压射速度对流变压铸AM60镁合金缺陷形成的影响

 邢  博1  李元东2  胡光山1  汤成莉1  马  宁1

 （1．嘉兴学院机电工程学院；2．兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室）

摘要采用自行研发的自孕育制浆技术制备AM60半固态浆料，利用冷室压铸机对浆料进行流变压铸成形试验，研究压射速度对铸件缺陷形成的影响。结果表明，当压射速度小于0．5m／s时，铸件充型不足；增大至2．0 m/s后，铸件充型完整，但充型末端易出现冷隔缺陷；压射速度大于7．0m／s导致铸件出现严重飞边。显微组织分析表明，压射速度增大，铸件内微气孔增多且尺寸增大，铸件边缘液相偏析程度减小，同时内部夹杂增多，夹杂物尺寸较大；当压射速度小于1．0 m/s时，初生相形貌发生粗化，液相中二次枝晶增多。因此，高压射速度能在一定程度上提高流变压铸件显微组织的均匀性，但同时使铸件气孔、夹杂缺陷增多，不利于提高半固态压铸件的力学性能。

 关键词压射速度；缺陷；AM60合金；半固态；流变压铸

 中图分类号  TG146.2；TG249.2+6  DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 016

 半固态成形( Semi-solid Forming)是20世纪70年代提出的一种新型金属成形技术，其采用含有一半左右球状固相的金属浆料进行成形加工。由于半固态金属具有一定粘度，压铸时呈层流充型，有利于排出型腔气体，能够减小甚至消除气孔缺陷，为热处理强化创造条件。相比之下，液态压铸时金属在压力下呈高速紊流状充填型腔，容易卷气，造成气孔缺陷，力学性能低且不能进行热处理强化。因此，半固态压铸是解决传统压铸技术应用瓶颈的重要途径之一。

 近年来，由于工业生产对半固态成形性价比要求提高，学者将研究重点转向短流程、高效率的半固态流变成形，先后开发了一些具有代表性的制浆技术，如SSR、CRP、近液相线法、波浪形冷却斜坡法、倾斜式滚筒剪切法、蛇形管浇注法等。这为半固态流变成形工业化应用奠定了基础。然而，除制浆之外，半固态铸件微观组织和内部缺陷是决定其力学性能的

主要因素。目前，针对半固态压铸工艺参数对铸件显微组织的影响已有了一些研究，但仍然缺乏针对半固态压铸件缺陷形成规律方面的研究，这对于深入理解半固态成形、可控性精确成形的本质，以及提高半固态成形工艺可控性带来了一定困难。因此，本课题采用自行研发的自孕育制浆工艺制备AM60半固态浆料，利用冷室压铸机对浆料进行了流变压铸成形试验，

研究了压射速度对铸件缺陷形成的影响，旨在优化半固态压铸参数，为提高成形件质量提供参考。

1  试验过程

 试验采用商用AM60镁合金，该合金理论液相线和固相线温度分别为615℃和580 ℃，其化学成分见表1。

 取一定质量合金锭在坩埚电阻炉中熔化，升温至720℃后用1. 5%（质量分数）的Cl2C6精炼，扒渣后静置。当熔体温度降至690℃时，采用自孕育制浆工艺浇注，浇注时在导流器出口用温度为595℃的保温坩埚收集浆料并静置3 min，之后将浆料倾倒入压铸机压室进行压铸。为了避免浆料在转移和浇注过程中温度波动导致固相率变化，制浆和浆料转移浇注均使用同一坩埚。此外，对冷室压铸机压室做特殊改造，在其侧壁内沿轴向钻孔，插人数根陶瓷加热棒对压室加热，预热温度可达590℃，满足AM60镁合金半固态成形的要求。试验采用的压射参数：增压压力为160 M Pa，模温为250℃，保压时间为30 s，压射时冲头速度选取0.2～9.0 m/s。

 压铸后，在压铸试样1／2长度处切取宽度为5 cm的试样，经过预磨、细磨、抛光后制成金相试样，之后用体积分数为10%的HC1溶液腐蚀，利用MEF-3光学显微镜对试样中心和边缘进行显微组织观察，重点观察不同压射速度下铸件显微组织中出现的缺陷种类及数量。

