李偉東，王順成，鄭開宏，戚文軍，陳和興，周海濤

1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院金屬成型與加工技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083

鑄造鋁合金的產(chǎn)品開發(fā)中，首推壓鑄成形技術(shù)，壓鑄工藝在鑄鋁件、尤其是在薄壁殼體類復(fù)雜鑄鋁件的生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位，但將其應(yīng)用于生產(chǎn)壁厚超過6mm的厚壁鑄件、尤其是某些需要熱處理的鑄件時(shí)，很難得到質(zhì)量優(yōu)良的鑄件，由于鋁合金壓鑄工藝存在諸多不足，使鑄件易產(chǎn)生氣孔、不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，因此，只采用壓鑄成形不能滿足生產(chǎn)高性能零件的要求［1－3］.

鑄鍛復(fù)合成形技術(shù)是基于壓鑄、重力鑄造存在的缺陷而提出的一種成形方法.鑄鍛復(fù)合成形是將鑄造和鍛造兩種成形方式先后在同一模具同一生產(chǎn)過程一次完成零件的生產(chǎn)，模具及成形示意圖如圖1所示，其成形工藝流程為：澆注→充型→短時(shí)保壓靜置（起鍛時(shí)間）→鍛造→保壓→開?！敵鲋萍?

圖1 鑄鍛復(fù)合成形示意圖（a）澆注；（b）壓力鑄造；（c）鍛造；（d）開模頂出Fig.1 Schematic diagram of casting－forging integrated technology（a）pouring；（b）die casting；（c）forging；（d）mold ejection

該鑄鍛復(fù)合成形方法效率高，既能成形鑄造鋁合金又能成形變形鋁合金.成形過程中的短時(shí)保壓靜置時(shí)間的長短能夠決定制件被鍛造時(shí)的狀態(tài)，靜置時(shí)間較短，制件處于液態(tài)，經(jīng)鍛造制件的合金組織更加致密；靜置時(shí)間較長制件合金處于固態(tài)，經(jīng)鍛造合金內(nèi)部組織發(fā)生了明顯的塑性變形，制件的力學(xué)性能相對(duì)于鑄件有明顯的提高，其性能接近于鍛件.該成形方法不僅能解決壓鑄不能生產(chǎn)厚壁件、力學(xué)性能低且不能熱處理強(qiáng)化的缺點(diǎn)，又能解決重力鑄造效率低和力學(xué)性能低等缺點(diǎn).

1 試驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)材料為A356鋁合金，由工業(yè)純鋁w（Al）＝99.7%、速溶硅w（Si）＝99.2%和純鎂w（Mg）＝99.85%熔煉配制.細(xì)化劑為 Al－5Ti－1B合金線，變質(zhì)劑為Al－10Sr合金錠.熔煉設(shè)備為35kW，100kg井式電阻爐.取所配的材料在直讀光譜儀上測試合金的化學(xué)成分.探求在725℃充型條件下合適的充型速度，充型速度分別取110mm／s，88mm／s及66 mm／s從中確定合適的充型速度.在合適的充型速度、起鍛時(shí)間為2s、充型壓力為20MPa的成形條件下調(diào)整不同的鍛造壓力，來研究鍛造壓力對(duì)組織及性能的影響，實(shí)驗(yàn)所取鍛造壓力分別為0，30 MPa，60MPa，90MPa，120MPa及150MPa.

取部分鑄鍛件進(jìn)行T6熱處理，熱處理制度為固溶535℃＋6h（水淬）、時(shí)效175℃＋4h（空冷）.從熱處理與未熱處理的鑄鍛件最薄部位制取拉伸試樣（圖2），在Crims DNS200拉伸機(jī)上測試?yán)煸嚇拥牧W(xué)性能，拉伸速度為2mm／s.取鑄鍛件最薄部位中部為金相試樣，試樣依次經(jīng)粗磨、細(xì)磨、粗拋、精拋，然后在在OLYMPUS光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織.

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Dimension of tensile specimen

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 A356鋁合金成分及DSC曲線

經(jīng)直讀光譜儀測定的A356鋁合金的化學(xué)成分列于表1.

