壓射速度對流變壓鑄AM60鎂合金缺陷形成的影響
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邢 博1 李元東2 胡光山1 湯成莉1 馬 寧1
（1．嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院；2．蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室）
摘要采用自行研發(fā)的自孕育制漿技術(shù)制備AM60半固態(tài)漿料，利用冷室壓鑄機對漿料進行流變壓鑄成形試驗，研究壓射速度對鑄件缺陷形成的影響。結(jié)果表明，當(dāng)壓射速度小于0．5m／s時，鑄件充型不足；增大至2．0 m/s后，鑄件充型完整，但充型末端易出現(xiàn)冷隔缺陷；壓射速度大于7．0m／s導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)嚴重飛邊。顯微組織分析表明，壓射速度增大，鑄件內(nèi)微氣孔增多且尺寸增大，鑄件邊緣液相偏析程度減小，同時內(nèi)部夾雜增多，夾雜物尺寸較大；當(dāng)壓射速度小于1．0 m/s時，初生相形貌發(fā)生粗化，液相中二次枝晶增多。因此，高壓射速度能在一定程度上提高流變壓鑄件顯微組織的均勻性，但同時使鑄件氣孔、夾雜缺陷增多，不利于提高半固態(tài)壓鑄件的力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞壓射速度；缺陷；AM60合金；半固態(tài)；流變壓鑄
中圖分類號 TG146.2；TG249.2+6 DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 016
半固態(tài)成形( Semi-solid Forming)是20世紀(jì)70年代提出的一種新型金屬成形技術(shù)，其采用含有一半左右球狀固相的金屬漿料進行成形加工。由于半固態(tài)金屬具有一定粘度，壓鑄時呈層流充型，有利于排出型腔氣體，能夠減小甚至消除氣孔缺陷，為熱處理強化創(chuàng)造條件。相比之下，液態(tài)壓鑄時金屬在壓力下呈高速紊流狀充填型腔，容易卷氣，造成氣孔缺陷，力學(xué)性能低且不能進行熱處理強化。因此，半固態(tài)壓鑄是解決傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)應(yīng)用瓶頸的重要途徑之一。
近年來，由于工業(yè)生產(chǎn)對半固態(tài)成形性價比要求提高，學(xué)者將研究重點轉(zhuǎn)向短流程、高效率的半固態(tài)流變成形，先后開發(fā)了一些具有代表性的制漿技術(shù)，如SSR、CRP、近液相線法、波浪形冷卻斜坡法、傾斜式滾筒剪切法、蛇形管澆注法等。這為半固態(tài)流變成形工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，除制漿之外，半固態(tài)鑄件微觀組織和內(nèi)部缺陷是決定其力學(xué)性能的
主要因素。目前，針對半固態(tài)壓鑄工藝參數(shù)對鑄件顯微組織的影響已有了一些研究，但仍然缺乏針對半固態(tài)壓鑄件缺陷形成規(guī)律方面的研究，這對于深入理解半固態(tài)成形、可控性精確成形的本質(zhì)，以及提高半固態(tài)成形工藝可控性帶來了一定困難。因此，本課題采用自行研發(fā)的自孕育制漿工藝制備AM60半固態(tài)漿料，利用冷室壓鑄機對漿料進行了流變壓鑄成形試驗，
