新型压铸浇道设计对预结晶组织和孔隙率的影响

焦祥祎， 王鹏越， 刘亦贤， 石利军， 王成刚， 熊守美

（1.东北大学 材料科学与工程学院， 沈阳 110819； 2.东北大学 辽宁省轻量化用关键金属结构材料重点实验室， 沈阳 110819； 3.一汽铸造有限公司， 长春 130000； 4.清华大学 材料学院， 北京 100084）

目前，一体化车身成形技术可极大程度地降低汽车生产成本，而车身选材是限制一体化车身技术的关键难题.因此，研发一体化免热处理车身材料成为近年来压铸行业的热点话题.亚共晶Al-10%Si（质量分数，%）合金由于密度小（约为钢的1／3）、成形性好和比强度高，被广泛应用于汽车零部件上［1-5］.此外，Al-10%Si 合金两相凝固区间窄，故该类型铝硅合金流动性能好，不易产生凝固收缩类缺陷，能使汽车结构部件具有良好的力学性能.Zhang 等［6］发现，Al-10%Si-1.2%Cu-0.7%Mn具有优异的拉伸性能，其屈服强度为206 MPa，抗拉强度为331 MPa，伸长率为10%.

高压铸造（HPDC）是生产复杂薄壁部件最常用的方法之一［7-8］，其生产效率高，适用性能好.然而，在压铸过程中，高速填充和快速凝固会导致铸件内部形成特定的微观结构.其中，预结晶组织（ESC）［9-10］通常在低速阶段沿着压室壁形成，并且随着冲头的运动不断长大，最终随熔体充填铸型而保留在铸件中.同时，铸件内部也会出现典型的缺陷带组织［11-13］.此外，铸件中还存在大量气孔和缩松，分别由卷气和凝固收缩引起［14］，这些均会对铸件的力学性能产生较大的危害.而对浇道进行设计可以调控液流的速度和方向，达到调控压铸件组织和缺陷的目的.因此，本研究中通过设计弯折流道并增加ESC 收集块来调控液流速度，以期实现ESC的均匀分布，降低铸件整体的孔隙率.

1 实验方案

1.1 合金成分

本实验中采用亚共晶AlSi10MnMg 合金，其成分如表1 所列.使用的铸锭无氧化夹杂等重大缺陷，质量均合格.

表1 AlSi10MnMg 合金化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the hypoeutectic AlSi10MnMg alloy （mass fraction） %

1.2 压铸条件

图1（a）为新设计的压铸铸件图.该压铸件从左到右依次包含一个标准的拉伸试棒、拉伸试片、热裂镶块、阶梯镶块和阶梯上方的流动镶块，它不仅可以测试合金的标准力学性能，还可以测试合金的抗热裂能力和流动性.图1（b）和（c）分别显示了两种浇道镶块：一种是传统浇道；另一种是改进后的浇道.图1（d）和（e）分别为图1（b）和（c）浇道中的直浇道部分：一种是传统的直浇道；另一种为改进的弯折直浇道.其中，有关弯折浇道角度和截面积的设计见文献［15］，这样设计的目的是实现ESC 的破碎与收集.本实验中使用标准试棒进行微观组织和孔隙率的研究.

图1 压铸件试棒图Fig.1 The configuration of die casting

本实验中采用TOYO BD-350V5 压铸机，在真空方面配套VCSU-15 真空设备.将AlSi10MnMg合金铸锭添加到熔炼炉中，加热到700 ～720 ℃温度区间.熔化后，保温一段时间再进行除气扒渣，降温至680 ℃开始压铸实验.表2 列出了本次压铸实验采用的3 种工艺参数.为了防止冲头运动前端受浇料口的影响，设置了多级低速速度，当冲头行程在80～270 mm 的位置时，真空压铸工艺和高真空压铸工艺的低速速度分别设置为0.15 m／s和0.05 m／s.同时，为了检验改进直浇道对ESC 破碎弥散的效果，本实验中采用较低的高速速度1.5 m／s.

表2 压铸工艺Table 2 The key HPDC process parameters

图2（a）为真空压铸和高真空压铸冲头运动行程对比图.从图中可以看出，在多级低速下，真空压铸冲头运动时间为1.83 s，高真空压铸冲头运动时间为3.92 s，二者相差2.09 s.这个差别为高真空压铸提供了更多抽真空的时间，但液体在压室中停留时间的增加会导致ESC 含量的增大.图2（b）为真空压铸和高真空压铸有效真空度与有效真空时间的对比图.有效真空度是指金属液充型前型腔的真空度，其为真空压力与压铸机油缸压力的交点.由图可知：真空压铸的有效真空度为25 kPa，有效真空时间为0.7 s；而高真空压铸的有效真空度为9.5 kPa，有效真空时间高达1.9 s，真空效果极佳.综上可知，第3 种工艺弯折浇道高真空压铸可达到保持高真空且破碎弥散ESC 的目的.

1.3 组织性能分析

为观察铸件中孔隙率，采用纳米电子计算机断层扫描进行无损检测压铸件中的孔隙率，并还原孔洞的三维形貌.实验中采用的工作电压和电流分别设置为100 kV 和110 μA，分辨率设置为3 μm.先使用标号200＃～3000＃水砂纸对选取的压铸试棒进行研磨，然后使用颗粒大小为2.5 ～0.1 μm的金刚石研磨膏进行机械抛光，经超声去垢处理后用于金相（OM）观察.另外，使用Avizo软件进行ESC 和孔隙率的统计，同时孔洞的三维形貌也通过Avizo 软件呈现出来.

