關(guān)于澆注溫度對7075鋁合金連桿壓鑄件缺陷及組織影響研究
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作者：鄭曉敏
鋁合金在壓力鑄造時，由于液態(tài)金屬在高溫、高壓條件下，以極高的速度從壓室中射入鑄型型腔內(nèi)，因此很容易卷入氣體，造成鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷，影響鑄件的品質(zhì)。通過先進的計算機數(shù)值模擬技術(shù)，對充型、凝固過程進行數(shù)值模擬，并觀察金屬液的流動、凝固狀況，可以有效地預(yù)測鑄件缺陷的產(chǎn)生，從而提高鑄件品質(zhì)以及生產(chǎn)效率。利用模擬軟件MAGMAsoft對7075鋁合金連桿壓鑄件進行模擬計算，研究澆注溫度對鑄件缺陷的影響，并通過壓鑄試驗進行驗證。觀察不同澆注溫度下壓鑄件的顯微組織，分析不同澆注溫度下晶粒的形態(tài)、數(shù)量和分布情況。
1 澆注溫度對7075鋁合金連桿壓鑄件缺陷的影響
1.1 MAGMAsoft數(shù)值模擬理論
金屬液在充型過程中，其流動過程遵循物理守恒定律，基本定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。在鑄件充型過程數(shù)值模擬中，將液態(tài)金屬看作不可壓縮流體，其流動過程服從質(zhì)量守恒和動量守恒定律。其數(shù)學(xué)形式是連續(xù)性方程和Navier-Stocks方程（簡稱N-S方程）。
1.2 模擬工藝參數(shù)設(shè)定
圖1為汽車連桿鋁合金壓鑄件三維模型。采用UG軟件完成零件三維模型的建立。
試驗材料采用7075鋁合金，其化學(xué)成分見表1。
模擬軟件為MAGMAsoft，模具材料為CrSMoSi-VI( H13)。澆注溫度取640、650、660、670℃，模具的預(yù)熱溫度為180℃，沖頭直徑為60 mm，壓射行程為100mm，金屬液充填率為70%。壓力為40 M Pa，壓射速度從0. 27 m/s逐步增加到0.81 m/s，設(shè)澆注溫度為初始溫度，環(huán)境溫度為25℃，取鑄件與模具之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1 000 W／（m2．K)，模具與外界環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為25 W／（m2．K)，模具之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為500 W／（m2．K)。
1.3模擬結(jié)果分析與討論
圖2是4種澆注溫度下的鑄件缺陷分布云圖。由模擬結(jié)果可知，隨著澆注溫度升高，鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔的傾向變大。圖3是澆注溫度為670℃、鑄件固相率為50%時，缺陷形成部位的溫度分布云圖�？梢钥闯觯毕菪纬刹课淮嬖谝粋�封閉的圓形區(qū)域，而隨著鑄件凝固，金屬液體積不斷減小，該封閉區(qū)域由于溫降而減小的體積得不到補縮，便形成了圖2d的缺陷。澆注溫度為660℃時，鑄件形成缺陷的原因相同。
圖4是不同澆注溫度下的鑄件在610～620℃易形成缺陷部位的溫度分布云圖，由圖4可知，隨著溫度降低，缺陷部位溫度梯度變大，不易形成缺陷，這也是當澆注溫度降低到640和650℃時缺陷消失的原因。
2 澆注溫度對7075鋁合金連桿壓鑄件宏觀缺陷和微觀組織的影響
2.1 試驗材料及方法