研究了壓射速度對鑄件缺陷形成的影響，旨在優(yōu)化半固態(tài)壓鑄參數(shù)，為提高成形件質(zhì)量提供參考。
1 試驗過程
試驗采用商用AM60鎂合金，該合金理論液相線和固相線溫度分別為615℃和580 ℃，其化學(xué)成分見表1。
取一定質(zhì)量合金錠在坩堝電阻爐中熔化，升溫至720℃后用1. 5%（質(zhì)量分數(shù)）的Cl2C6精煉，扒渣后靜置。當(dāng)熔體溫度降至690℃時，采用自孕育制漿工藝澆注，澆注時在導(dǎo)流器出口用溫度為595℃的保溫坩堝收集漿料并靜置3 min，之后將漿料傾倒入壓鑄機壓室進行壓鑄。為了避免漿料在轉(zhuǎn)移和澆注過程中溫度波動導(dǎo)致固相率變化，制漿和漿料轉(zhuǎn)移澆注均使用同一坩堝。此外，對冷室壓鑄機壓室做特殊改造，在其側(cè)壁內(nèi)沿軸向鉆孔，插人數(shù)根陶瓷加熱棒對壓室加熱，預(yù)熱溫度可達590℃，滿足AM60鎂合金半固態(tài)成形的要求。試驗采用的壓射參數(shù)：增壓壓力為160 M Pa，模溫為250℃，保壓時間為30 s，壓射時沖頭速度選取0.2～9.0 m/s。
壓鑄后，在壓鑄試樣1／2長度處切取寬度為5 cm的試樣，經(jīng)過預(yù)磨、細磨、拋光后制成金相試樣，之后用體積分數(shù)為10%的HC1溶液腐蝕，利用MEF-3光學(xué)顯微鏡對試樣中心和邊緣進行顯微組織觀察，重點觀察不同壓射速度下鑄件顯微組織中出現(xiàn)的缺陷種類及數(shù)量。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1壓射速度對鑄件成形性的影響
圖1為不同壓射速度下生產(chǎn)出的AM60鎂合金壓鑄件�？梢钥闯�，當(dāng)壓射速度為0.2 m/s時，半固態(tài)漿料只能充填至型腔末端，所得試樣形狀不完整。試驗表明，在速度低于0.5 m/s均會導(dǎo)致鑄件充型不足；當(dāng)速度增大至2．0m／s時，壓鑄件料柄、橫澆道、試片及排氣
槽部分輪廓清晰、形狀完整，表明增大壓射速度有利于提高漿料充型能力。但同時發(fā)現(xiàn)，速度在0. 5～2．0 m/s時，鑄件末端表面處出現(xiàn)冷隔缺陷，見圖1b。當(dāng)壓射速度增大至7.0 m/s時，鑄件形狀完整，輪廓清晰，但此時沿分型面飛邊、毛刺嚴重（見圖1c）。由此可見，壓射速度越大，能在一定程度上提高漿料的充型能力，但同時增大了產(chǎn)生鑄件飛邊缺陷的可能性。
試驗中在較低壓射速度下鑄件會產(chǎn)生澆不足、冷隔。這是因為壓射速度過低，漿料在壓室和澆注系統(tǒng)中停留時間延長，固相率增大，導(dǎo)致粘度增大、流動性減小，使充型不連續(xù)或者充型后期中斷。此外，漿料充型時間越長，流動前端凝料現(xiàn)象加劇，先到模具型腔內(nèi)部的金屬液不能及時與后面流入的金屬液完全熔合，就會出現(xiàn)明顯的冷隔。因此，對于半固態(tài)壓鑄而言，即使理論上凝固后期球狀漿料具有更好的流動性和補縮性，但如果壓射速度過低，同樣會導(dǎo)致無法完整充型。因此，為了提高漿料流動充型性，需要適當(dāng)提高壓射速度。但速度過大，又會使?jié){料對分型面產(chǎn)生過大壓力，導(dǎo)致飛邊。這不但增加了后續(xù)飛邊切除工序，也增加成本，同時也容易導(dǎo)致鑄件表面應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋。
