真空低壓消失模殼型鑄造和消失模鑄造鋁合金組織和性能對比

蔣文明 ，樊自田，劉德均

(1.武漢工程大學 機電工程學院，武漢 430073；2.華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢 430074)

鑄造鋁合金具有優良的鑄造性能、良好的耐腐蝕性能、較高的比強度和比剛度以及能近終成型等優點[1?4]，因此，隨著航空航天、汽車等工業的迅速發展，復雜薄壁鋁合金精密鑄件得到了越來越廣泛的應用[5?7]。真空低壓消失模殼型鑄造是一種適合生產復雜薄壁鋁(鎂)合金精密鑄件的新方法[8?10]，它是將消失模鑄造泡沫模樣精密成形技術、熔模鑄造精密制殼技術以及低壓鑄造技術相結合開發的一種新工藝。首先，以消失模鑄造的泡沫模為原型，利用熔模鑄造制殼技術在泡沫原型表面結殼，經失模、焙燒后，型殼裝入砂箱填砂造型，最后金屬液在真空和壓力雙重作用下成形(見圖1)。該技術綜合了泡沫模樣的成本低、收縮小、尺寸結構設計靈活及熔模鑄造陶瓷型殼的精度高等優點，在澆注前脫去泡沫模樣，可解決消失模鑄造孔洞、夾雜等缺陷過多和澆注溫度過高等問題；同時，金屬液在真空與充型氣體的雙重壓力進行充型和凝固，充型能力和補縮能力大大提高，因此，可獲得高質量鑄件。本文作者對真空低壓消失模殼型鑄造和消失模鑄造兩種工藝獲得的 A356鋁合金的組織和性能進行對比分析。

圖1 真空低壓消失模殼型鑄造原理圖Fig.1 Principle schematic diagram of EPSC-VL

1 實驗

采用發泡成型工藝制備密度為0.05 g/cm3的泡沫模樣，泡沫模樣材料為可發性聚苯乙烯。在泡沫模樣表面制備陶瓷型殼，經失模、焙燒后，將其裝入砂箱中，并填入散干砂，實施振動緊實。選用的合金材料為A356鋁合金(成分見表1)，將預熱的鋁合金放入不銹鋼坩堝中熔化，采用Sr變質、氬氣精煉除氣。將砂箱推至低壓鑄造工位進行澆注。實驗中，型殼未預熱，充型壓力和真空度分別為0.04和0.02 MPa。消失模鑄造用泡沫模密度為0.025 g/cm3，澆注溫度為750 ℃，真空度為0.02 MPa，采用重力鑄造方式。以上兩種鑄造工藝所采用的試樣尺寸和合金處理方式均相同，在同一條件下進行比較。

表1 A356鋁合金的化學成分Table 1 Chemical composition of A356 alloy (mass fraction,%)

從拉伸試樣的接頭處截取金相試樣，采用 0.5%HF(質量分數)溶液進行腐蝕，采用Me F?3型金相顯微鏡進行組織觀察。采用Image Tool分析軟件測定初生相晶粒平均面積A，然后利用公式D=2(A/π)1/2來計算初生相晶粒的平均等效直徑D。D值越小，晶粒尺寸越小，否則晶粒尺寸越大[11]。采用JX?2000分析軟件測定試樣的斷面孔隙率。試樣密度由阿基米德原理計算。

拉伸試樣為d10 mm的標準試棒。對拉伸試樣進行 T6熱處理((淬火固溶，538 ℃，12 h)+(空冷時效165 ℃，6 h))，拉伸試驗在WE?100型600 kN萬能材料試驗機上進行，拉伸速率為 2 mm/min。采用HB?3000型硬度測試機測定試樣布氏硬度；采用QUAN TA?400型掃描電子顯微鏡觀察組織中共晶硅形貌、分析拉伸試樣斷口形貌和斷口表面成分。

2 結果與分析

2.1 顯微組織

圖2所示為不同工藝下獲得的A356鋁合金的鑄態和T6態微觀組織。由圖2(a)看出，消失模鑄件組織中初生相為粗大的樹枝晶，晶粒尺寸達到327.1 μm，組織中孔洞缺陷較多、尺寸較大。相比之下，由圖2(b)可見，真空低壓消失模殼型鑄件組織較為細小，晶粒尺寸僅為147.2 μm，且組織致密，孔洞缺陷較少。對比經T6處理后的組織可見，T6態組織與鑄態組織規律一致，熱處理后共晶硅形貌球化，分布更加均勻。其中消失模鑄件組織仍存在粗大的樹枝晶以及較大的孔洞(見圖2(c))，晶粒尺寸為 310.5 μm。真空低壓消失模殼型鑄件組織經 T6處理后細小、致密(見圖2(d))，晶粒尺寸僅為 144.4 μm。熱處理前后晶粒尺寸變化不大。