表1 A356鋁合金棒料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of A356aluminum alloy billets w／%

2.2 宏觀組織分析

2.2.1 充型速度對(duì)鑄鍛件宏觀形貌的影響

圖3為鑄鍛件在澆注溫度725℃，充型壓力20 MPa，充型速度分別為110mm／s和66mm／s的條件下所得鑄鍛件的外形及橫截面的宏觀形貌.由圖3（a）可見，在較高的充型速度下，制件表面出現(xiàn)了明顯的塌陷.形成塌陷的主要原因是：充型速度過快使充型過早完成，金屬液在凝固過程中得不到補(bǔ)縮，從而形成塌陷（收縮缺陷）.另外，充型速度過快，模腔中存在的氣體未能完全排除，存留在模腔中的氣體也是造成制件表面塌陷的原因之一.由圖3（a）還可見制件內(nèi)部存在明顯的氣孔與縮孔，這是由于充型速度過快導(dǎo)致金屬液卷氣，在鑄鍛件內(nèi)部形成氣孔，對(duì)于壁較厚的鑄鍛件而言，金屬液充型過程太快會(huì)令與模腔緊貼的部位先凝固，鑄鍛件心部在沒有補(bǔ)縮的情況下凝固，容易出現(xiàn)縮孔及收縮裂紋［4－6］.圖3（b）為在充型速度較慢的情況下成形的鑄鍛件的宏觀形貌，與快速充型的鑄鍛件相比，此制件的表面塌陷及制件內(nèi)部的縮孔及收縮裂紋相對(duì)較少.

圖3 不同充型速度所得鑄鍛件的宏觀形貌（a）充型速度110mm／s；（b）充型速度66mm／sFig.3 Morphology and macroscopic structure of castings made by different pouring speed（a）filling speed 110mm／s；（b）filling speed 66mm／s

2.2.2 鍛造壓力對(duì)鑄鍛件宏觀形貌的影響

圖4為在澆注溫度725℃，充型速度66mm／s，充型壓力20MPa，起鍛時(shí)間2s的條件下，以不同鍛造壓力成形的鑄鍛件的宏觀形貌.由圖4（a）可見，無鍛造壓力時(shí)，由于在凝固過程中無補(bǔ)縮，鑄鍛件的收縮裂紋、縮孔及縮松等缺陷較為明顯.由圖4（b）可見，在適當(dāng)?shù)腻懺靿毫ο?，鑄鍛件具有較好的宏觀組織.圖4（c）表明，鍛造壓力過大，鑄鍛件內(nèi)部裂紋較多，這是由于A356合金為鑄造鋁合金，其塑性較差，當(dāng)鍛造壓力及鍛壓量較大時(shí)制件內(nèi)部容易出現(xiàn)鍛造裂紋.

圖4 不同鍛造壓力所得制件的宏觀形貌（a）無鍛造壓力；（b）鍛造壓力60MPa；（c）鍛造壓力150MPaFig.4 Morphology and macroscopic structure of casting made by different forging pressure（a）no forging pressure；（b）forging pressure 60MPa；（c）forging pressure 150MPa

2.3 微觀組織分析

圖5 為在不同的鍛造壓力下，制件最薄壁中部未熱處理與經(jīng)T6熱處理后的微觀組織.由圖5（a）可見，既無鍛造壓力又未熱處理的制件為明顯的鑄態(tài)組織.由圖5（c）和圖5（d）可見，施加一定的鍛造壓力，制件的微觀組織可見明顯的塑性變形，晶粒被拉長形成纖維組織，隨著鍛造壓力的增加，塑性變形的傾向愈加明顯（圖5（e）和圖5（f））.由圖5（b），圖5（d）和圖5（f）可見，經(jīng) T6熱處理后，A356合金的組織固溶進(jìn)行得較充分，有較多的Si和Mg融入基體α－Al中，共晶硅由鑄態(tài)的長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐魏蜋E球形.經(jīng)T6熱處理、鍛造后，組織發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，使得晶粒更加細(xì)?。?－8］.

