真空对触变压铸铸件力学性能的影响

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真空对触变压铸铸件力学性能的影响

在常规压铸工艺中，采用真空辅助工艺来提高铸件的力学性能一直是广大研究人员和生产部门感兴趣的课题。有关这方面的报道很多[1～4]。真空的应用已被证明能减少铸件的气孔缺陷。其铸件内的气孔尺寸较小且在铸件断面上的分布较均匀。与常规压铸不同，半固态金属的粘度高、流动特性不同，所以半固态金属压铸过程中真空对压铸件性能的影响如何，浇注系统对真空影响有什么作用等是本文研究的重点。
　　1　试验过程
　　1.1　试验设备
7 n1 Q( g8 G/ q; c4 a　　布勒(Buhler)压射控制压铸机(H-250 SC);阿尔发(Alpha 1)单线圈感应加热体;Foudarex真空系统。
) [" H# s0 H- P. ?6 A& P' o　　1.2　试验材料
( W0 @" M! R; P2 `+ s　　经碎晶处理的铝合金(A356)。
　　1.3　试验工艺
　　(1) 采用扇形单浇道和分支浇道两种不同的浇注系统压型进行试验，试件壁厚为5 mm。
　　(2) 将铝合金锭加热至半固态(60%固体)，置于压铸机的压室内，压射成型。
( `! p2 y. n  o# [2 y. w* q　　(3) 切取试样进行抗拉强度试验、伸长率试验、微观组织分析。
　　2　结果与分析
　　2.1　真空对金属流动的影响
　　常规的真空压铸中，必须加工特殊的真空插管。插管的作用是使金属在流入真空阀系统之前固化金属，避免细小的铝金属颗粒聚结在过滤器上。这些颗粒一旦进入真空罐，会造成真空泵的机械损坏。通常该插管置于阀和型腔之间(见图1)。这种曲线真空管设计的目的，是为了避免上述的两个情况。
　　图1　常规压铸真空阀曲线插管
　　1.真空点　2.模具台　3.真空阀　4.型腔插管
" k5 m5 _, r& M  E+ Y　　设想半固态金属与常规压铸金属比较，有较高粘度的层流特性和低的热容量，且铸件在真空管内凝固较快。另外，半固态金属的层流压射会大大降低金属液滴数量。这样，联接阀和压型的真空管被加工成直线状，见图2。
9 ^7 X8 [# U% A9 j/ |- R0 ~+ D  W　　图3　扇形单浇道生产铸件表面微观组织(真空)
' F# I  Q$ N' q' m　　图4　扇形单浇道生产铸件表面微观组织(无真空)
' O& g6 g, d/ w4 P" {　　图5　分支浇道生产铸件表面附近微观组织(真空)
　　图6　分支浇道生产铸件表面附近微观组织(无真空)
2 s2 S/ D$ y( }( @9 f; L　　2.3.1　扇形单浇道
　　靠近表面区的微观组织图片如图3、图4所示，表明在有无真空辅助工艺的情况下，铸件晶粒大小相差不大;在真空下，铸件微观组织中单位面积上近球状晶粒数较无真空情况少，同时铸件上的气孔也少。这一点说明真空有助于减少铸件的气孔含量，但在触变铸造中表现不明显。
8 o, {% D  f& W( f　　2.3.2　分支浇道
　　靠近表面区的微观组织图片如图5、图6所示，显示无论是真空辅助还是无真空辅助，在铸件试样中存在较高的气孔量，且单位面积上近球状晶粒数量较少。这说明真空辅助工艺在分支浇道系统中对降低铸件的卷气量影响不大，即微观照片上铸件表面内的气孔含量总量几乎一致。
　　比较图3与图5(或图4和图6)，我们还可以看出在扇形单浇道中制备的铸件，其微观组织比由分支浇道制备的铸件细致、晶粒尺寸略小，气孔数量明显减少。
　　3　结　论
5 k. J4 X( [  N: I4 O9 Q　　在常规压铸中，采用真空辅助工艺金属易于流入型腔，特别是充填薄壁和形状复杂的部位，铸件缺陷(如浇不足等)少，但通常需加工一个费用高、形状复杂的曲线真空管系统来固化更多的液体金属。
8 h2 V7 K% h/ a5 q　　半固态金属的粘度太高，真空对半固态金属压铸工艺的影响不会产生明显的金属材料被吸附现象，因而只需加工直线真空管连接在模具上，就可以使金属在到达真空系统之前固化。
　　在半固态金属真空辅助触变铸造中，扇形单浇道系统使抗拉强度和伸长率分别提高约14%和15%;分支浇道系统提高抗拉强度约4%，伸长率几乎不变。
- ?4 q4 p* d1 ^　　图2　半固态金属压铸真空阀直线插管
* [3 `* F' l4 Y) ^  i! T& Y5 ?0 D　　1.真空管　2.模具台　3.真空阀　4.型腔插管
9 i6 M0 H9 R" ?: g/ p4 I' Z- I9 I6 F　　从两种横浇道系统(扇形单浇道和分支浇道)研究结果可看出：金属能很快达到阀体的位置，并在真空和无真空两种工艺情况下呈现相同结果。同时，在扇形单浇道和分支浇道的两种横浇道系统中，充填金属均能到相同的铸件部位，且铸件铸态表面品质在有无真空的条件下变化不大。这些充分说明在触变铸造时，有无真空辅助以及不同横浇道系统对金属的充型能力影响不大。
* b( M3 M$ N# b* U9 Z1 F! h　　2.2　力学性能
　　表1显示的结果说明了真空对两种不同浇注系统(扇形单浇道、分支浇道)情况下铸件力学性能的影响。
' b- \. e4 ~$ x% a3 ^　　表1　试样的抗拉强度测试结果

