真空對(duì)觸變壓鑄鑄件力學(xué)性能的影響
在常規(guī)壓鑄工藝中,采用真空輔助工藝來(lái)提高鑄件的力學(xué)性能一直是廣大研究人員和生產(chǎn)部門感興趣的課題。有關(guān)這方面的報(bào)道很多[1~4]。真空的應(yīng)用已被證明能減少鑄件的氣孔缺陷。其鑄件內(nèi)的氣孔尺寸較小且在鑄件斷面上的分布較均勻。與常規(guī)壓鑄不同,半固態(tài)金屬的粘度高、流動(dòng)特性不同,所以半固態(tài)金屬壓鑄過程中真空對(duì)壓鑄件性能的影響如何,澆注系統(tǒng)對(duì)真空影響有什么作用等是本文研究的重點(diǎn)。
1 試驗(yàn)過程
1.1 試驗(yàn)設(shè)備
布勒(Buhler)壓射控制壓鑄機(jī)(H-250 SC);阿爾發(fā)(Alpha 1)單線圈感應(yīng)加熱體;Foudarex真空系統(tǒng)。
1.2 試驗(yàn)材料
經(jīng)碎晶處理的鋁合金(A356)。
1.3 試驗(yàn)工藝
(1) 采用扇形單澆道和分支澆道兩種不同的澆注系統(tǒng)壓型進(jìn)行試驗(yàn),試件壁厚為5 mm。
(2) 將鋁合金錠加熱至半固態(tài)(60%固體),置于壓鑄機(jī)的壓室內(nèi),壓射成型。
(3) 切取試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、伸長(zhǎng)率試驗(yàn)、微觀組織分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 真空對(duì)金屬流動(dòng)的影響
常規(guī)的真空壓鑄中,必須加工特殊的真空插管。插管的作用是使金屬在流入真空閥系統(tǒng)之前固化金屬,避免細(xì)小的鋁金屬顆粒聚結(jié)在過濾器上。這些顆粒一旦進(jìn)入真空罐,會(huì)造成真空泵的機(jī)械損壞。通常該插管置于閥和型腔之間(見圖1)。這種曲線真空管設(shè)計(jì)的目的,是為了避免上述的兩個(gè)情況。
設(shè)想半固態(tài)金屬與常規(guī)壓鑄金屬比較,有較高粘度的層流特性和低的熱容量,且鑄件在真空管內(nèi)凝固較快。另外,半固態(tài)金屬的層流壓射會(huì)大大降低金屬液滴
2.3.1 扇形單澆道
靠近表面區(qū)的微觀組織圖片如圖3、圖4所示,表明在有無(wú)真空輔助工藝的情況下,鑄件晶粒大小相差不大;在真空下,鑄件微觀組織中單位面積上近球狀晶粒數(shù)較無(wú)真空情況少,同時(shí)鑄件上的氣孔也少。這一點(diǎn)說(shuō)明真空有助于減少鑄件的氣孔含量,但在觸變鑄造中表現(xiàn)不明顯。
2.3.2 分支澆道
靠近表面區(qū)的微觀組織圖片如圖5、圖6所示,顯示無(wú)論是真空輔助還是無(wú)真空輔助,在鑄件試樣中存在較高的氣孔量,且單位面積上近球狀晶粒數(shù)量較少。這說(shuō)明真空輔助工藝在分支澆道系統(tǒng)中對(duì)降低鑄件的卷氣量影響不大,即微觀照片上鑄件表面內(nèi)的氣孔含量總量幾乎一致。
比較圖3與圖5(或圖4和圖6),我們還可以看出在扇形單澆道中制備的鑄件,其微觀組織比由分支澆道制備的鑄件細(xì)致、晶粒尺寸略小,氣孔數(shù)量明顯減少。
3 結(jié) 論
在常規(guī)壓鑄中,采用真空輔助工藝金屬易于流入型腔,特別是充填薄壁和形狀復(fù)雜的部位,鑄件缺陷(如澆不足等)少,但通常需加工一個(gè)費(fèi)用高、形狀復(fù)雜的曲線真空管系統(tǒng)來(lái)固化更多的液體金屬。
半固態(tài)金屬的粘度太高,真空對(duì)半固態(tài)金屬壓鑄工藝的影響不會(huì)產(chǎn)生明顯的金屬材料被吸附現(xiàn)象,因而只需加工直線真空管連接在模具上,就可以使金屬在到達(dá)真空系統(tǒng)之前固化。
