關(guān)于真空度對壓鑄A291D鎂合金組織和力學(xué)性能影響的研究
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作者：張毅
A291D鎂合金由于具有良好的鑄造性能和耐蝕性能，還具備一定的力學(xué)性能，因而在壓鑄鎂合金中得到廣泛運(yùn)用。
普通壓鑄A291D鎂合金屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為150 M Pa、230 M Pa和3%。其伸長率較低很大程度上是由于壓鑄過程中金屬液以紊流態(tài)高速射入模具型腔，使型腔內(nèi)部氣體無法及時(shí)排出，造成金屬液卷氣而在壓鑄件中形成氣孔，從而降低伸長率。真空壓鑄是一種通過真空系統(tǒng)抽除模具型腔內(nèi)的氣體，以降低壓鑄件內(nèi)部孔隙率的鑄造工藝，后期可進(jìn)行熱處理以提高壓鑄件的力學(xué)性能。本課題研究的是不同的真空度對壓鑄A291D鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。
1 試驗(yàn)過程
壓鑄試驗(yàn)采用TOYO-BD350V5冷室壓鑄機(jī)，該壓鑄機(jī)最大鎖模力為3 500 k N。采用VDS PLC-350的真空設(shè)備對壓鑄模具抽真空，通過調(diào)整壓鑄工藝參數(shù)（高、低速度及高低速轉(zhuǎn)換位置）進(jìn)而改變抽真空的時(shí)間長短，使模具型腔達(dá)到不同的真空度。采用井式電阻坩堝爐熔煉A291D鎂合金，其成分見表1，一次熔煉50 kg，采用N2+SF4(0.5%)混合氣體對熔體進(jìn)行保護(hù)。
圖1為A291D鎂合金壓鑄件的外觀。采用模具溫度控制機(jī)對壓鑄模具的溫度進(jìn)行控制。腐蝕劑選用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液，采用Axio Observer Al型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。鼓泡試驗(yàn)工藝參數(shù)為450℃×3h，水淬。
拉伸試樣見圖2，取樣部位見圖1中A處，拉伸試驗(yàn)采用Zwick Z100萬能材料試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為1mm/min，標(biāo)記長度為15 mm，平行試樣數(shù)量為3～4根。
真空壓鑄系統(tǒng)見圖3，模具型腔通過真空閥與負(fù)壓罐一端相連，負(fù)壓罐的另一端與真空泵相連。當(dāng)沖頭封閉澆料口后，將促發(fā)位移傳感器發(fā)出信號，真空系統(tǒng)開始工作，真空閥打開抽真空，直至金屬液沖擊真空閥使其關(guān)閉而停止抽真空。
A291D鎂合金真空壓鑄工藝參數(shù)見表2．其中澆注溫度為690℃，模具溫度為200℃，比壓為70 M Pa，增壓位置在280 mm。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
圖4是不同壓鑄工藝下抽真空時(shí)間-真空度的曲線。可以看出，從1號工藝到4號工藝，隨著抽氣時(shí)間的不斷增加，模具型腔的真空度得到不斷提升。1號工藝下實(shí)際抽真空時(shí)間為0. 35 s．最低真空度為51.8kPa;4號工藝下實(shí)際抽真空時(shí)間為0.88 s，最低真空度為17.5 k Pa。
理論抽真空時(shí)間t v為：
式中，t l v為低速階段理論抽真空時(shí)間；t h v為高速階段理論抽真空時(shí)間。低速階段理論抽真空時(shí)間t l v為：
式中，Li為不同低速段的長度，該壓鑄機(jī)最多可以設(shè)置9段低速；讓為對應(yīng)低速段的沖頭速度。壓鑄機(jī)的沖頭行至100 mm處封閉澆料口，同時(shí)打開真空閥抽真空，故上述壓鑄工藝參數(shù)中的第一段低速不抽真空。高速階段理論抽真空時(shí)間為：
式中，L h為高速段長度，即高低速轉(zhuǎn)換位置至增壓位置的長度；Vh為高速段的沖頭速度。根據(jù)式(1)～式(3)可求得各組壓鑄工藝參數(shù)下的理論抽氣時(shí)間，見表3。
