原标题：6061与7075铝合金砂型铸造工艺及铸件疲劳性能研究

摘要

某电力设备含有复杂薄壁结构零件，为优化其加工工艺，降低生产成本，采用砂型铸造工艺成形制造。铸件材料基于6061和7075铝合金熔配，通过优化铸件结构、铸造工艺和生产过程，形成了满足铸件质量要求的砂铸工艺。针对该零件在实际工况中所承受的循环冲击载荷，研究了铸件材料的疲劳性能。结果表明：工艺优化后铸件内部致密，无缩孔和微裂纹等缺陷；基于6061的铸件材料疲劳极限为47 MPa；在200~105 MPa应力幅范围内拟合出基于7075的铸件材料的S-N曲线，其疲劳极限约为112 MPa；通过Haigh图分析得出，基于6061和7075的铸件材料可承受的最大循环冲击应力幅分别为40.2 MPa和93.2 MPa，为其工程应用提供了关键设计参数。

某电力设备为应对复杂多变的工况，其运动机构中承力零件选用了质量轻、强度高、韧性好的6061-T6和7075-T6铝合金。在小批量生产阶段，采取了对板料型材直接机加工的成形工艺。

对于复杂异形薄壁零件，当前业内常采用压铸成形，如变速箱壳体；低压铸造则侧重加工高强度中大型零件，如汽车轮毂；半固态、液态模锻等特种技术也有应用于6系、7系变形铝合金的加工成形。为达到降本预期，本研究采用“材料配制+砂型铸造+热处理+精加工”的工艺方案生产设备承力零件。在高纯铝熔化后，基于6061、7075铝合金成分分别配制6系和7系铝铸液，通过砂型铸造工艺制备出零件毛坯，经固溶时效热处理后再进行少量机加工完成零件最终成形，以期在加工成本、零件性能等方面对标“型材+机加工”所生产的零件。

该电力设备在执行任务过程中，承力零件因交替拍打地面而承受冲击载荷。因此，在交变冲击应力下零件面临疲劳损伤进而发生断裂的风险。常规表征材料力学性能的拉伸试验无法直接反映耐此类疲劳损伤的能力，而疲劳试验可以通过循环载荷持续施加模拟材料在实际使用环境下所承受的各种载荷，其与材料应对冲击、疲劳等复杂工况的相关性高。此外，根据疲劳试验结果可以进行耐久性寿命设计，评估出所用材料和工艺的合理性。

本研究开展基于6061、7075铝合金的砂铸工艺试制工作，并根据试制结果实施改善措施。然后，在上述“材料配制+砂型铸造+热处理+精加工”工艺方案生产的成品零件上截取试样，重点研究基于6061配制的铸件材料的疲劳强度，以及基于7075配制的铸件材料的应力-寿命（S-N）曲线。同时，借助Haigh图分析材料可承受的最大循环冲击应力幅，为工程应用提供关键设计参数。

01 铸件砂铸与工艺改善

根据GB/T 3190—2020中6061、7075铝合金主要成分，采用熔铝炉，在高纯铝熔体内依次熔配相应的合金元素。因产品最薄壁厚仅2.5 mm，采用砂型铸造难以完整成形，在薄壁处表面向外偏置增加壁厚至4 mm，后续机加工去除。合理布置浇道、冒口，初步采用“一模两腔”设计方案，满足铸件完整成形要求。首批试制铸件的X射线探伤结果如图1所示。可见零件虽充型完整，无死区，但在零件的平面、拐角处，存在密集的点状缩孔、气孔缺陷。

图1 承力零件首批试制件探伤

针对首批试制铸件的缺陷进行工艺改善。在材料制备阶段，电磁搅拌熔体时间由6 min延长至10 min，充分保障熔体内合金元素分散、温度一致，避免熔体上下成分不均匀，局部温度过低，最终影响金属液的流动性而造成充型不佳。重新设计加工型模，将铸件壁厚由4 mm调整至5 mm，利于铝合金液的流动。按∑F直∶∑F横∶∑F内=1∶2∶3优化浇道截面积比值，将直浇道、横浇道截面积分别设为4 cm²、8 cm²。另外，含直浇道在内共设计4个冒口，其中两个为直径40 mm、高度120 mm的暗冒口，直至充型凝固数值模拟和缺陷预测结果通过。浇注前将铸模稍垫高倾斜，避免铸件平面与液面平行，利于气体排出。工艺改善后试制铸件并进行X射线探伤，结果如图2所示，铸件内部完整致密，一致性好，无任何缩孔、气孔缺陷，也未见微裂纹等缺陷，改善效果明显。

图2 工艺改善后试制件探伤

02 试样制备与测试方法

在首批和改善后的铸件上截取试样进行化学成分分析，结果如表1所示。可以看出，工艺改善前后铸件化学成分差异并不显著，除基于6061配制材料的Mn元素和基于7075配制材料的Ti元素略高，其余均符合标准。

