鋁合金壓鑄件斷裂行爲及免熱處理鋁合金開發

原標題：東北大學&一汽集團：壓鑄AlSi10MnMg合金斷裂行爲及免熱處理合金開發

隨着能源和環境問題的日益突出，減少碳排放已然成爲各國緩解資源短缺和環境污染問題的重要措施。在汽車生產制造領域，爲降低燃油消耗，減少碳排放，發展輕量化的新能源汽車已經成爲汽車行業的發展趨勢。其中，在保證汽車安全性的前提下，實現汽車減重和低成本制造成爲了汽車生產商發展目標。汽車減重的方式主要有優化車身結構和發展輕合金材料。在車身優化方面，唐淳等通過有限元仿真模擬，實現了對汽車輪轂的優化，減重0.97kg。在車身選材方面，鋁合金由於密度小、比強度高、成本低廉，成爲汽車輕量化最理想的選材之一。目前，鋁合金材料可以用於生產減震塔、輪轂、方向盤、儀表盤、發動機缸體和防撞樑等車用零部件，常見的亞共晶Al-Si合金有A356、A380、ADC12、Silafont-36、Castasil-37和Silafont-38等，其中Silafont-36（又稱AlSi10MnMg）合金在壓鑄汽車部件上應用較爲廣泛，其不僅性價比高（無貴重元素添加），鑄造性能好，而且熱處理後的力學性能優異。在低成本制造方面，特斯拉提出了一體化車身設計，實現了幾十或上百個車用部件一體化成形，提高效率的同時，也極大降低了因鉚接和焊接帶來的高昂成本。

高壓鑄造（HPDC）作爲一種生產效率極高的近淨成形工藝，因其生產的汽車零部件尺寸精度高，表面粗糙度低，廣泛地應用於車用零部件的生產制造過程中。然而，在壓鑄過程中，由於壓室中低速推進，型腔中高速充型和高壓凝固的特點，使得壓鑄件中存在異質組織結構，表現爲不規則的皮膚層、大尺度的缺陷帶、粗大的預結晶組織（ESCs）、大尺寸的氣孔和縮鬆等。研究者通過仿真模擬手段，模擬了液流高速充型過程，發現壓鑄件中的孔洞無法消除。通過壓鑄充型數值模擬計算了充型過程缺陷形成和演變行爲，發現ESCs的中心分布和環形分布導致了缺陷帶的產生。真空壓鑄技術的發展極大地降低了壓鑄產品中的孔隙率，提高了鑄件質量。研究發現，通過添加真空裝置後，壓鑄件中的孔隙率由原來的8.5%降至3.7%。研究了型腔中的真空度與孔隙率的關系，認爲低的型腔真空度能夠有效降低孔洞含量。本課題組近年來通過不斷提升高真空壓鑄技術（雙真空機協同抽真空），優化壓鑄參數（多級低速），改進模具結構（澆道、分流錐的結構優化），建立了高真空壓鑄體系，能夠保證壓鑄過程中型腔真空度低於10kPa，爲壓鑄件提供強有力的工藝保障。然而，在壓室中形成的粗大預結晶初生α-Al相（ESCs-αI）在壓鑄件中能夠引起大尺寸縮鬆，降低力學性能。還有研究者通過原位拉伸試驗，發現ESCs晶界上易產生較大尺寸縮鬆，其往往充當裂紋源加速鑄件失效。另外，Fe作爲鋁合金中的雜質元素，極易在熔煉過程中引入，去除難度較大。在壓鑄中，Fe能夠促進脫模，有利於延長模具壽命，降低模具生產成本，但壓鑄過程中壓室中形成的初生富Fe相（ESCs-IMCI）脆性較大，危害力學性能。本研究的重點是探討預結晶組織在AlSi10MnMg合金斷裂過程中的作用，在此基礎上，通過微合金化的方式細化ESCs-αI並優化ESCs-IMCI，開發新型免熱處理壓鑄合金並實現其在減震塔零部件上的試制，旨在爲其應用提供參考。