2.2壓射速度對氣孔的影響
圖2為不同壓射速度下流變壓鑄AM60鎂合金顯微組織中的氣孔形貌。從圖2可見，壓射速度為0.5m/s時，鑄件中未見明顯氣孔缺陷，隨著速度增大至2.0m/s，可見光滑的微小氣孔分散在顯微組織中；當(dāng)速度增大至4．0 m/s，氣孔清晰可見，數(shù)量增多，尺寸增大；當(dāng)速度增大至7.0m／s時，氣孔缺陷嚴重，數(shù)量增加、尺寸增大。由此可見，盡管半固態(tài)漿料具有一定粘度，有利于以層流方式充型以排出氣體，但如果壓射速度過大，同樣會造成大量氣孔影響鑄件性能。
半固態(tài)壓鑄時，壓室、澆注系統(tǒng)、型腔內(nèi)部均存在氣體，壓射速度過高導(dǎo)致漿料受力增大，很容易導(dǎo)致紊流或射流，甚至飛濺現(xiàn)象。此時充型，氣體無法完全平穩(wěn)排出型腔，被漿料裹入，而且由于漿料外部先行凝固，無法排出，最終留于鑄件表面之下。試驗發(fā)現(xiàn)，在鑄件末端和排氣槽附近觀察到的氣孔尤為嚴重。因此，利用半固態(tài)壓鑄減少氣孔缺陷需建立在優(yōu)化壓射參數(shù)之上，如果氣孔嚴重，可通過降低壓射速度、增大漿料固相率來改善，同時也可以采取改進澆注系統(tǒng)設(shè)計以降低充型速度，增加溢流槽、排氣槽等措施。
2.3壓射速度對液相偏析的影響
圖3為AM60鎂合金流變壓鑄件在不同壓射速度下試樣的邊緣組織形貌�？梢钥闯觯�(dāng)壓射速度為0.5m/s時，越靠近邊緣，固相顆粒越少，距邊緣約1 000肚m范圍內(nèi)幾乎均為液相，固相顆粒占比很少。隨著壓射速度增大至2．0 m/s，邊緣液相偏析區(qū)明顯減小，固相顆粒增多，但邊緣液相率仍略高于中心。隨著速度增大至4m／s，邊緣液相偏析仍存在，但固相率進一步增大，從邊緣至中心固相分布趨于均勻。當(dāng)壓射速度為7.0m／s時，邊緣液相偏析不明顯，整個視場內(nèi)固相分布均勻。由此可見，增大壓射速度有利于減小鑄件邊緣液相偏析，從而提高組織均勻性。
半固態(tài)壓鑄時，由于存在一定含量的固相率，且液相將相鄰固相均勻隔離，固相之間相互作用較小，對流動充型影響較小。因此，在外力作用下，漿料中固相和液相一般是分開流動，而且由于液相粘度低，流動速度較固相快。漿料充型時，邊緣部位金屬受型腔內(nèi)部激冷，產(chǎn)生凝固收縮，體積收縮對液相產(chǎn)生近似于毛細吸引作用，使得漿料內(nèi)部液相不斷流動至鑄件邊緣，造成液相偏析。隨著壓射速度增大，固、液兩相分離現(xiàn)象減小，液相高速帶動固相一起流動，因而使液相偏析減小。表面液相偏析區(qū)由于含有更多的硬質(zhì)共晶相，硬度會略大于心部位置，但從鑄件整體性能而言，液相偏析造成的微觀不均勻很有可能誘導(dǎo)裂紋產(chǎn)生。因此，在一定程度上增大壓射速度，對減小鑄件組織偏析、提高力學(xué)性能是有利的。
2.4壓射速度對夾雜的影響
鎂合金半固態(tài)制漿時，如果熔煉不潔凈，熔體內(nèi)易混入雜質(zhì)。此外，鎂合金在高溫產(chǎn)生氧化燃燒，形成表面氧化皮、氧化渣等現(xiàn)象。當(dāng)半固態(tài)漿料高速下注射到模具型腔時，很容易引起紊流將表面氧化夾雜裹人熔體，留于鑄件內(nèi)部。圖4為不同壓射速度下AM60合金顯微組織中氧化夾雜形貌，其主要為形狀不規(guī)則，大小、顏色均不相同的夾雜物。從圖4可見，隨著壓射速度增大，顯微組織中夾雜物的數(shù)量和尺寸明顯增大，鑄件負載受力時，這些夾雜物會成為裂紋源，嚴重降低鑄件性能。試驗表明，如果壓射速度適當(dāng)降低，有利于保證層流充填特性，漿料在通過內(nèi)澆口等部位時，由于流動截面減小，流速增大，有利于表面氧化物滯留在澆口等部位，從而保證鑄件力學(xué)性能不會降低。
