图1 镁合金压铸件横截面不同形貌及分布特征的缺陷带

原标题：深入分析！压铸AM60B镁合金缺陷带的组织特征及形成机理

镁合金以其质轻、比强度和比刚度高、减震性好和易于回收利用等特点而被广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域。采用镁合金替代钢或铝合金是实现汽车轻量化的有效途径之一，从而可以降低燃油消耗并减少气体排放。镁合金液态粘度低，流动性好，易于充填复杂型腔，且凝固快，尺寸稳定性好，特别适合于压铸工艺。因此，压铸已成为镁合金结构件最主要的成形工艺，常用于汽车轮毂、变速箱体、笔记本/手机外壳等零部件的生产。

当前，镁合金压铸件存在的绝对强度偏低、高温性能较差等问题制约了其应用。研究表明，冷室压铸镁合金中出现的气缩孔、压室预结晶（ESCs）、缺陷带等对压铸件的力学性能有着较大的影响。对于气缩孔及ESCs，已有了较为深入的研究，但针对缺陷带的相关研究主要集中在缺陷带的组织表征及物相分析等方面。研究发现，缺陷带的形态及分布特征与气缩孔、ESCs等存在一定的对应关系，然而其形成机理尚未明确和统一。

因此，以AM60B镁合金拉伸压铸试样为研究对象，系统研究了压铸镁合金缺陷带的组织形貌及分布特征，建立缺陷带与ESCs、气缩孔及压铸工艺参数之间的对应关系，在此基础上探讨了缺陷带的形成及演化机理。旨在为优化压铸工艺参数，改善镁合金压铸件的微观组织和力学性能提供参考。

图文结果

缺陷带是冷室压铸组织中特有的组织特征，其形貌及分布较为复杂。图1为镁合金压铸件横截面不同形貌及分布特征的缺陷带，可见有沿压铸件截面轮廓分布的，也有不规则的；有单缺陷带，也有双缺陷带和多缺陷带。已有研究表明，缺陷带是孔洞聚集的带状组织，存在着一定的溶质偏析。采用不同的组织观察方法对镁合金压铸件横截面的显微组织进行分析，见图2。可以看到，压铸镁合金组织从宏观上可以分为3个部分，第1部分是从压铸件表层到缺陷带外表面的组织，其特点是孔洞较少，ESCs组织大多为破碎的枝晶，没有聚集现象，因此组织较为致密；第2部分是距离压铸件表层一定距离的缺陷带，在其内部富集大量形貌不规则的孔洞，ESCs组织相较于周围ESCs细小。

图2 镁合金压铸件横截面典型显微组织

图3 不同低速速度下的压铸镁合金缺陷带组织形态

表1 压铸工艺参数

对不同增压压力下的压铸镁合金显微组织进行研究，发现随着增压压力升高，压铸件中的ESCs含量逐渐减少，其形貌趋于球状，分布形态由弥散分布趋于向压铸件中心偏聚，而此时压铸件中缺陷带的位置、宽度及其内部孔洞的形貌并没有明显的变化。浇注延时对缺陷带的影响与低速速度相似，浇注延时增长或者低速速度降低，均使得压铸件中ESCs含量提高，ESCs呈现较多的粗大枝晶状，在ESCs聚集的晶界处有大量的缩松存在，此时缺陷带趋向于压铸件表层，且宽度增加。

图4 不同高速速度下的压铸镁合金缺陷带组织形态

图5 基于压室预结晶理论的缺陷带形成机理示意图

图6 基于膨胀剪切理论的缺陷带形成机理示意图

有研究认为缺陷带为膨胀剪切带，其形成是由于具有一定固相分数的金属液所表现出的类似颗粒材料在剪切变形过程中的流变特性，见图6。凝固过程中含一定固相分数的金属液相当于压实的颗粒材料，在切应力的作用下会相互推挤发生膨胀造成局部变形，并集中在剪切带处最终达到一个临界状态。液态金属由于压差被引至膨胀剪切带内，随着凝固进行，带状区域的金属液对邻近区域的凝固收缩进行补缩，而在凝固后期带状区域自身的凝固收缩不能得到有效的补缩，因此在带状区域形成了集中的缩孔、缩松。将膨胀剪切理论应用于镁合金冷室压铸工艺，可以一定程度上解释双缺陷带的形成机理。在压铸充型过程中，由于激冷作用，压铸件表层会产生一层凝固壳层，在高速充填型腔时金属液流在靠近凝固壳层区域会产生较大的切应力，而该区域呈半固态，在切应力的作用下晶粒会发生运动而产生相应的间隙，最后由于补缩困难而产生靠近表层的缺陷带组织。在凝固过程中，由于增压压力会导致切应力的存在，其作用在半固态的晶粒上会引起晶粒的相对运动，并产生相应的间隙，而最后由于补缩困难，产生靠近压铸件中心的缺陷带组织。

图7 金属液流形态对压铸镁合金缺陷带形成的影响

图8 缺陷带孔洞周围组织化学成分分析

结论

采用电子背散射衍射（EBSD）对镁合金压铸件不同部位的晶粒取向进行分析，发现压铸件表层α-Mg晶粒及心部完整ESCs枝晶未发现孪晶现象，而在心部破碎ESCs晶粒及缺陷带内部ESCs晶粒中，出现大量的孪晶现象。分析其原因，压铸件表层α-Mg晶粒在型腔中形核长大，几乎没有外力作用在α-Mg晶粒上；而ESCs颗粒形核于压室中，并随着冲头的压射过程通过内浇口进入型腔。由于压铸充型过程高速高压的特点，ESCs颗粒在进入型腔过程中会经受液流的冲刷以及后续的增压压力作用，导致部分ESCs晶粒发生旋转破碎，最终破碎的ESCs晶粒内部会产生残余应力形成孪晶，而未经受金属液流冲刷及增压压力作用的ESCs枝晶，则完整且没有出现孪晶现象。由缺陷带内部ESCs晶粒出现大量的孪晶现象发现，在缺陷带处有较大的应力存在，即可推断缺陷带的形成与充型过程中金属液流冲刷所产生的应力以及后续的增压压力有关。

缺陷带的形成与分布受压铸充型过程中金属液流形态的影响，在高速金属液的剧烈冲刷及增压压力的作用下，靠近金属液流外轮廓的晶粒发生破碎或转动，在晶粒间形成大于剩余金属液体积的间隙，随着凝固的进行，形成沿液流轮廓分布孔洞聚集的缺陷带组织。

本文作者：

吴孟武 侯莹滢
武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室

李晓波 熊守美
清华大学材料学院

陆文兴 王运桂
广东鸿特精密技术（台山）有限公司

本文来源：《特种铸造及有色合金》杂志