從表3可以看出，理論抽真空時(shí)間與實(shí)際抽真空時(shí)間的最大偏差度控制在12%以內(nèi)，說明上述計(jì)算理論抽氣時(shí)間的方法具有一定的準(zhǔn)確度，這為A291D鎂合金真空壓鑄工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了較好的參考。在同一真空系統(tǒng)下，沖頭在低速階段的抽真空時(shí)間長短決定了抽真空的時(shí)間長短。從表3可以看出，低速階段抽真空時(shí)間占總抽真空時(shí)間的90%以上，因而在設(shè)計(jì)真空壓鑄工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在低速段的參數(shù)設(shè)計(jì)上。
圖5為不同真空度下壓鑄件的顯微組織。為了保證顯微組織的可比性，試樣均選在圓柱通孔高度1/4部位處，具體取樣位置見圖1中B處。對應(yīng)的真空度分別為51.8、35.1、25.9、17.5 k Pa�？梢钥吹綀D5a中的顯微組織內(nèi)部存在大量的氣孔，并且氣孔尺寸較大，大氣孔的直徑在150 μm以上，氣孔的分布較為分散。
隨著真空度的提升，氣孔數(shù)量不斷減少，同時(shí)氣孔尺寸不斷減小，壓鑄件的內(nèi)部質(zhì)量得到明顯改善，這有助于提高合金伸長率。當(dāng)真空度達(dá)到17.5 k Pa時(shí)，組織中已不易觀察到氣孔。
圖6為A291D鎂合金高溫鼓泡后的外觀，鼓泡試驗(yàn)是為了更加直觀地查看壓鑄件的卷氣情況，圖6中的黑色標(biāo)記點(diǎn)即為鼓泡點(diǎn)。對應(yīng)的真空度分別為51.8、35.1、17.5 k Pa。可以看出隨著真空度的提高，鼓包逐漸減少，表明壓鑄件內(nèi)部的孔隙率下降。
圖7為不同真空度下壓鑄A291D鎂合金的力學(xué)性能�？梢钥闯觯S著真空度的提升，A291D鎂合金的伸長率得到提高。伸長率從51.8 k Pa下的3.2%，提高至17.5 k Pa下的5.1%，提高了60%。這是由于提升真空度能有效降低壓鑄件內(nèi)部的孔隙率，而孔隙率對合金伸長率呈負(fù)相關(guān)影響，即降低孔隙率能提高合金的伸長率。
A291D鎂合金的抗拉強(qiáng)度從51.8 k Pa下的219M Pa，提高至17.5 k Pa下的249 M Pa，提高了13. 7%，表明真空度提高能有效提高合金的抗拉強(qiáng)度。A291D鎂合金在17.5 k Pa下的屈服強(qiáng)度達(dá)到163 M Pa，較普通壓鑄A291D鎂合金提高8.7%。真空壓鑄能提高屈服強(qiáng)度的原因在于，真空能有效地減薄壓鑄件與模具間的氣體層，進(jìn)而提高壓鑄件與模具間的傳熱系數(shù)，加大鑄件的冷卻速率，合金晶粒得到一定細(xì)化，從而提高合金的屈服強(qiáng)度。另外，在25. 9～35.1 k Pa真空度范圍內(nèi)伸長率的增長速率較大，真空度達(dá)到25.9 k Pa后合金伸長率的增長速率變緩。
3 結(jié) 論
(1)提供了一種依據(jù)壓鑄工藝參數(shù)計(jì)算真空系統(tǒng)理論抽真空時(shí)間的方法，按照該方法計(jì)算的理論抽真空時(shí)間與實(shí)際抽真空時(shí)間的偏差度小于12%。從計(jì)算結(jié)果可以看出，低速階段抽真空時(shí)間占比在90%以上，因此在設(shè)計(jì)真空壓鑄工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在低速段的參數(shù)設(shè)計(jì)上。
(2)真空壓鑄A291D鎂合金，其伸長率隨著真空度的提升而提高。伸長率從51.8 k Pa下的3.2%，提高至17.5 k Pa的5.1%，提高幅度達(dá)到60%。17.5 k Pa下的伸長率相比普通壓鑄A291D鎂合金3%的伸長率提高了70%。在25.9～35.1 k Pa范圍內(nèi)伸長率的增長速率較大，真空度達(dá)到25.9 k Pa后伸長率的增長速率變緩。在25. 9～35.1 k Pa的真空度范圍具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
4摘要在現(xiàn)有真空系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)以提高模具型腔的真空度，降低壓鑄件內(nèi)部的孔隙率，同時(shí)提供了一種依據(jù)壓鑄工藝參數(shù)計(jì)算理論抽真空時(shí)間的方法。按照該方法計(jì)算的理論時(shí)間與實(shí)際值的偏差度小于12%。A291D鎂合金的伸長率隨真空度的提升而提高，在17.5 k Pa真空度下的壓鑄件伸長率相比普通壓鑄提高近70%，真空度達(dá)到25 k Pa后繼續(xù)提升，伸長率的增長速率逐漸減小，在25～30 k Pa的真空度范圍內(nèi)壓鑄，具有較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