在半固態(tài)金屬真空輔助觸變鑄造中,扇形單澆道系統(tǒng)使抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高約14%和15%;分支澆道系統(tǒng)提高抗拉強(qiáng)度約4%,伸長(zhǎng)率幾乎不變。
從兩種橫澆道系統(tǒng)(扇形單澆道和分支澆道)研究結(jié)果可看出:金屬能很快達(dá)到閥體的位置,并在真空和無(wú)真空兩種工藝情況下呈現(xiàn)相同結(jié)果。同時(shí),在扇形單澆道和分支澆道的兩種橫澆道系統(tǒng)中,充填金屬均能到相同的鑄件部位,且鑄件鑄態(tài)表面品質(zhì)在有無(wú)真空的條件下變化不大。這些充分說(shuō)明在觸變鑄造時(shí),有無(wú)真空輔助以及不同橫澆道系統(tǒng)對(duì)金屬的充型能力影響不大。
2.2 力學(xué)性能
表1顯示的結(jié)果說(shuō)明了真空對(duì)兩種不同澆注系統(tǒng)(扇形單澆道、分支澆道)情況下鑄件力學(xué)性能的影響。
表1 試樣的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
真空
輔助澆道流速伸長(zhǎng)率極限抗拉強(qiáng)度*(平均值)試樣
數(shù)量
m/s%MPa
扇形單澆
道系統(tǒng)
有9.55
9.554.07
4.68207.9
237.44
6
分支澆道
系統(tǒng)無(wú)
有11.72
11.721.73
1.61196.14
204.564
6
表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示兩方面的結(jié)論。相同澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的試件,真空可以提高鑄件的抗拉強(qiáng)度14%(扇形單澆道)、4%(分支澆道)和伸長(zhǎng)率15%(扇形單澆道)。分支澆道系統(tǒng)下試樣的伸長(zhǎng)率變化表現(xiàn)不明顯;不同澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的試件中,扇形單澆道系統(tǒng)鑄件的抗拉強(qiáng)度比分支澆道系統(tǒng)鑄件的抗拉強(qiáng)度高6%(無(wú)真空)和16%(真空),而扇形單澆道鑄件的伸長(zhǎng)率比分支澆道高191%(真空)和135%(無(wú)真空)。從抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的絕對(duì)值來(lái)看,扇形單澆道系統(tǒng)生產(chǎn)的鑄件比分支澆道系統(tǒng)的鑄件高得多。
2.3 真空對(duì)微觀組織的影響
將鑄件加熱到540 ℃,保溫一段時(shí)間,鑄件中卷入的氣體膨脹,使得試樣變形并生成表面氣泡。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在扇形單澆道系統(tǒng)中,真空對(duì)鑄件氣孔量有所影響,即減少了鑄件的氣體含量;而分支澆道系統(tǒng),有真空和無(wú)真空輔助對(duì)鑄件氣孔量的影響不大,鑄件上的氣孔率幾乎是相同的。這一點(diǎn)說(shuō)明真空輔助工藝減少含氣量的作用只適用于那些宜半固態(tài)金屬鑄造的澆道系統(tǒng)。
微觀組織的改變可以反映材料的力學(xué)性能變化。通過觀察拋光試樣表面的微觀組織,也可以認(rèn)識(shí)到材料宏觀性能的變化原因。圖3~圖6清楚地表明在觸變鑄造中真空并不影響材料的微觀組織。這種情況在兩種澆道系統(tǒng)都存在。
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