铝合金压铸件断裂行为及免热处理铝合金开发

原标题：东北大学&一汽集团：压铸AlSi10MnMg合金断裂行为及免热处理合金开发

随着能源和环境问题的日益突出，减少碳排放已然成为各国缓解资源短缺和环境污染问题的重要措施。在汽车生产制造领域，为降低燃油消耗，减少碳排放，发展轻量化的新能源汽车已经成为汽车行业的发展趋势。其中，在保证汽车安全性的前提下，实现汽车减重和低成本制造成为了汽车生产商发展目标。汽车减重的方式主要有优化车身结构和发展轻合金材料。在车身优化方面，唐淳等通过有限元仿真模拟，实现了对汽车轮毂的优化，减重0.97kg。在车身选材方面，铝合金由于密度小、比强度高、成本低廉，成为汽车轻量化最理想的选材之一。目前，铝合金材料可以用于生产减震塔、轮毂、方向盘、仪表盘、发动机缸体和防撞梁等车用零部件，常见的亚共晶Al-Si合金有A356、A380、ADC12、Silafont-36、Castasil-37和Silafont-38等，其中Silafont-36（又称AlSi10MnMg）合金在压铸汽车部件上应用较为广泛，其不仅性价比高（无贵重元素添加），铸造性能好，而且热处理后的力学性能优异。在低成本制造方面，特斯拉提出了一体化车身设计，实现了几十或上百个车用部件一体化成形，提高效率的同时，也极大降低了因铆接和焊接带来的高昂成本。

高压铸造（HPDC）作为一种生产效率极高的近净成形工艺，因其生产的汽车零部件尺寸精度高，表面粗糙度低，广泛地应用于车用零部件的生产制造过程中。然而，在压铸过程中，由于压室中低速推进，型腔中高速充型和高压凝固的特点，使得压铸件中存在异质组织结构，表现为不规则的皮肤层、大尺度的缺陷带、粗大的预结晶组织（ESCs）、大尺寸的气孔和缩松等。研究者通过仿真模拟手段，模拟了液流高速充型过程，发现压铸件中的孔洞无法消除。通过压铸充型数值模拟计算了充型过程缺陷形成和演变行为，发现ESCs的中心分布和环形分布导致了缺陷带的产生。真空压铸技术的发展极大地降低了压铸产品中的孔隙率，提高了铸件质量。研究发现，通过添加真空装置后，压铸件中的孔隙率由原来的8.5%降至3.7%。研究了型腔中的真空度与孔隙率的关系，认为低的型腔真空度能够有效降低孔洞含量。本课题组近年来通过不断提升高真空压铸技术（双真空机协同抽真空），优化压铸参数（多级低速），改进模具结构（浇道、分流锥的结构优化），建立了高真空压铸体系，能够保证压铸过程中型腔真空度低于10kPa，为压铸件提供强有力的工艺保障。然而，在压室中形成的粗大预结晶初生α-Al相（ESCs-αI）在压铸件中能够引起大尺寸缩松，降低力学性能。还有研究者通过原位拉伸试验，发现ESCs晶界上易产生较大尺寸缩松，其往往充当裂纹源加速铸件失效。另外，Fe作为铝合金中的杂质元素，极易在熔炼过程中引入，去除难度较大。在压铸中，Fe能够促进脱模，有利于延长模具寿命，降低模具生产成本，但压铸过程中压室中形成的初生富Fe相（ESCs-IMCI）脆性较大，危害力学性能。本研究的重点是探讨预结晶组织在AlSi10MnMg合金断裂过程中的作用，在此基础上，通过微合金化的方式细化ESCs-αI并优化ESCs-IMCI，开发新型免热处理压铸合金并实现其在减震塔零部件上的试制，旨在为其应用提供参考。

图文结果

采用商用的AlSi10MnMg合金，其成分见表1。铸锭成分在标准AlSi10MnMg合金成分范围内，无氧化夹杂等重大缺陷，质量合格。同时，自主设计的新型THAS-1合金理想成分区间见表2。在AlSi10MnMg合金基础上，适当降低Si含量和Mn含量，并去除Mg，同时增加Zr和V来优化合金组织。采用的模具为三棒一片模具，参照文献，采用TOYO BD-350V5卧式冷室压铸机，配有高真空装置。将金属铸锭添加到熔炼炉中，并进一步快速加热至700~720℃温度区间以防止合金元素产生偏析。熔化后保温30min，然后通入氩气并进行持续搅拌30min。完成后，熔体冷却到680℃静置30min，随后进行扒渣。压铸采用的工艺参数：浇注温度为680℃，初始模具温度为120℃，低速速度为0.05~0.4m/s，高速速度为1~3m/s。车用减震塔结构件及取样位置见图1，该压铸试验采用富来28000kN高真空压铸机，压铸工艺根据压铸机参数制定。

表1 AlSi10MnMg合金的化学成分（%）

表2 THAS-1合金的化学成分（%）

图1 减震塔结构及取样位置图

图2 压铸AlSi10MnMg合金的显微组织

在图2a中，异常粗大的ESCs-αI具有较高的枝晶化程度，而细小的αI-Al以花瓣状形貌存在，图中暗黑色区域为共晶组织。ESCs-αI和αI-Al都属于初生α-Al相，但ESCs-αI形核于压室，并在冲头推进过程中快速生长，随着高速液体快速充型，凝固结束后保留在铸件中，其中，部分ESCs-αI在高速液流作用下会发生破碎、重熔，其形状变成球状或杆状。αI-Al在液相充填型腔快速凝固条件下形核析出，高冷速限制了其进一步生长，因此，尺寸较小，约为5μm。在图2b中，两种初生富Fe相［ESC-IMCI和（P-IMC）II］呈规则的多面体形貌，但二者尺寸相差悬殊。与初生α-Al相类似，两种初生富Fe相形核位置也存在差异。ESC-IMCI在压室中形核长大，而（P-IMC）II在型腔中快速形核析出。

图3 AlSi10MnMg合金断口及主裂纹附近组织

图4 免热处理THAS-1合金的组织

图5 两种合金减震塔不同位置的力学性能

图6 压铸THAS-1合金断口形貌图

结论

（1）压铸AlSi10MnMg合金中压室预结晶组织包括ESC-αI（初生α-Al相）和ESC-IMCI（初生富Fe相）。相较于型腔初生α-Al相（αI-Al）和初生富Fe相［（P-IMC）II］，压室预结晶组织尺寸大且ESC-αI的枝晶化程度高，其富集在一起，形成枝晶网络，凝固过程中极易造成剩余液相补缩困难，形成大尺寸缩松，促进沿晶断裂裂纹扩展，降低性能。粗大的ESCs-IMCI与周围基体变形协调性差，易引起应力集中，促进裂纹扩展。

（2）基于调控压室预结晶组织，开发了新型免热处理THAS-1合金。相较于AlSi10MnMg合金，压铸THAS-1合金中的ESCs-αI圆整化程度较高，ESCs-IMCI的球化趋势较为明显，强度和伸长率较热处理态AlSi10MnMg合金性能高，THAS-1合金断口存在大量的韧窝，综合力学性能优异。

作者焦祥祎东北大学材料科学与工程学院张炜 王鹏越 石利军 王成刚 佟国栋中国一汽集团刘亦贤 熊守美清华大学材料学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