圖5 不同鍛造壓力下鑄鍛件最薄壁處中部的顯微組織（a）無鍛造壓力；（b）無鍛造壓力＋T6熱處理；（c）鍛造壓力60MPa；（d）鍛造壓力60MPa＋T6熱處理；（e）鍛造壓力150MPa；（f）鍛造壓力150MPa＋T6熱處理Fig.5 Central macroscopic structure of casting made under different forging pressure（a）no forging pressure；（b）no forging pressure＋T6heat treatment；（c）forging pressure 60MPa；（d）forging pressure 60MPa＋T6heat treatment；（e）forging pressure 150MPa；（d）forging pressure 150MPa＋T6heat treatment

2.4 力學(xué)性能分析

圖6 為在不同的成形鍛造壓力下，經(jīng)T6熱處理與未熱處理鑄鍛件的抗拉強(qiáng)度.由圖6可見，未經(jīng)熱處理的鑄鍛件的抗拉強(qiáng)度隨鍛造壓力的增加而增加，當(dāng)鍛造壓力為60MPa時(shí)，鑄鍛件的抗拉強(qiáng)為215MPa，繼續(xù)增加鍛造壓力，制件的抗拉強(qiáng)度略有

圖6 不同的成形工藝參數(shù)下鑄鍛件的抗拉強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength of castings formed under different process parameters

圖7 不同的成形工藝參數(shù)下鑄鍛件的延伸率Fig.7 Elongation of castings formed under different process parameters

圖7 為在不同的成形鍛造壓力下，經(jīng)T6熱處理與未熱處理鑄鍛件的延伸率.由圖7可見，只有當(dāng)鍛造壓力為30MPa時(shí)，經(jīng)T6熱處理的鑄鍛件的延伸率高于未熱處理狀態(tài)，在其他鍛造壓力下，未熱處理的鑄鍛件的延伸率均明顯高于熱處理后的鑄鍛件的延伸率.這是由于經(jīng)T6熱處理后，共晶硅以網(wǎng)狀形式分布于晶界周圍，使得合金的塑性降低.另外，鍛造形成的纖維組織在熱處理過程中發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，纖維組織被破壞，造成合金的塑性下降［9］.當(dāng)鍛造壓力為120MPa時(shí)，延伸率達(dá)到最大值16.7%，當(dāng)鍛造壓力大于120MPa時(shí)，延伸率又有所降低.升降，當(dāng)鍛造壓力為120MPa時(shí)，鑄鍛件抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值216MPa.鍛造壓力一方面可使鑄鍛件內(nèi)部組織更加致密，另一方面可使枝晶破碎在金屬液凝固過程中形成細(xì)小的晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用.若鍛造壓力過大，共晶Si容易向中間聚集，使得合金的力學(xué)性能有所下降.經(jīng)T6熱處理后的鑄鍛件隨著鍛造壓力的增加，抗拉強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)鍛造壓力為60MPa時(shí)，鑄鍛件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值320MPa.經(jīng)T6熱處理后，合金發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，鑄態(tài)時(shí)存在的枝晶組織斷裂形成新的細(xì)小的晶粒.共晶硅相由原來的片狀、長條狀轉(zhuǎn)變成球狀均勻地分布于組織中，使合金的抗拉強(qiáng)度得到較大幅度的提高.

3 結(jié) 論

（1）在725℃下澆注，若充型速度過快，鑄鍛件會(huì)產(chǎn)生表面塌陷、內(nèi)部氣孔、縮孔、收縮裂紋等缺陷.若充型速度過慢，金屬液不能充滿整個(gè)型腔.當(dāng)充型速度為66mm／s時(shí)，鑄鍛件能獲得充型完整、表面及內(nèi)部均能獲得較好的宏觀組織.

（2）對(duì)于未經(jīng)熱處理的鑄鍛件，當(dāng)鍛造壓力為120MPa時(shí)，鑄鍛件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值216 MPa，此時(shí)也能獲得較好的塑性，延伸率為16.7%.

（3）T6熱處理能夠顯著提高A356鋁合金鑄鍛件的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)鍛造壓力為60MPa時(shí)，其抗拉強(qiáng)度能達(dá)到320MPa，延伸率為11.6%.

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