	真空 " T5 x% W" @% @5 P; f  ?3 I辅助	浇道流速	伸长率	极限抗拉强度*(平均值) # \" g3 p/ C3 [3 C	试样 ) d/ b$ w0 k8 q7 q9 X& ?, x数量 6 _+ T/ Y/ u+ F" g# n9 ~& n
		m/s 7 B/ S6 Z  J1 e' N4 J$ f	%	MPa
扇形单浇 % m- j1 f, x% ^' f% ]0 [; p道系统	有 ) R, M& K3 l0 ?* k+ N	9.55 ! p# c2 u9 H1 {; U- m9.55	4.07 4.68   H2 D5 n5 D( b	207.9 237.4 8 G( Y$ T/ Q0 k* d0 a	4 6
分支浇道 , n% N8 w5 |) D1 @/ f2 M系统	无 0 ^3 i- [3 D8 E6 Q: W% p, L1 y有 + _" E/ [  y0 H4 u& L	11.72 11.72 ! w" ?: K' l3 {	1.73 1.61 . w: ?; w  @+ b9 Z+ v# j; Z	196.14 204.56 ) ]# S3 ^% d! X- }	4 3 _* q: @# k1 B' t' l- c2 t6

　　表中的试验数据显示两方面的结论。相同浇注系统生产的试件，真空可以提高铸件的抗拉强度14%(扇形单浇道)、4%(分支浇道)和伸长率15%(扇形单浇道)。分支浇道系统下试样的伸长率变化表现不明显;不同浇注系统生产的试件中，扇形单浇道系统铸件的抗拉强度比分支浇道系统铸件的抗拉强度高6%(无真空)和16%(真空)，而扇形单浇道铸件的伸长率比分支浇道高191%(真空)和135%(无真空)。从抗拉强度和伸长率的绝对值来看，扇形单浇道系统生产的铸件比分支浇道系统的铸件高得多。
: H+ l7 U- t6 {8 W　　2.3　真空对微观组织的影响
　　将铸件加热到540 ℃，保温一段时间，铸件中卷入的气体膨胀，使得试样变形并生成表面气泡。试验中发现在扇形单浇道系统中，真空对铸件气孔量有所影响，即减少了铸件的气体含量;而分支浇道系统，有真空和无真空辅助对铸件气孔量的影响不大，铸件上的气孔率几乎是相同的。这一点说明真空辅助工艺减少含气量的作用只适用于那些宜半固态金属铸造的浇道系统。
　　微观组织的改变可以反映材料的力学性能变化。通过观察抛光试样表面的微观组织，也可以认识到材料宏观性能的变化原因。图3～图6清楚地表明在触变铸造中真空并不影响材料的微观组织。这种情况在两种浇道系统都存在。