2 实验结果与讨论

2.1 压室预结晶组织差异

图3 为3 种压铸工艺下试棒圆截面及沿直径方向放大的组织图.从图3（a）和（b）中可以看出，在真空和高真空的工艺下组织中均有一定量的孔洞分布，表层还存在超过100 μm 的皮肤层［见图3（d）和（e）］.而在弯折流道高真空压铸工艺下，试棒截面上并没有观察到大尺寸孔洞，表层也未发现皮肤层［见图3（c）和（f）］.

图3 三种压铸工艺组织图Fig.3 Microstructure of three die casting processes

表3 列出了3 种压铸工艺下ESC 的面积分数、当量直径和数量对比.在真空压铸下，由于低速速度相对较高，ESC 面积分数较低（4.86%）.而在高真空压铸工艺下，由于低速速度相对较低，ESC 的面积分数较高（11.06%）.当添加弯折浇道后，ESC 的面积分数为10.73%，与高真空压铸工艺相比，ESC 的面积分数并没有出现大幅度下降.从3 种工艺的ESC 平均当量直径和数量来看：真空压铸工艺下ESC 尺寸最小、数量最少；高真空压铸工艺下ESC 平均当量直径最大（25.1 μm）；当添加弯折浇道后，ESC 的平均当量直径降低到了23.8 μm，减少了5.18%.此外，在高真空压铸工艺下，添加弯折流道后，ESC 数量由509 个增至586 个，增加了15.13%.

表3 3 种压铸工艺下的ESC 对比Table 3 Difference of ESC under three die casting processes

图4 为3 种工艺下ESC 面积分数沿径向分布图.从图中可以看出，真空压铸工艺下的ESC 含量远低于高真空压铸工艺下的ESC 含量.在高真空状态下，ESC 主要富集于铸件的心部，在心部形成ESC 枝晶网络.在添加弯折流道后，ESC 的含量虽然降低程度小，但其沿直径方向分布得非常均匀，未出现大尺寸的ESC 枝晶网络聚集现象.

图4 3 种工艺下ESC 面积分数沿径向分布图Fig.4 ESC area fraction along the diameter direction under three die casting processes

2.2 孔隙率差异

图5 为3 种压铸工艺下孔洞分布图.从图5（a）～（c）中可以看出，在真空压铸和高真空压铸工艺下，试棒切片心部位置存在大尺寸孔洞，而在添加弯折浇道的高真空压铸工艺下，切片中并未发现大尺寸孔洞.从图5（d）～（f）中可看出：在真空压铸和高真空压铸工艺下，大尺寸孔洞贯穿于试棒整个心部位置；而在添加弯折浇道的高真空压铸工艺下，试棒心部孔隙率急剧减小，孔洞的尺寸也较小.表4 列出了3 种压铸工艺下孔洞特征的对比情况.从表中可以发现：在真空压铸和高真空压铸工艺下，试棒的孔隙率高，孔洞的平均当量直径大，大尺寸孔洞数量多；在添加弯折浇道的高真空压铸工艺下，试棒的孔隙率从0.073%降低至0.006%，孔洞的平均尺寸也由35.5 μm 降到了25.5 μm，超过100 μm 大尺寸孔洞的数量也由15 降至0.因此，在压铸过程中，高真空工艺下添加弯折流道能够有效降低铸件中的孔隙率，提高铸件的质量.

图5 3 种压铸工艺孔洞分布图Fig.5 Porosity distribution of three die casting processes

表4 3 种压铸工艺下孔洞特征对比Table 4 Difference of porosity under three die casting processes

结合表3 和图4 可以发现，在添加弯折浇道的高真空压铸工艺下，ESC 面积分数所受的影响不大，但能够使ESC 从表层到心部分布得更加均匀，进而增大枝晶间的补缩效果，并且在高真空状态下，孔隙率大幅降低（见图5 和表4）.出现这些现象的原因是弯折浇道可以改变熔体运动轨迹，调控熔体运动速度，使得液流速度在浇道截面积变化的位置上出现骤增或骤减.这样ESC 在充型过程中会受到较大的剪切力，一方面可达到破碎ESC 的目的，另一方面还可以使ESC 分布均匀.对于高真空压铸试棒，由于真空度高，合金中的气孔含量会大幅度降低，然而，熔体在压室中停留时间的增长会导致大量的枝晶状ESC 出现.在之前的研究中发现［10］，ESC 会在铸件心部富集而形成大尺寸枝晶网络.由于熔体在枝晶网络界面处难以补缩，会引起大尺寸网状缩松的形成，这就成为了铸件断裂的裂纹源.而弯折浇道可以减小ESC 尺寸，降低ESC 枝晶网络占比，从而改善枝晶间的补缩效果，消除大尺寸网状缩松.

3 结 论

（1）设计弯折浇道来辅助高真空压铸工艺，可使铸件中ESC 发生破碎并沿径向分布均匀，这有效降低了铸件中的孔隙率，消除了大尺寸孔洞，在很大程度上提高了铸件的质量.

（2）弯折浇道促进了铸件中ESC 的均匀分布，而均匀分布的ESC 能够大幅度降低孔隙率，使孔隙率从0.073%降低到0.006%，大尺寸孔洞被消除.