表1 铸件合金元素含量 wB/%

铸件经热处理后进行机加工，热处理参数为固溶520 ℃/14 h，时效120 ℃/2.5 h+175 ℃/6.5 h。取首批和改善后试制零件的成品，从其上截取试样（尺寸同疲劳试验试样）进行拉伸性能测试，结果如表2所示。可见，工艺优化后材料力学性能改善显著，基于6061和7075配制的铝合金抗拉强度分别达到276 MPa、531 MPa，接近标准要求。

表2 试样与标准型材的力学性能

从工艺改善后加工出的零件成品上取样，开展疲劳试验。对基于6061的铸件测试其疲劳极限，共12个试样；对基于7075的铸件，测试其S-N曲线，共37个试样。取样位置为零件顶面、底面和侧面的三段平面，试样形状为板状哑铃，尺寸符合GB/T 3075—2021要求，见图3。在室温环境下采用长春仟邦QBG-300H试验机进行疲劳试验，频率为15 Hz，应力比R=-1，条件疲劳极限的周次取107次。增加工装防止试验中试样发生弯曲，工装与试样间采用聚四氟乙烯薄膜防摩擦，如图4所示。

图3 拉伸和疲劳试验取样位置及试样

图4 疲劳试验机与防屈曲工装

03 铸件疲劳性能测试结果与分析

3.1 铸件材料的疲劳性能

如表3所示，应力幅为70 MPa时，基于6061配制的铸件试样在约43.5万次后发生断裂；应力幅降至60 MPa、50 MPa和40 MPa时，断裂分别发生在约198万次、463万次和107次后。接着应力幅在40 MPa与50 MPa间升降，测试材料疲劳极限，见图5：3个试样40 MPa下，107次时均未断裂；4个试样50 MPa下，仅1个试样到107次仍未断裂，其余均在383万至591万次间断裂。通过小子样升降法对试验结果进行配对，得出中值疲劳极限为47 MPa。

表3 基于6061铝合金配制的铸件材料疲劳试验数据

图5 基于6061配制的铸件材料的疲劳极限（升降法）

基于7075配制的铸件材料的疲劳试验数据如表4所示。试验应力幅从200 MPa依次下降至140 MPa，梯度为20 MPa，每个应力幅均测试6个试样。可以看出，发生断裂时的循环次数从1万余次提高到约189万次，远低于107次。接着在120 MPa、115 MPa、110 MPa和105 MPa应力幅下进行疲劳测试，结果发现：115 MPa共5个试样，仅1个试样107次时未断裂；110 MPa共6个试样，有5个试样107次时未断裂，说明该材料的疲劳极限在110 MPa与115 MPa之间。对整个测试过程的试验数据进行图形绘制并拟合，获得基于7075配制的铸件材料的S-N曲线，如图6所示，其疲劳极限约112 MPa。

表4 基于7075配制的铸件材料疲劳试验数据

图6 基于7075配制的铸件材料的S-N曲线

3.2 铸件材料的 Haigh 图与最大循环冲击应力

根据上述试验结果，获取了工艺改善后基于6061和7075的铸件材料的抗拉强度、屈服强度，以及在标准循环应力（平均应力为0，应力比R=-1）下107次时未发生断裂的疲劳极限，进一步绘制这两种材料的应力幅与平均应力曲线，即Haigh图，据此可推算出承力零件材料在承受107次冲击载荷下的最大应力幅。

为简化计算，在Haigh图中连接疲劳极限和抗拉强度作Goodman直线代替Haigh曲线，又因材料在使用中承受的应力应小于屈服强度，作屈服强度界线。这样，Goodman线、屈服强度界线和坐标轴围成了疲劳安全区。以应力比为0、平均应力=应力幅为特征的循环冲击载荷线，其与疲劳安全区边界交点的纵坐标值，就是材料在承受107次冲击载荷下不发生断裂的最大应力幅。如图7、8所示。可见，基于6061和7075的铝合金铸件材料可承受的最大循环冲击应力分别为40.2 MPa、93.2 MPa，这给材料在工程中的可靠使用提供了参考设计值。

图7 基于6061的铸件材料Haigh图

图8 基于7075的铸件材料Haigh图

04 结论

为达到产品降本需求并保障其承受循环冲击载荷下的性能，开展了基于6061、7075铝合金的砂铸工艺试制和工艺改善，研究了材料的疲劳性能，主要结论如下：

（1）通过将搅拌时间从6 min延长至10 min，将壁厚由4 mm增加至5 mm，同时优化浇注系统、明暗冒口设计，采用倾斜浇注方案，可有效消除铝合金砂型铸件的缩孔与气孔缺陷。

（2）采用小子样升降法测得基于6061配制的铸件材料的疲劳极限为47 MPa；在200 MPa至105 MPa应力幅下，完整测试了基于7075配制的铸件材料发生断裂时的周期数，结合S-N曲线，推测出其疲劳极限约
112 MPa。

（3）基于6061和7075配置的铝合金铸件材料可承受的最大循环冲击应力分别为40.2 MPa、93.2 MPa。以上数据能够为铝合金铸件在冲击载荷工况下的性能评估与可靠使用提供参考依据。

作者

顾杰，朱洪宇，刘亮，孟佳
常州博瑞电力自动化设备有限公司

本文转载自：铸造杂志