2  试验结果与分析

2.1压射速度对铸件成形性的影响

 图1为不同压射速度下生产出的AM60镁合金压铸件。可以看出，当压射速度为0.2 m/s时，半固态浆料只能充填至型腔末端，所得试样形状不完整。试验表明，在速度低于0.5 m/s均会导致铸件充型不足；当速度增大至2．0m／s时，压铸件料柄、横浇道、试片及排气

槽部分轮廓清晰、形状完整，表明增大压射速度有利于提高浆料充型能力。但同时发现，速度在0. 5～2．0 m/s时，铸件末端表面处出现冷隔缺陷，见图1b。当压射速度增大至7.0 m/s时，铸件形状完整，轮廓清晰，但此时沿分型面飞边、毛刺严重（见图1c）。由此可见，压射速度越大，能在一定程度上提高浆料的充型能力，但同时增大了产生铸件飞边缺陷的可能性。

 试验中在较低压射速度下铸件会产生浇不足、冷隔。这是因为压射速度过低，浆料在压室和浇注系统中停留时间延长，固相率增大，导致粘度增大、流动性减小，使充型不连续或者充型后期中断。此外，浆料充型时间越长，流动前端凝料现象加剧，先到模具型腔内部的金属液不能及时与后面流入的金属液完全熔合，就会出现明显的冷隔。因此，对于半固态压铸而言，即使理论上凝固后期球状浆料具有更好的流动性和补缩性，但如果压射速度过低，同样会导致无法完整充型。因此，为了提高浆料流动充型性，需要适当提高压射速度。但速度过大，又会使浆料对分型面产生过大压力，导致飞边。这不但增加了后续飞边切除工序，也增加成本，同时也容易导致铸件表面应力集中，诱发裂纹。

2.2压射速度对气孔的影响

 图2为不同压射速度下流变压铸AM60镁合金显微组织中的气孔形貌。从图2可见，压射速度为0.5m/s时，铸件中未见明显气孔缺陷，随着速度增大至2.0m/s，可见光滑的微小气孔分散在显微组织中；当速度增大至4．0 m/s，气孔清晰可见，数量增多，尺寸增大；当速度增大至7.0m／s时，气孔缺陷严重，数量增加、尺寸增大。由此可见，尽管半固态浆料具有一定粘度，有利于以层流方式充型以排出气体，但如果压射速度过大，同样会造成大量气孔影响铸件性能。

 半固态压铸时，压室、浇注系统、型腔内部均存在气体，压射速度过高导致浆料受力增大，很容易导致紊流或射流，甚至飞溅现象。此时充型，气体无法完全平稳排出型腔，被浆料裹入，而且由于浆料外部先行凝固，无法排出，最终留于铸件表面之下。试验发现，在铸件末端和排气槽附近观察到的气孔尤为严重。因此，利用半固态压铸减少气孔缺陷需建立在优化压射参数之上，如果气孔严重，可通过降低压射速度、增大浆料固相率来改善，同时也可以采取改进浇注系统设计以降低充型速度，增加溢流槽、排气槽等措施。

2.3压射速度对液相偏析的影响

 图3为AM60镁合金流变压铸件在不同压射速度下试样的边缘组织形貌。可以看出，当压射速度为0.5m/s时，越靠近边缘，固相颗粒越少，距边缘约1 000肚m范围内几乎均为液相，固相颗粒占比很少。随着压射速度增大至2．0 m/s，边缘液相偏析区明显减小，固相颗粒增多，但边缘液相率仍略高于中心。随着速度增大至4m／s，边缘液相偏析仍存在，但固相率进一步增大，从边缘至中心固相分布趋于均匀。当压射速度为7.0m／s时，边缘液相偏析不明显，整个视场内固相分布均匀。由此可见，增大压射速度有利于减小铸件边缘液相偏析，从而提高组织均匀性。

 半固态压铸时，由于存在一定含量的固相率，且液相将相邻固相均匀隔离，固相之间相互作用较小，对流动充型影响较小。因此，在外力作用下，浆料中固相和液相一般是分开流动，而且由于液相粘度低，流动速度较固相快。浆料充型时，边缘部位金属受型腔内部激冷，产生凝固收缩，体积收缩对液相产生近似于毛细吸引作用，使得浆料内部液相不断流动至铸件边缘，造成液相偏析。随着压射速度增大，固、液两相分离现象减小，液相高速带动固相一起流动，因而使液相偏析减小。表面液相偏析区由于含有更多的硬质共晶相，硬度会略大于心部位置，但从铸件整体性能而言，液相偏析造成的微观不均匀很有可能诱导裂纹产生。因此，在一定程度上增大压射速度，对减小铸件组织偏析、提高力学性能是有利的。