圖2 不同工藝下A356鋁合金的微觀組織Fig.2 Microstructures of A356 alloy under different processes: (a)As-cast, LFC; (b)As-cast, EPSC-VL; (c)T6, LFC; (d)T6,EPSC-VL

圖3 不同工藝下A356-T6鋁合金共晶硅形貌Fig.3 Morphologies of eutectic silicon of A356-T6 alloy under different processes: (a)LFC; (b)EPSC-VL

圖3所示為不同工藝下A356-T6態鋁合金的共晶硅形貌。由圖3可見，真空低壓消失模殼型鑄件組織中的共晶硅尺寸明顯小于消失模鑄件組織中的共晶硅尺寸，并且硅顆粒形狀圓整，其大小和分布均勻。

表2所列為不同工藝獲得鑄件的密度和孔隙率。由表2可見，真空低壓消失模殼型鑄件的孔隙率僅為0.16%，遠低于消失模鑄件的孔隙率1.97%；且其密度為2.684 g/cm3，高于消失模鑄件的密度2.660 g/cm3。因此，真空低壓消失模殼型鑄件的致密性明顯優于消失模鑄件的致密性，這與圖2的規律一致。

表2 不同工藝下A356鋁合金鑄件的密度和孔隙率對比Table 2 Comparison of density and porosity of A356 alloy under different processes

2.2 斷口形貌

圖4所示為不同工藝下獲得的A356鋁合金拉伸試樣的低倍斷口形貌。由圖4可見，消失模鑄造拉伸試樣斷口存在較多孔洞，孔洞尺寸較大、較深，分布于整個斷面(見圖4(a))；而真空低壓消失模殼型鑄造拉伸試樣斷口的孔洞缺陷較少(見圖4(b))，這也與上述規律一致。

圖4 不同工藝下A356鋁合金低倍斷口形貌Fig.4 Low magnitude fracture morphologies of A356 alloy under different processes: (a)LFC; (b)EPSC-VL

圖5 不同工藝下A356鋁合金高倍斷口形貌Fig.5 High magnitude fracture morphologies of A356 alloy under different processes: (a)LFC; (b)Shrinkage defect, LFC; (c)EDS analysis results of inclusion defect; (d)EPSC-VL

圖5所示為不同工藝下獲得的A356鋁合金高倍斷口形貌。由圖5可知，真空低壓消失模殼型鑄造A356鋁合金的拉伸斷口呈現明顯的韌窩形貌，且韌窩較深、分布均勻，為韌性斷口為主的斷裂方式(見圖5(d))。相比之下，消失模鑄造 A356鋁合金的拉伸斷口韌窩形貌不明顯，韌窩較少、較淺，僅分布在局部區域，為脆性斷口為主的斷裂方式(見圖5(a))，且還存在縮孔和夾雜缺陷(見圖5(b)和(c))。

2.3 力學性能

表3所列為不同工藝下A356鋁合金的力學性能對比。由表3可知，真空低壓消失模殼型鑄造 A356鋁合金的力學性能較消失模鑄造A356鋁合金的力學性能具有明顯優勢，經熱處理后其抗拉強度、伸長率和布氏硬度分別達到278.27 MPa、8.10 %和93.1HB，相比消失模鑄造件的分別提高了 20.2%、166.4%和17.6%。此外，真空低壓消失模殼型鑄造由于采用了高密度泡沫模及高精度陶瓷殼型，因此，其獲得的鑄件表面質量優于消失模鑄件表面質量。

3 討論

3.1 泡沫模樣材料的影響

在消失模鑄造澆注過程中，泡沫模樣分解產生大量氣體，若這些氣體不能很好地通過涂料層逸出，則會留在鑄件中形成孔洞缺陷，且模樣分解不完全，殘留在鑄件中也可能帶來夾雜缺陷(見圖5(c))，這些缺陷將顯著降低鑄件性能。真空低壓消失模殼型鑄造由于澆注前脫去了泡沫模樣，能避免由于泡沫模樣分解所帶來的上述缺陷；另外，在澆注過程中對鑄型抽真空可排除型腔內氣體，也進一步減少了孔洞缺陷。因此，該新工藝獲得的鑄件比消失模鑄件的孔洞、夾雜等缺陷大大減少，力學性能也相應得到很大提高。

