关于真空度对压铸A291D镁合金组织和力学性能影响的研究

作者：张毅  

A291D镁合金由于具有良好的铸造性能和耐蚀性能，还具备一定的力学性能，因而在压铸镁合金中得到广泛运用。

  普通压铸A291D镁合金屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为150 M Pa、230 M Pa和3%。其伸长率较低很大程度上是由于压铸过程中金属液以紊流态高速射入模具型腔，使型腔内部气体无法及时排出，造成金属液卷气而在压铸件中形成气孔，从而降低伸长率。真空压铸是一种通过真空系统抽除模具型腔内的气体，以降低压铸件内部孔隙率的铸造工艺，后期可进行热处理以提高压铸件的力学性能。本课题研究的是不同的真空度对压铸A291D镁合金显微组织和力学性能的影响。

1  试验过程

  压铸试验采用TOYO-BD350V5冷室压铸机，该压铸机最大锁模力为3 500 k N。采用VDS PLC-350的真空设备对压铸模具抽真空，通过调整压铸工艺参数（高、低速度及高低速转换位置）进而改变抽真空的时间长短，使模具型腔达到不同的真空度。采用井式电阻坩埚炉熔炼A291D镁合金，其成分见表1，一次熔炼50 kg，采用N2+SF4(0.5%)混合气体对熔体进行保护。

  图1为A291D镁合金压铸件的外观。采用模具温度控制机对压铸模具的温度进行控制。腐蚀剂选用体积分数为4%的硝酸酒精溶液，采用Axio Observer Al型光学显微镜进行显微组织观察。鼓泡试验工艺参数为450℃×3h，水淬。

  拉伸试样见图2，取样部位见图1中A处，拉伸试验采用Zwick Z100万能材料试验机，拉伸速率为1mm/min，标记长度为15 mm，平行试样数量为3～4根。

  真空压铸系统见图3，模具型腔通过真空阀与负压罐一端相连，负压罐的另一端与真空泵相连。当冲头封闭浇料口后，将促发位移传感器发出信号，真空系统开始工作，真空阀打开抽真空，直至金属液冲击真空阀使其关闭而停止抽真空。

A291D镁合金真空压铸工艺参数见表2．其中浇注温度为690℃，模具温度为200℃，比压为70 M Pa，增压位置在280 mm。

2试验结果及分析

  图4是不同压铸工艺下抽真空时间-真空度的曲线。可以看出，从1号工艺到4号工艺，随着抽气时间的不断增加，模具型腔的真空度得到不断提升。1号工艺下实际抽真空时间为0. 35 s．最低真空度为51.8kPa;4号工艺下实际抽真空时间为0.88 s，最低真空度为17.5 k Pa。

理论抽真空时间t v为：

式中，t l v为低速阶段理论抽真空时间；t h v为高速阶段理论抽真空时间。低速阶段理论抽真空时间t l v为：

式中，Li为不同低速段的长度，该压铸机最多可以设置9段低速；让为对应低速段的冲头速度。压铸机的冲头行至100 mm处封闭浇料口，同时打开真空阀抽真空，故上述压铸工艺参数中的第一段低速不抽真空。高速阶段理论抽真空时间为：

式中，L h为高速段长度，即高低速转换位置至增压位置的长度；Vh为高速段的冲头速度。根据式(1)～式(3)可求得各组压铸工艺参数下的理论抽气时间，见表3。

  从表3可以看出，理论抽真空时间与实际抽真空时间的最大偏差度控制在12%以内，说明上述计算理论抽气时间的方法具有一定的准确度，这为A291D镁合金真空压铸工艺参数的设计提供了较好的参考。在同一真空系统下，冲头在低速阶段的抽真空时间长短决定了抽真空的时间长短。从表3可以看出，低速阶段抽真空时间占总抽真空时间的90%以上，因而在设计真空压铸工艺参数时，应将重点放在低速段的参数设计上。

  图5为不同真空度下压铸件的显微组织。为了保证显微组织的可比性，试样均选在圆柱通孔高度1/4部位处，具体取样位置见图1中B处。对应的真空度分别为51.8、35.1、25.9、17.5 k Pa。可以看到图5a中的显微组织内部存在大量的气孔，并且气孔尺寸较大，大气孔的直径在150 μm以上，气孔的分布较为分散。

  随着真空度的提升，气孔数量不断减少，同时气孔尺寸不断减小，压铸件的内部质量得到明显改善，这有助于提高合金伸长率。当真空度达到17.5 k Pa时，组织中已不易观察到气孔。

  图6为A291D镁合金高温鼓泡后的外观，鼓泡试验是为了更加直观地查看压铸件的卷气情况，图6中的黑色标记点即为鼓泡点。对应的真空度分别为51.8、35.1、17.5 k Pa。可以看出随着真空度的提高，鼓包逐渐减少，表明压铸件内部的孔隙率下降。

  图7为不同真空度下压铸A291D镁合金的力学性能。可以看出，随着真空度的提升，A291D镁合金的伸长率得到提高。伸长率从51.8 k Pa下的3.2%，提高至17.5 k Pa下的5.1%，提高了60%。这是由于提升真空度能有效降低压铸件内部的孔隙率，而孔隙率对合金伸长率呈负相关影响，即降低孔隙率能提高合金的伸长率。

  A291D镁合金的抗拉强度从51.8 k Pa下的219M Pa，提高至17.5 k Pa下的249 M Pa，提高了13. 7%，表明真空度提高能有效提高合金的抗拉强度。A291D镁合金在17.5 k Pa下的屈服强度达到163 M Pa，较普通压铸A291D镁合金提高8.7%。真空压铸能提高屈服强度的原因在于，真空能有效地减薄压铸件与模具间的气体层，进而提高压铸件与模具间的传热系数，加大铸件的冷却速率，合金晶粒得到一定细化，从而提高合金的屈服强度。另外，在25. 9～35.1 k Pa真空度范围内伸长率的增长速率较大，真空度达到25.9 k Pa后合金伸长率的增长速率变缓。

3  结  论

  (1)提供了一种依据压铸工艺参数计算真空系统理论抽真空时间的方法，按照该方法计算的理论抽真空时间与实际抽真空时间的偏差度小于12%。从计算结果可以看出，低速阶段抽真空时间占比在90%以上，因此在设计真空压铸工艺参数时，应将重点放在低速段的参数设计上。

  (2)真空压铸A291D镁合金，其伸长率随着真空度的提升而提高。伸长率从51.8 k Pa下的3.2%，提高至17.5 k Pa的5.1%，提高幅度达到60%。17.5 k Pa下的伸长率相比普通压铸A291D镁合金3%的伸长率提高了70%。在25.9～35.1 k Pa范围内伸长率的增长速率较大，真空度达到25.9 k Pa后伸长率的增长速率变缓。在25. 9～35.1 k Pa的真空度范围具有较高的应用价值。

4摘要在现有真空系统的基础上，通过优化压铸工艺参数以提高模具型腔的真空度，降低压铸件内部的孔隙率，同时提供了一种依据压铸工艺参数计算理论抽真空时间的方法。按照该方法计算的理论时间与实际值的偏差度小于12%。A291D镁合金的伸长率随真空度的提升而提高，在17.5 k Pa真空度下的压铸件伸长率相比普通压铸提高近70%，真空度达到25 k Pa后继续提升，伸长率的增长速率逐渐减小，在25～30 k Pa的真空度范围内压铸，具有较高的工业应用价值。