2.4压射速度对夹杂的影响

 镁合金半固态制浆时，如果熔炼不洁净，熔体内易混入杂质。此外，镁合金在高温产生氧化燃烧，形成表面氧化皮、氧化渣等现象。当半固态浆料高速下注射到模具型腔时，很容易引起紊流将表面氧化夹杂裹人熔体，留于铸件内部。图4为不同压射速度下AM60合金显微组织中氧化夹杂形貌，其主要为形状不规则，大小、颜色均不相同的夹杂物。从图4可见，随着压射速度增大，显微组织中夹杂物的数量和尺寸明显增大，铸件负载受力时，这些夹杂物会成为裂纹源，严重降低铸件性能。试验表明，如果压射速度适当降低，有利于保证层流充填特性，浆料在通过内浇口等部位时，由于流动截面减小，流速增大，有利于表面氧化物滞留在浇口等部位，从而保证铸件力学性能不会降低。

2.5压射速度对显微组织的影响

 图5为不同压射速度下AM60镁合金微观组织形貌。从图5a可见，当浆料在较低压射速度下充型并凝固时，微观结构组成为白色球状a-Mg晶粒和分布在黑色共晶组织中呈白色点状的激冷a-Mg颗粒。但在初生a-Mg晶粒之间，能够观察到尺寸较大的二次树枝晶组织。随着压射速度增大至1.0 m/s，固相颗粒之间粘接现象减少，液相中树枝晶分布均匀，尺寸相对减小（见图5b）。当速度增大至4．0m／s和7．0 m/s时，半固态组织中白色a-Mg晶粒形貌圆整，分布均匀，液相中二次枝晶组织明显减少（见图5c、图5d）。

 半固态浆料压铸时，其凝固过程主要为浆料中剩余液相的凝固。因此，半固态压铸件微观组织应为制浆时形成的较大尺寸固相颗粒与型腔内液相快速凝固形成的微小激冷组织。但是，压射速度较低，浆料在压室和浇注系统中与其接触时间增加，液相提前部分凝固，由于此时凝固速率不均匀，导致生成树枝晶组织。随着压射速度增大，剩余液相在充型过程中所受激冷作用减小，且凝固速度增大，因此生成的二次枝晶组织减小且数量较少。随着压射速度增大，浆料在很短的时间里迅速充填型腔，此时剩余液相几乎全部在型腔内快速凝固，转化为二次凝固a-Mg（见图5中白色细小颗粒）和共晶混合物（见图5中黑色组织）。从凝固补缩角度来看，如果充型时产生过多的二次枝晶，凝固后期枝晶间形成封闭空间，造成补缩困难，容易形成缩松、缩孔缺陷。试验结果表明，增大压射速度，半固态铸件显微组织相对均匀、细小。

 综上所述，半固态成形由于采用含有部分细小、球状固相颗粒的混合浆料进行成形加工，对细化铸件微观组织、减少铸件气孔等缺陷具有积极意义。但是，从半固态压铸来看，如果不能采用合适的压射速度，不但会使铸件成形困难，而且会造成铸件内部产生严重气孔、夹杂等缺陷，使半固态成形失去其应有的精确控形、控性优势。试验表明，压射速度越大，尽管能使铸件微观组织更为均匀、细小，但同时会诱发严重的飞边、气孔、夹杂等缺陷。这必将大大削弱其对铸件组织改善的效果，从而使半固态成形无法获得其潜在的成形优势。对

于含有一定固相率的半固态浆料，在熔体洁净熔炼的基础上，在确保铸件良好成形性能的前提下，半固态压铸应采用尽可能小的压射速度，这对于减小铸件气孔缺陷，保证其热处理强化特性，进而获得质量优良的半固态铸件具有决定性作用。

3  结  论

 (1)半固态压射速度对浆料成形性具有重要影响。压射速度过小，铸件易出现充型不足、冷隔缺陷，压射速度增大，铸件成形性提高，但过大的压射速度导致铸件飞边严重。

 (2)半固态压射速度减小，铸件内微观气孔数量减少、尺寸减小，但显微组织中边缘液相偏析程度增大，初生相形貌粗化且二次枝晶增多；随着压射速度增加，铸件微观组织细小、均匀，但夹杂物数量增多、尺寸增大。