压铸A380合金力学性能及热处理工艺性能研究

美压铸协会(NADCA)2006年发表的压铸市场报告中显示。汽车行业是压铸技术应用的主要领域，占到了整个压铸行业的77％。研究表明．车重每降低 100 kg，油耗可减少0．7 U100 kmrn。由此可见，铝合金 压铸在汽车轻量化领域有广泛的应用前景。A380合金 是亚共晶A1．Si类合金，自20世纪70年代问世以来，因 其具有良好的铸造性能、力学性能、耐蚀性及低的膨 胀系数而备受材料工作者的青睐，得到了广泛的应用， 例如汽车发动机铝合金缸体压铸、汽车摩托车铝合金 轮毂压铸等131。在压铸过程中，压铸工艺对压铸件的性 能有较大的影响，同时，由于压铸件中气体缺陷的存 在，在热处理过程中受热膨胀，使铸件产生起泡和变 形。导致压铸件一般不能通过热处理强化。

本文以压铸铝合金A380为研究对象，采用标准压 铸试验模具，研究了工艺参数对压铸件力学性能的影 响，改进压铸工艺(减速工艺)可以提高压铸件力学 性能；对压铸件进行热处理试验创新，探讨了压铸 A380合金的热处理工艺。

试验设计与性能测定

1．1压铸试验设计 试验材料为A380铝合金，化学成分如表l所示。

压铸试样参照标准没计，压铸试样如图1所示，力学性能检 测采用标准压铸圆形力学性能试棒(图中的3号试样)，试棒尺寸如图2所示。压铸设备为TOYO BD．650-V4-N型 650 t卧式冷室压铸机。冲头直径100 mm．压室面积 7 850 mm2。压铸时的基准压铸工艺参数：浇注温度 680℃，模具温度150℃，铸造压力66．7 MPa，低速速 度0．1 m／s。高速速度1．0 m／s，料饼厚度25 ida]，充满度 24％，起高速位置270 mm。试验过程中考虑铸造压力、 高速速度、低速速度及低速阶段减速工艺等参数对力 学性能的影响，具体压铸工艺试验设计如表2所示。 每种试验条件在达到热平衡后生产Io组试样，采 用圆形试棒测试密度及力学性能，并取其中5个试样进 行测试取平均值，采用剩余5个试样进行热处理，并测 试力学性能取平均值。

1．2热处理试验

热处理加热炉采用Nabertherm自动控制炉。热处 理工艺见本文第4章。

1．3密度测定

密度采用阿基米德法、参照GB／T 1423--1996进行 测量；质量用电子天平测量．精度1 mg；测量温度 15-20℃。

1．4力学性能奠定 

采用图2所示的压铸圆棒试样进行力学性能测试， 试样直接压铸而成，试验在WDW3020电子万能试验机 上进行．横梁移动速率为1．0ram／rain。

2、压铸工艺参数对铸件密度的影响

在压力铸造过程中，孔洞类缺陷是最主要缺陷之 一，它使铸件力学性能下降。气孔率及气孔分布是评 价压铸件质量的重要指标，通常用压铸件整体密度来 衡量其致密度H。压铸工艺参数对铸件的密度有较大影 响，图3为试验得到的圆棒试样在不同压铸工艺条件下 铸件的密度。

从图3可以明显看出，铸造压力增加，试样密度明 显增大．在67 MPa时的密度最高。一方面随铸造压力 增大，可以使铸件卷入性气孔尺寸减小．同时，也可 以减小铸件中的缩松。

研究表明，充型过程中随着高速速度的增加，充型 时获得的充填压力开始大幅度提高，随后增加缓慢m。

图3可以看出．随高速速度增加，密度增加，当高速速 度达到3．0 m／s以上时，密度变化不大。

压铸过程中低速速度的选择，既要防止压室的卷 气，又要防止温度下降过多。作者前期研究工作表明： 压铸低速压射阶段存在临界低速速度，避免压室内气 体卷入M．同时，当压室充满时，为避免液态金属在 流道系统中的卷气。需采用减速工艺充填流道。根据 计算，当前试验条件下，低速临界速度为0．91 m／s。由 于设备原因．未能达到0．91 m／s的l临界速度．因此试验 条件下的最高低速速度为0．8 m／s，图3中圆点表示低速 速度0．8 m／s时减速工艺条件下测定的密度。从图3可以 看出，低速速度对试样密度的影响较大，同时，采用 减速工艺时的密度均高于一般压铸工艺0．8 1Tl，s时铸件 的密度，表明减速工艺对于压铸是有效的。当减速位 置为233 mm时。试样密度最高。

综合分析压铸工艺对压铸件密度的影响．图3可以 看出，铸造压力对密度影响最大．压力一定时，低速速 度变化对密度的影响大于高速速度变化对密度的影响。

3、工艺参数对力学性能的影响

3．1 匀速工艺条件下的力学性能

3．1．1抗拉强度和塑性

对于标准圆棒压铸试样进行的拉伸试验，试验结 果如图4、图5和图6所示，分别反映了压铸工艺参数对 抗拉强度、断裂伸长率和屈服强度的影响。

从图4及图5可以看出，试样的抗拉强度高，其断 裂伸长率也高。随铸造压力及高速速度的增加，铸件 的抗拉强度及伸长率增加。低速工艺条件下，除低速 速度为0．1 m／s的条件外，试样强度和塑性均比较高， 强度超过350 IVlPa，明显高于0．1 m／s时的强度，高于标 准320 mPa，同时，塑性也明显提高。

