(duì)鑄件致密性的影響。由于超低速壓鑄時(shí)的高速速度和低速速度都很低，溶液流動(dòng)性不好，在壓鑄時(shí)需要采取一些特殊設(shè)計(jì)來(lái)保證鑄件的質(zhì)量(圖1 。將試樣從澆口處取下，測(cè)量不同試驗(yàn)條件下試樣(圖2 的密度(JT5003型電子天平，精度為±0.0

14、01 g及其力學(xué)性能(CSS2220B 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) ，并在所得壓鑄件上截取并制備金相試樣，在金相顯微鏡(DMM 400C 光學(xué)顯微鏡 及掃描電鏡(LEO1530熱場(chǎng)發(fā)射圖1 壓鑄時(shí)需要采用的特殊設(shè)計(jì) Fig.1 Special design when casting單位：mm圖2 超低速壓鑄件試樣及尺寸Fig.2 Super slow speed die cast test specimen and dimension第3期 紀(jì)蓮清，等：超低速壓鑄慢壓射速度下ADC12鋁合金的顯微組織和性能 979 掃描電鏡 上觀察微觀組織及斷口，用XRD(bruker axs公司的D8 ADVANCE

15、X線衍射儀 和EDS(英國(guó)OXFORD 能譜儀測(cè)定相組成。在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)變速率基本控制在1 mm/min左右，同一工藝條件下測(cè)量35個(gè)試樣，并取平均值，作為最終測(cè)量結(jié)果。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1 慢壓射速度對(duì)鑄件顯微組織的影響圖3所示為工藝1中相同起速位置、不同慢壓射速度時(shí)試樣中部的顯微組織。從圖3可以看出：在其他條件不變的情況下，隨慢壓射速度的增加，(Al枝晶越來(lái)越粗大。圖4所示為工藝2中相同慢壓射速度、不同起速位置時(shí)試樣中部的顯微組織。從圖4可以看出：當(dāng)起速位置為260 mm時(shí)，(Al枝晶較細(xì)小。 速度/(m·s1: (a 0.05; (b 0.2; (c 0.3

16、圖3 不同速度、相同起速位置下試樣心部的顯微組織 Fig.3 Center microstructures of test specimen at differentslow speed on same injecting speed start locations起速位置/mm: (a 250; (b 260; (c 270圖4 相同速度、不同起速位置下試樣心部的顯微組織 Fig.4 Center microstructures of test specimen at same slowspeed on different injecting speed start locations2.2

17、 慢壓射速度對(duì)鑄件密度的影響慢壓射速度對(duì)超低速壓鑄件性能的影響見表1。從表1可見：工藝1中各種速度下鑄件的密度明顯均高于工藝2中各種速度下鑄件的密度；慢壓射速度越大，鑄件的密度越低；恒速和加速下鑄件的密度變化不大。采用工藝2，局部加壓后，在相同速度條件下鑄件的密度也均有明顯提高。超低速壓鑄時(shí)，慢壓射速度很低，壓室中的氣體可以較充分排逸，故其鑄件密度比一般壓鑄時(shí)的要高；但由于合金液溫度較高，雖然慢壓射速度很低，使其在壓室中停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致合金液溫度降低，但在很低的快壓射速度下(0.09 m/s，沖頭施加在合金液上的壓力較小，合金液在型腔中的凝固速度較低，沖頭壓力施加在液態(tài)合金上不能引起鑄件密度

18、有大的提高。隨著慢壓射速度增加，鑄件密度下降，是由于慢中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第41卷980表1 慢壓射速度對(duì)超低速壓鑄件的性能影響Table 1 Effects of slow speed on properties of super slow speed die castings密度/(g·cm3工藝 編號(hào)慢壓射速度/ (m·s1起高速位置/mm未局部擠壓局部擠壓抗拉強(qiáng)度/ MPa屈服強(qiáng)度/ MPa伸長(zhǎng)率/ %0.05 270 2.764 2.764 251.63 135.51 2.02 0.20 270 2.761 2.761 224.92 139.42 1.660