試驗設(shè)備為J1128型臥式冷室壓鑄機。試驗材料為工業(yè)用7075鋁合金，壓鑄工藝為：①熔煉前的準備，清爐和洗爐，預(yù)熱熔爐和坩堝，工具預(yù)熱至120～200℃后，在其表面涂上或噴上涂料；②熔化及精煉，爐料裝好后，升溫熔化爐料，等爐料全熔后，除凈熔渣，升溫到700～720℃，用占爐料總量0.3%～0.5%的C2CI6（或氯氣等其他精煉劑）分3次用鐘罩壓人熔池中心下面進行精煉，精煉總時間為10～15 min，鐘罩離坩堝底部100～150 mm，并要緩慢地作回轉(zhuǎn)移動，精煉完后，靜置1～2 min，取樣作爐前分析。鋁合金壓鑄工藝流程見圖5。
壓鑄模具的預(yù)熱溫度為180℃，涂料為石墨乳，壓射行程為100 mm，壓射速度從0．27 m/s逐步增加到0. 81 m/s，保壓時間為10 s，取模時間為5 s，涂料噴涂時間為5s，澆注溫度為640、650、660、670℃。
組織觀察在連桿的部位A取樣，見圖6。首先剖開鑄件的橫截面，然后對試樣進行粗磨、細磨、拋光和化學(xué)腐蝕(化學(xué)腐蝕劑為低濃度混合酸：2 m L HF，3 m LHC1，5mL HN03，190 m L H20)后，采用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。
2.2 結(jié)果分析和討論
圖7是7075鋁合金在不同澆注溫度下缺陷易產(chǎn)生位置橫截面。從圖7中可以看出，隨著澆注溫度升高，縮松、縮孔、裂紋明顯增多。在截面中心位置出現(xiàn)了縮孔、縮松等缺陷，與數(shù)值模擬結(jié)果相符合。
分析其原因：澆注溫度越高，氣體溶解度越高，尤其是氫氣。壓力鑄造中氣體來不及排出，容易形成氣孔。鋁合金液中的含氫量過高，不僅會引起鋁合金液的凝固速度變慢，促進縮松的形成，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，使零件使用壽命縮短，且由于凝固過程中氫氣的析出，會在整個鑄件的斷面上形成形狀不規(guī)則的針孔，當針孔度超過一定標準后，致密、抗拉強度和疲勞壽命等力學(xué)性能將明顯下降。同時，由于澆注溫度高，收縮率大，金屬型升溫快，造成了Al液的溫度梯度減少，易形成縮松、縮孔等缺陷。所以實際生產(chǎn)中，在滿足產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，應(yīng)盡量選擇較低的澆注溫度。
圖8是7075鋁合金在澆注溫度為640、650、660、670℃時的微觀組織。
從圖8a、圖8b可以看出，澆注溫度從640℃升高到650℃時，隨著澆注溫度的升高，晶粒從細小均勻的等軸晶向較大的薔薇狀晶粒轉(zhuǎn)變。從圖6c、圖6d可以看出，澆注溫度繼續(xù)升高道660和670℃時，晶粒變?yōu)楦执蟮臉渲ВN薇狀晶粒和等軸晶組織減少。而
粗大的柱狀樹枝晶，由于不同晶向的柱狀樹枝晶間是雜質(zhì)、氣泡和縮孔富集的地方，因而通常成為鑄件的脆弱面。細小的等軸晶區(qū)的晶粒組織細小致密，各個晶粒在長大時彼此交叉，枝叉間的搭接牢固，因此裂紋不易擴展，并不存在明顯的脆弱面，而且由于晶粒的取向各不相同，所以其性能也沒有方向性，這些是等軸晶的優(yōu)點。所以，等軸晶越多、分布越均勻，壓鑄件品質(zhì)和性能越好，形成缺陷傾向越小。
3 結(jié) 論
(1)利用模擬軟件MAGMAsoft對7075鋁合金連桿壓鑄件不同澆注溫度下的模擬計算，結(jié)果是一定范圍內(nèi)，澆注溫度越低，縮松缺陷形成傾向越小。
(2)比較不同澆注溫度下的7075鋁合金壓鑄件顯微組織發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，晶粒變?yōu)榇执蟮臉渲ВN薇狀晶粒和等軸晶組織逐漸減少。
4摘要利用模擬軟件MAGMAsoft對7075鋁合金連桿壓鑄件模擬計算，研究澆注溫度對鑄件缺陷的影響，并通過壓鑄試驗進行驗證。結(jié)果表明，澆注溫度越低，缺陷形成傾向越小。通過觀察不同澆注溫度下的壓鑄件的顯微組織，發(fā)現(xiàn)隨著澆注溫度降低，晶粒細小，樹枝狀枝晶體向等軸晶轉(zhuǎn)變。