同时，对比图4与图3可以看出，试样的抗拉强度 和密度有着较好的对应关系，密度高，强度也高，张 永忠【4J的试验结果也显示了这样的关系。

3．1．2屈服强度

由于试样屈服强度主要取决于试样的组织及晶粒 尺寸大小，而孔洞缺陷对于屈服强度的影响较小。压 铸工艺参数则主要影响试样内部孔洞的尺寸及分布， 因此随着工艺条件变化，试样的屈服强度变化幅度较 小，在155-160 MPa,之间。

3．2减速工艺条件下的力学性能

图4、图5及图6中圆点所表示的性能是低速速度为 O．8 m／s的减速工艺条件下测得的力学性能。明显看出： 减速位置分别为233 mm、243 mill、253 InlTl时的性能 均高于一般匀速压铸工艺0．8 m／s时铸件的力学性能； 减速位置233 mm时，抗拉强度达365 MPa，屈服强度 为158 MPa，伸长率4．2％，综合力学性能最高，尤其是 抗拉强度和塑性远高于A380参T,准要求。

因此，减速工艺不仅可以避免金属在压室内的卷 气，而且可以减少金属充填流道时的卷气，从而明显 提高压铸件的力学性能，合理的减速距离可以通过计 算和数值模拟予以确定用。

4、热处理工艺性能研究

4．1热处理试验

由于压铸件中大量气孔缺陷的存在，压铸件通常不 能进行热处理。为了研究A380合金压铸件的热处理工 艺，作者首先研究了压铸试样在热处理过程中的起泡现 象。在本试验研究中，我们对A380合金压铸试样分别 在520℃、515℃、510℃、505℃、500℃、495℃、 490℃、485℃等温度进行了固溶处理。研究发现当固 溶温度高于500℃时，起泡和变形现象很严重，甚至导 致铸件报废。而在495℃、490℃及485℃的固溶温度 下，气泡现象随试样质量及固溶处理时间的长短而不 同。S12工艺扁棒(图l中的2号试样)在485"(2118 min／ 水冷热处理条件下不起泡，而485'12／37 mill／水冷热处 理条件下出现大量气泡，同时测得的力学性能明显下 降。因此，温度和时间的控制在A380合金压铸件的热 处理过程中极为重要。

基于上述研究，作者提出采用通过短时固溶处理+ 时效处理的热处理工艺方案进乎亍A380合金压铸件的热处 理工艺。通过对扁试样和圆棒试样的热处理结果表明，热处理后的试样抗拉强度得到大幅度提高，如图7所示。 扁试样(减速T艺S15)+490 4C／21 min／；K冷+／170"C／6tI／ 空冷，强度接近到370MPa；圆棒试样(减速工艺S14) +固溶时效处理(495。C／20 min／水冷+170。C／6 ll／空冷)， 抗拉强度可达410MPa

根据大量试验，我们设计了短时固溶处理+低温长时 间时效处理工艺，可以避免铸件的起泡现象，同时， A380压铸试样综合力学性能得到大幅度提高。图8显示了 S15工艺下圆棒试样热处理(485℃／25 min+90℃／14 11) 后的力学性能，屈服强度达205 MPa，抗拉强度接近 394 MPa，伸长率可达7．8％，值得一提的是塑性指标 大幅度提高

4．2热处理结果分析

A380铝合金Si、Cu含量高．同时还有较高的Fe、 Mn、Mg等元素，尤其在高压作用下，原子扩散受到限 制，使得压铸件组织极为复杂。通过金相分析和相图分 析，可能的组织：初晶“．AI+初si+(AI+si)+(Si+Mn．Fe)+ A12Cu+(a+Si+A12Cu)+(A12Cu+AIsMgsSi2Cu)等，其中 主要组织为初晶q“l、共晶si、含Fe相等。

由于压铸条件下铸件冷却速度较高，使压铸铝合 金中Ot固溶体中的Cu、Mn等元素呈过饱和状态；同时 由于在压力下结晶，引起晶格缺陷局部聚集和微观物 理不均匀性．导致过剩的空位浓度增加和位错增加I{I。 因此，压铸件高温短时处理时，增加了原子扩散速度， 使得固溶处理之后，可以达到一定的固溶效果，从而 通过进一步时效处理后可以起到明显的强化作用。

5、结论

(1)随铸造压力及高速速度的增加，压铸A380合 金的密度、抗拉强度及伸长率增加；低速速度对铸件 的密度、抗拉强度及伸长率有较大影响，铸造压力一 定时，低速速度变化对铸件力学性能的影响大于高速 速度变化对铸件力学性能的影响。工艺参数对压铸 A380合金的屈服强度影响较小。

(2)通过优化压铸过程中的低速压铸工艺，可以 明显提高压铸件的密度和力学性能。试验条件下，通 过采用接近临界速度的低速工艺及减速工艺，压铸态 试样的抗拉强度达到365 MPa，屈服强度158 IⅥIP8，伸 长率4．2％。

(3)开发了A380合金压铸件的短时固溶处理+时效 处理的热处理工艺，经过热处理后，合金具有很高的 综合力学性能。经过优化热处理工艺后，标准压铸圆 棒试样热处理后的屈服强度达205 MPa，抗拉强度接近 394 MPa，伸长率可达7．8％。

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