圖文結果

採用商用的AlSi10MnMg合金，其成分見表1。鑄錠成分在標準AlSi10MnMg合金成分範圍內，無氧化夾雜等重大缺陷，質量合格。同時，自主設計的新型THAS-1合金理想成分區間見表2。在AlSi10MnMg合金基礎上，適當降低Si含量和Mn含量，並去除Mg，同時增加Zr和V來優化合金組織。採用的模具爲三棒一片模具，參照文獻，採用TOYO BD-350V5臥式冷室壓鑄機，配有高真空裝置。將金屬鑄錠添加到熔煉爐中，並進一步快速加熱至700~720℃溫度區間以防止合金元素產生偏析。熔化後保溫30min，然後通入氬氣並進行持續攪拌30min。完成後，熔體冷卻到680℃靜置30min，隨後進行扒渣。壓鑄採用的工藝參數：澆注溫度爲680℃，初始模具溫度爲120℃，低速速度爲0.05~0.4m/s，高速速度爲1~3m/s。車用減震塔結構件及取樣位置見圖1，該壓鑄試驗採用富來28000kN高真空壓鑄機，壓鑄工藝根據壓鑄機參數制定。

表1 AlSi10MnMg合金的化學成分（%）

表2 THAS-1合金的化學成分（%）

圖1 減震塔結構及取樣位置圖

圖2 壓鑄AlSi10MnMg合金的顯微組織

在圖2a中，異常粗大的ESCs-αI具有較高的枝晶化程度，而細小的αI-Al以花瓣狀形貌存在，圖中暗黑色區域爲共晶組織。ESCs-αI和αI-Al都屬於初生α-Al相，但ESCs-αI形核於壓室，並在衝頭推進過程中快速生長，隨着高速液體快速充型，凝固結束後保留在鑄件中，其中，部分ESCs-αI在高速液流作用下會發生破碎、重熔，其形狀變成球狀或杆狀。αI-Al在液相充填型腔快速凝固條件下形核析出，高冷速限制了其進一步生長，因此，尺寸較小，約爲5μm。在圖2b中，兩種初生富Fe相［ESC-IMCI和（P-IMC）II］呈規則的多面體形貌，但二者尺寸相差懸殊。與初生α-Al相類似，兩種初生富Fe相形核位置也存在差異。ESC-IMCI在壓室中形核長大，而（P-IMC）II在型腔中快速形核析出。

圖3 AlSi10MnMg合金斷口及主裂紋附近組織

圖4 免熱處理THAS-1合金的組織

圖5 兩種合金減震塔不同位置的力學性能

圖6 壓鑄THAS-1合金斷口形貌圖

結論

（1）壓鑄AlSi10MnMg合金中壓室預結晶組織包括ESC-αI（初生α-Al相）和ESC-IMCI（初生富Fe相）。相較於型腔初生α-Al相（αI-Al）和初生富Fe相［（P-IMC）II］，壓室預結晶組織尺寸大且ESC-αI的枝晶化程度高，其富集在一起，形成枝晶網絡，凝固過程中極易造成剩餘液相補縮困難，形成大尺寸縮鬆，促進沿晶斷裂裂紋擴展，降低性能。粗大的ESCs-IMCI與周圍基體變形協調性差，易引起應力集中，促進裂紋擴展。

（2）基於調控壓室預結晶組織，開發了新型免熱處理THAS-1合金。相較於AlSi10MnMg合金，壓鑄THAS-1合金中的ESCs-αI圓整化程度較高，ESCs-IMCI的球化趨勢較爲明顯，強度和伸長率較熱處理態AlSi10MnMg合金性能高，THAS-1合金斷口存在大量的韌窩，綜合力學性能優異。

作者焦祥禕東北大學材料科學與工程學院張煒 王鵬越 石利軍 王成剛 佟國棟中國一汽集團劉亦賢 熊守美清華大學材料學院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