19、.30 270 2.760 2.760 190.84 138.05 1.51 0, 0.30, 0.90 270 2.761 2.761 214.13 143.08 1.29 10.30, 0.30, 0.902702.761 2.761 216.87 137.38 1.740.10 270 2.744 215.18 129.21 1.40 0.43 270 2.745 2.753 220.65 125.21 1.230.53 270 2.745 2.753 213.42 124.62 1.40 0.48 270 2.746 2.754 217.96 135.99 1.76 0.48 260

20、2.747 2.753 241.84 128.24 1.93 20.48 250 2.747 2.753 220.26 127.14 1.53 壓射速度越大，合金液卷氣量越大；但由于慢壓射速度很低，合金液運(yùn)動(dòng)時(shí)卷氣不是很嚴(yán)重，故只要沖頭速度很低，恒速或加速密度變化不大。局部加壓可以減少或消除壁厚處由于最后凝固收縮而產(chǎn)生的縮孔、縮松，故鑄件的密度進(jìn)一步提高。 2.3 慢壓射速度對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響采用工藝1的慢壓射沖頭恒速時(shí)，隨著沖頭速度增加，抗拉強(qiáng)度減小，伸長(zhǎng)率也降低，屈服強(qiáng)度變化不明顯。慢壓射沖頭加速時(shí)，2種加速方式(見表1 的抗拉強(qiáng)度均較低，屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率與恒速相比變化不明顯；工藝2采用

21、恒慢壓射速度，從表1可見：抗拉強(qiáng)度隨著慢壓射速度的變化影響不大，而與起高速位置有關(guān)11。在起高速位置為260 mm時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，此時(shí)伸長(zhǎng)率也最大。工藝2中的屈服強(qiáng)度與工藝1的相比明顯減小，但受慢壓射速度的變化影響不大。 2.4 慢壓射速度對(duì)鑄件斷口形貌的影響2種工藝條件下鑄件的拉伸斷口均為靜拉應(yīng)力造成的混合斷口，有典型的輻射狀棱線形貌，可以據(jù)此找到裂紋源(圖5(a。掃描斷口由多個(gè)解理平臺(tái)組成，很少有韌窩，且斷口上有較多的二次裂紋，呈典型的脆斷特征(圖5(b。3 分析與討論超低速壓鑄時(shí)壓射速度很低，雖然可以保證壓室內(nèi)金屬液平穩(wěn)流動(dòng)卷氣較少，獲得較大的密度，但由(a 宏觀斷口; (b 斷口的SE

22、M 形貌 圖5 超低速下鑄件的斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of super slow speed die castspecimens于速度太低，會(huì)出現(xiàn)壓室內(nèi)金屬液溫度下降的問題，難以保證充填時(shí)良好的流動(dòng)性，甚至出現(xiàn)澆口處金屬液凝固封堵澆口，造成充型不良。故應(yīng)在保證良好的鑄造性能的前提下選擇合適的慢壓射速度。在工藝1第3期 紀(jì)蓮清，等：超低速壓鑄慢壓射速度下ADC12鋁合金的顯微組織和性能 981中，隨著慢壓射速度增加，鑄件性能下降非常明顯，這是由慢壓射速度越大，合金液卷氣越嚴(yán)重造成的，這可以從速度越大密度越低得到證明；沖頭加速時(shí)，這2種加速方式的鑄件性能都較

