原标题：中信戴卡：工艺参数对压铸Al-Si-Mg合金组织和性能影响

汽车轻量化是降低能源消耗、减少污染物排放最有效的措施之一。铝合金由于具有比强度高和性价比高等特点，作为汽车轻量化的首选材料，被用于车身、发动机、车轮等结构件和零部件，其用量强度提升。高压压铸具有产品尺寸精度高、生产效率高和可观的经济效益等特点，适用于各种铝合金复杂铸件的生产。研究者们基于冷室压铸工艺，提出了压室预结晶(Externally Solidified Crystals, ESCs)理论，认为熔体在压室中停留，特别是处于慢速压射阶段时，由于接触较冷的压室壁及冲头，熔体的过热度散失较快，已达到初生相的形核及生长条件。研究认为，压铸件靠近芯部形成的粗大枝晶组织很大一部分来源于压室中的ESCs,并随着熔体填充型腔，流体作用力最终分布在铸件心部区域。同时研究了镁铝合金及铝合金压铸不同压室尺寸、压室停留时间以及添加细化剂等对铸件中ESCs含量及分布形态的影响，发现压室传热系数越大、压室停留时间越长，铸件中ESCs含量越高，添加细化剂，铸件中圆整ESCs增多。研究Mg-Al合金压铸过程发现，浇注温度越低，压铸件中ESCs含量越高；速度越高，压铸件中ESCs越圆整细小。还有研究者研究了浇注温度对铝合金显微组织、铸造性能和力学性能的影响，发现较低的浇注温度下金属液流动性差，压射过程中产生涡流、裹气的可能性减小，压铸件内在品质提高，但是压铸件的组织粗化。在冷室高压铸造的实际生产过程中，由于工艺参数之间的相互约束关系，ESCs不可避免，只能通过优化工艺参数来减少ESCs的体积分数并控制其形貌。综上，目前对ESCs的研究报道较少，在高压铸造实际生产过程中，针对Al-Si-Mg合金，系统研究压铸工艺对微观组织形貌和力学性能影响的相关内容报道较少。

在对采用高压铸造生产铝合金结构铸件进行本体性能测试时发现，当显微组织中存在相当数量的粗大预结晶组织时，会显著降低铸件本体的屈服强度和硬度，无法满足客户标准[屈服强度≥120MPa, 硬度(HB)≥75]。为了提升铸件本体性能，满足客户标准，研究了浇注温度、压射等待时间和化学成分对显微组织中预结晶组织的体积分数、尺寸和形态，以及对力学性能的影响，旨在为其应用提供参考。

图文结果

选用铝合金横梁(结构铸件)作为试样，采用配备真空系统和铝合金定量浇注炉的IDRA-1600压铸机进行试验，通过改变浇注温度、压射等待时间和铝液化学成分等工艺参数(浇注温度为670、680℃;压射等待时间为3、4、6和8s; 铝液化学成分为Al-7Si-0.25Mg、Al-7.5Si-0.25Mg),获得不同工艺条件下的试样。在本体上切取试样，并加工为拉伸和硬度试样。金相试样经过粗磨、细磨、抛光后，采用体积分数为0.5%的HF水溶液进行腐蚀。采用ZEISSAxio Observer 7m自动倒置金相显微镜进行显微组织观察。采用ZWICK Z100拉伸试验机进行力学性能检测，拉伸速率为0.08%/s，试样尺寸见图1。采用XHB-3000Z型数显布氏硬度计进行硬度测试，载荷为62.5kN,保持15s, 测试条件为HB 2.5/62.5。采用DSC0901型差热分析仪，分析不同成分合金的凝固行为，冷却速率分别为10℃/min和30℃/min。

表1 Al-Si-Mg合金的化学成分（%）

图1 拉伸试样尺寸

图2 不同浇注温度下Al-7Si-0.25Mg合金的微观组织

表2 不同浇注温度下ESCs面积分数、平均直径和铸件本体力学性能

图3 不同压射等待时间条件下670℃时Al-7Si-0.25Mg的微观组织

图4 不同压射等待时间下Al-7Si-0.25Mg合金中ESCs面积分数和平均直径

可以看出，随着压射等待时间延长，显微组织中预结晶组织逐步粗大，且枝晶充分长大。图4为不同压射等待时间下，Al-7Si-0.25Mg合金的ESCs面积分数和平均直径的变化。可以看出，ESCs的面积分数由15.8%增加到30.2%，平均直径由122.37μm增加到158.32μm。图5为铸件在不同压射等待时间下铸件本体力学性能，可以看出铸件的屈服强度、抗拉强度和布氏硬度随着压射等待时间的增加而降低，伸长率则呈上升趋势。因此，为了提高铸件的屈服强度和硬度，应减少压射等待时间。但压射等待时间在3～8s区间内，铸件的屈服强度和硬度仍不能满足要求。

图5 不同压射等待时间Al-7Si-0.25Mg铸件本体力学性能

图6 不同凝固速度下Al-7Si-0.25Mg和Al-7.5Si-0.25Mg合金的DSC曲线

在调整浇注温度和压射等待时间的基础上，进一步分析化学成分对铸件本体性能的影响。将合金中Si含量由7.0%调整为7.5%。首先采用DSC测试了Al-7Si-0.25Mg和Al-7.5Si-0.25Mg两种合金在不同冷却速度条件下的凝固行为。图6是冷却速度为10℃/min和30℃/min条件下，Al-7Si-0.25Mg和Al-7.5Si-0.25Mg合金的DSC曲线。可以看出，在10℃/min的凝固条件下，两种合金的液相线温度相差8℃左右，随冷却速度提升至30℃/min，两种合金的液相线温度相差13℃左右。

图7 不同Si含量下合金的微观组织

表3 不同Si含量条件下ESCs面积分数、平均直径和铸件本体力学性能

结论

(1)显微组织中存在的预结晶组织是降低Al-7Si-0.25Mg铸件的屈服强度和硬度的主要原因。

(2)提升浇注温度可以显著减少Al-7Si-0.25Mg合金显微组织中的ESCs，并促进其形貌由树枝状向球状转变，提升铸件本体性能。

(3)增加压射等待时间，Al-7Si-0.25Mg合金显微组织中ESCs的面积分数和平均尺寸呈增大趋势，屈服强度和硬度呈下降趋势。

(4)提升Si含量，在适当冷速条件下，可明显降低合金液相线温度，从而抑制预结晶组织(ESCs)的析出，显著提升铸件本体力学性能。

本文作者：

马超 李志广 徐世文 刘海峰 白帮伟
王巍 李永飞 武国春 张宏仁
中信戴卡股份有限公司
本文来源：《特种铸造及有色合金》杂志