2.5壓射速度對顯微組織的影響
圖5為不同壓射速度下AM60鎂合金微觀組織形貌。從圖5a可見，當(dāng)漿料在較低壓射速度下充型并凝固時，微觀結(jié)構(gòu)組成為白色球狀a-Mg晶粒和分布在黑色共晶組織中呈白色點狀的激冷a-Mg顆粒。但在初生a-Mg晶粒之間，能夠觀察到尺寸較大的二次樹枝晶組織。隨著壓射速度增大至1.0 m/s，固相顆粒之間粘接現(xiàn)象減少，液相中樹枝晶分布均勻，尺寸相對減�。ㄒ妶D5b）。當(dāng)速度增大至4．0m／s和7．0 m/s時，半固態(tài)組織中白色a-Mg晶粒形貌圓整，分布均勻，液相中二次枝晶組織明顯減少（見圖5c、圖5d）。
半固態(tài)漿料壓鑄時，其凝固過程主要為漿料中剩余液相的凝固。因此，半固態(tài)壓鑄件微觀組織應(yīng)為制漿時形成的較大尺寸固相顆粒與型腔內(nèi)液相快速凝固形成的微小激冷組織。但是，壓射速度較低，漿料在壓室和澆注系統(tǒng)中與其接觸時間增加，液相提前部分凝固，由于此時凝固速率不均勻，導(dǎo)致生成樹枝晶組織。隨著壓射速度增大，剩余液相在充型過程中所受激冷作用減小，且凝固速度增大，因此生成的二次枝晶組織減小且數(shù)量較少。隨著壓射速度增大，漿料在很短的時間里迅速充填型腔，此時剩余液相幾乎全部在型腔內(nèi)快速凝固，轉(zhuǎn)化為二次凝固a-Mg（見圖5中白色細小顆粒）和共晶混合物（見圖5中黑色組織）。從凝固補縮角度來看，如果充型時產(chǎn)生過多的二次枝晶，凝固后期枝晶間形成封閉空間，造成補縮困難，容易形成縮松、縮孔缺陷。試驗結(jié)果表明，增大壓射速度，半固態(tài)鑄件顯微組織相對均勻、細小。
綜上所述，半固態(tài)成形由于采用含有部分細小、球狀固相顆粒的混合漿料進行成形加工，對細化鑄件微觀組織、減少鑄件氣孔等缺陷具有積極意義。但是，從半固態(tài)壓鑄來看，如果不能采用合適的壓射速度，不但會使鑄件成形困難，而且會造成鑄件內(nèi)部產(chǎn)生嚴重氣孔、夾雜等缺陷，使半固態(tài)成形失去其應(yīng)有的精確控形、控性優(yōu)勢。試驗表明，壓射速度越大，盡管能使鑄件微觀組織更為均勻、細小，但同時會誘發(fā)嚴重的飛邊、氣孔、夾雜等缺陷。這必將大大削弱其對鑄件組織改善的效果，從而使半固態(tài)成形無法獲得其潛在的成形優(yōu)勢。對
于含有一定固相率的半固態(tài)漿料，在熔體潔凈熔煉的基礎(chǔ)上，在確保鑄件良好成形性能的前提下，半固態(tài)壓鑄應(yīng)采用盡可能小的壓射速度，這對于減小鑄件氣孔缺陷，保證其熱處理強化特性，進而獲得質(zhì)量優(yōu)良的半固態(tài)鑄件具有決定性作用。
3 結(jié) 論
(1)半固態(tài)壓射速度對漿料成形性具有重要影響。壓射速度過小，鑄件易出現(xiàn)充型不足、冷隔缺陷，壓射速度增大，鑄件成形性提高，但過大的壓射速度導(dǎo)致鑄件飛邊嚴重。
(2)半固態(tài)壓射速度減小，鑄件內(nèi)微觀氣孔數(shù)量減少、尺寸減小，但顯微組織中邊緣液相偏析程度增大，初生相形貌粗化且二次枝晶增多；隨著壓射速度增加，鑄件微觀組織細小、均勻，但夾雜物數(shù)量增多、尺寸增大。
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