23、差，說(shuō)明在超低速壓鑄時(shí)，沖頭恒速比加速鑄件的性能要好。在工藝2中，隨著慢壓射速度的增加，性能先有小幅度提高，在慢壓射速度增加到0.43 m/s后達(dá)到最大值，隨后，隨著慢壓射速度的增加，鑄件性能開始下降，但性能總的變化很小，說(shuō)明鑄件的性能主要取決于快壓射、增壓、保壓及模具結(jié)構(gòu)等其他壓鑄工藝參數(shù)，而與慢壓射速度關(guān)系不大12。起高速位置是由慢壓射向快壓射啟動(dòng)的位置，作為低高速的轉(zhuǎn)化位置，決定著高速壓射充型過程中金屬液的流動(dòng)狀態(tài)。起高速位置發(fā)生在壓射較早階段時(shí)，金屬液容易形成嚴(yán)重的翻轉(zhuǎn)造成卷氣；而當(dāng)起高速位置過晚時(shí)，型腔已經(jīng)充填一部分金屬液，高速跟進(jìn)的金屬液可能迅速超過低速的金屬液充填，導(dǎo)致充填速度不

24、一致，造成流痕缺陷，并且由于慢速進(jìn)入的金屬液溫度較低，可能提前凝固封堵澆口，造成充型不良等其他缺陷。合理的起高速位置可以避免上述缺陷發(fā)生，從而使金屬液具有良好的力學(xué)性能。以上分析可知：在低速速度為0.48 m/s、高速速度為0.09 m/s時(shí)，起高速位置為260 mm時(shí)較為合適。4 結(jié)論(1 超低慢壓射壓鑄時(shí)鑄件的含氣量較低，密度較大，但壓室中仍然存在卷氣現(xiàn)象。(2 當(dāng)起速位置相同時(shí)，鑄件的性能隨著低速速度的增大而降低。(3 在相同低速速度、不同高速起速位置時(shí)，起速位置有最佳值，鑄件性能在高速起速位置為260 mm時(shí)較好。(4 為避免出現(xiàn)澆口處金屬液凝固封堵澆口，造成充型不良，應(yīng)在保證良好鑄造

25、性能的前提下選擇合適的慢壓射速度，兼顧充型時(shí)的卷氣對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響和合金的流動(dòng)性對(duì)鑄件鑄造性能的影響。參考文獻(xiàn)：1 Nogowizin B. Wahl der vorlaufbeschleunigung oder dervorlaufgesch windigkeit bei druckgiessmaschinenJ. Giesserei- Praxis, 1994(3: 7073. 2Wohlfahrt H. Einflu der ersten giephase auf dengasgehalt von aluminium druckguteilenJ. Giesserei, 1999,

26、86(5: 7375.3 于彥東, 蔣海燕, 雷黎, 等. 鎂合金壓鑄工藝的數(shù)值模擬J. 中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 37(5: 867873.YU Yan-dong, JIANG Hai-yan, LEI Li, et al. Numerical simulation of die casting process of magnesium alloyJ. Journal of Central South University: Science and Technology, 2006, 37(5: 867873.4 Tannechill J C, Anderson D A, P

27、letcher R H. Computational fluid mechanics and heat transferM. 2nd ed. washington DC: Taylor & Francis, 1997.5 郭洪民, 楊湘杰. 流變壓鑄YL112鋁合金的微觀組織特征J. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2008, 18(3: 400408.GUO Hong-min, YANG Xiang-jie. Microstructures characteristics of YL112 aluminum alloy produced by rheo- diecasting processJ.

28、 The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(3: 400408.6 Garber L W. Filling of the cold chamber during slow-shottravelJ. Die Casting Engineer, 1981, 25(4: 3638. 7Garber L W. Theoretical analysis and experimental observation of air Entrapment during cold chamber fillingJ. Die Casting Engineer

29、, 1982, 26(3: 1422.8紀(jì)蓮清, 熊守美, 村上正幸, 等. 內(nèi)澆口速度和尺寸對(duì)ADC12鋁合金組織及性能的影響J. 特種鑄造及有色合金, 2008, 28(9: 693695.JI Lian-qing, XIONG Shou-mei, Masayuki Murakami, et al. Effects of gate speed and dimension on microstructure and mechanical properties of super slow speed die castings of ADC12 aluminum alloyJ. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2008, 28(9: 693695.9 紀(jì)蓮清, 熊守美, 村上正幸, 等. 澆注