3.2 真空和壓力的影響

鋁合金鑄件內部易于產生的針孔缺陷是由于合金液中溶解的氫原子在鑄件凝固過程中析出氫分子，并聚合為氫氣泡，最終在鑄件內形成針孔。氫氣泡形成的條件為[12]

式中：pH2為鋁液中氫氣泡中的壓力；p1為氣泡外部壓力之和；p0為大氣壓；p2為加壓壓力；γ為鋁液的比重；H為氣泡上方鋁液高度；σ為鋁液表面張力；R為氣泡半徑。

通常情況下，式(1)中γH和σ兩項都很小，可忽略不計。因此，式(1)可簡化為

由式(2)可知，當增大加壓壓力p2使p1＞pH2時，就能有效地抑制氫氣泡的形成。在真空低壓消失模殼型鑄造過程中，金屬液是在真空和壓力的雙重作用下充型和凝固，即加壓壓力較大，而消失模鑄造僅在一定負壓下憑金屬液的自重進行充型和凝固。因此，真空低壓消失模殼型鑄件的針孔缺陷較消失模鑄件的大大降低。

此外，金屬液在凝固過程中的補縮是通過金屬液在枝晶間的流動來進行的[13?14]。在凝固過程中如果金屬液的補縮壓力不足、補縮不充分，則鑄件易于產生縮松、縮孔等缺陷。

由鑄件縮松的新山判據[15]可知

式中： Gsc、Rsc和psc分別為臨界固相率的溫度梯度、冷卻速度和壓力；Kc為縮松判據數。在一定鑄型條件下，Gsc和Rsc相對穩定，psc為影響鑄件縮松缺陷的主要因素。金屬液在一定壓力下凝固，可驅使處于液、固兩相區的金屬液進入固相骨架間隙進行補縮，進而阻止縮松和縮孔缺陷的產生。隨著外部壓力的增加，枝晶間金屬液的補縮能力提高，使鑄件的縮松和縮孔缺陷大大減少，鑄件致密度提高。在真空低壓消失模殼型鑄造過程中，由于金屬液在真空和壓力的雙重作用下進行補縮，其補縮壓力較大。因此，最終獲得鑄件非常致密，力學性能也得到很大改善。

表3 不同工藝下A356鋁合金力學性能對比Table 3 Comparisons of mechanical properties of A356 alloy under different processes

3.3 金屬液溫度場的影響

圖6所示為不同工藝下金屬液的冷卻曲線。由圖6可見，真空低壓消失模殼型鑄造中金屬液的冷卻速度明顯比消失模鑄造金屬液的冷卻速度快，而消失模鑄造中金屬液散熱速度較慢，這主要與散干砂的散熱速度較慢有關。在真空低壓消失模殼型鑄造時，金屬液的充型速度較快，使得接近型腔壁的金屬液散熱快，進而加快了金屬液的整體冷卻速度，最終金屬液獲得較大的過冷度，熔體內形核數目增加，使得鑄件的初生相和共晶硅的晶粒尺寸都很細小，且形成的部分細小枝晶在結晶潛熱作用下也可能被熔斷。因此，真空低壓消失模殼型鑄造獲得的 A356鋁合金比消失模鑄造獲得的A356鋁合金晶粒細小、鑄件力學性能較優。

4 結論

1)真空低壓消失模殼型鑄造A356鋁合金組織比消失模鑄造A356鋁合金組織細小、致密，其初生相晶粒尺寸和共晶硅尺寸都遠小于消失模鑄件的，鑄件孔隙率僅為 0.16%，遠低于消失模鑄造件的孔隙率(1.97%)。

2)真空低壓消失模殼型鑄造 A356鋁合金經 T6熱處理后的拉伸斷口韌窩形貌明顯，韌窩較深，且分布均勻，為韌性斷口為主的斷裂方式；而消失模鑄造A356鋁合金的拉伸斷口韌窩較少、較淺，且分布不均勻，還存在縮孔和夾雜等缺陷，為脆性斷口為主的斷裂方式。

圖6 不同工藝下金屬液的冷卻曲線Fig.6 Cooling curves of molten metal under different processes

3)真空低壓消失模殼型鑄造A356鋁合金的抗拉強度、伸長率和布氏硬度分別達到278.27 MPa、8.10%和93.1HB，比消失模鑄造A356鋁合金的分別提高了20.2%、166.4%和17.6%。且鑄件表面質量也優于消失模鑄件的表面質量。

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