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镁合金转向器壳体真空压铸工艺研究 |
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作者：沈阳工业大学 王峰 安帅杰 王威 |
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镁合金是目前最轻的金属结构材料，其在降低运输工具重量、降低能耗、减少排放等方面具有明显的优势，是汽车轻量化的首选材料。目前，汽车用镁合金主要采用压铸成形，由于镁合金压铸充型速度快，压铸件中卷入的气体含量多，致使压铸件的力学性能偏低。此外，由于卷入的气体在压铸件加热时会引起膨胀，导致变形或开裂，因此无法通过热处理进一步强化。近年来，真空压铸的发展在减少压铸件内气体含量，提高压铸件性能方面起到了重要的作用。并且真空压铸和普通压铸方法一样操作方便，不降低生产效率，其应用愈来愈广泛。本文针对汽车转向器壳体为研究对象，采用计算机数值模拟及热处理研究了其真空压铸工艺及力学性能的变化规律。
1 试验过程及方法
采用正交试验法，通过计算机数值模拟研究浇注温度、模具温度和压射速度对转向器壳体压铸成形性能的影响，其模拟条件如表1 所示。模拟时考虑到慢压射工艺参数的影响，通过坐标系转换在Flow3D 软件中实现了压室与铸件的结合，建立了带有压室填充的铸件流体分析模型，如图1 所示。慢压射阶段采用加速度为0.5 m/s2的匀加速运动，拟真空条件为型腔真空度为20 kPa，空气系数为0.2。
图1 带有压室填充的铸件流体分析模型
试验采用AZ91 合金作为转向器壳体材料，压铸后采用线切割从壳体上截取板状拉伸试样，试样标距为10mm，厚度为2mm，宽度为4mm。在CSS255100型电子万能试验机上进行拉伸试验，试验采用每组测试3 根试样，取其平均值作为结果。利用OLYMPUS BX60 型金相显微镜观察试样的显微组织。压铸件的热处理采用固溶（T4：410℃x10 h）和固溶+时效（T6：410℃x10 h+ 180℃x10 h）两种工艺。
2 试验结果与分析
2.1 正交模拟试验结果与分析
表2 为转向器壳体正交模拟实验结果，由表2可知，压铸工艺参数对转向器壳体的气体卷入体积百分数的影响的主次顺序为：浇注温度、压射速度、模具温度，而对表面缺陷百分数的影响则是：浇注温度、模具温度、压射速度。为了减少铸件内的含气量，选择的最佳优化水平为A1B2C1，即浇注温度为680益，模具温度200℃，压射速度为3.4 m/s。模拟得到的最佳工艺参数表明，在真空压铸条件下，当浇注温度和压射速度较低时，铸件的气孔缺陷较小。较高的压射速度与浇注温度会增加金属的流动性，但会使金属液在充型过程中易于卷气，并且会引起铸件粘模和冲击铸型，降低模具寿命，而且还会增加镁合金在熔炼过程中由于高温而造成的氧化。与普通压铸相比，由于真空压铸时模具型腔内处于高真空状态，对金属液有一定的吸附能力，从而增加金属液流动性，因而可以采用较低压射速度和浇注温度。
2.2 镁合金转向器壳体真空压铸成形性能
2.2.1 铸件外观及组织观察
在工艺参数为浇注温度为680 益、模具温度200℃、压射速度为3.4 m/s 及真空度为20 kPa 的条件下，对转向器壳体进行了压铸试验。试验结果表明，采用优化的工艺参数能够使铸件成形良好，铸件表面光洁，轮廓完整（见图2）。图3 为普通压铸和真空压铸转向器壳体的显微组织。可以看出，真空压铸件的气孔缺陷明显减少，组织更加致密，细小的Mg17Al12相弥散分布于晶界。
图2 真空压铸镁合金转向器壳体
(a）普通压铸 (b）真空压铸
图3 铸件显微组织
2.2.2 力学性能
图4 为普通压铸和真空压铸转向器壳体的力学性能对比。可以看出，真空压铸能够提高铸件的拉伸力学性能，真空压铸后的铸件拉伸力学性能为b =206.6MPa，s=155.8MPa，5=3.5%。与普通压铸件相比，分别提高了8.9%、3.7%和1.8%。真空压铸镁合金铸件的硬度达到79.5HBS，其比普通压铸提高了13.6%。上述性能的变化是由于真空压铸时抽出了型腔中的空气，使得铸件中出现气孔缺陷的几率大大降低，改善了铸件的显微组织，增加有效的承载面积，从而提高了铸件的力学性能。
2.3 热处理对真空压铸转向器壳体组织与性能的影响
2.3.1 组织
图5 为不同热处理状态下普通压铸和真空压铸铸件的显微组织。固溶处理后，Mg17Al12 相融入基体中，真空压铸件的固溶效果优于普通压铸，普通压铸件的组织中仍存在较多的Mg17Al12 相，且气孔数量增多，而真空压铸件的组织基本形成了饱和固溶体（见图5a 和图5c）。固溶处理后再经时效处理时，Mg17Al12相又从基体中以连续和非连续形式析出，T6 处理后真空压铸件组织中的析出物比普通压铸时的更为均匀、弥散（见图5b和图5d）。
图4 普通压铸与真空压铸下铸件的拉伸力学性能
2.3.2 力学性能
不同热处理状态下普通压铸和真空压铸AZ91合金的拉伸力学性能如表3 所示。可以看出，与铸态力学性能相比，T4 和T6 热处理能够进一步提高铸件的力学性能，且热处理对真空压铸件力学性能的改善作用更为明显。T6 处理后真空压铸件的抗拉强度提高幅度为12.5%，而普通压铸件T6 处理后抗拉强度提高9.4%，并且热处理后铸件的伸长率也略有提高。
3 结论
（1）在真空度为20 kPa 的条件下，镁合金转向器壳体合适的压铸工艺参数为浇注温度680℃、模具温度200℃及压射速度3.4 m/s。在此工艺参数下，铸件成形良好，内部质量明显提高，其力学性能可以达到σb=206.6MPa，σs=155.8MPa，σs5=3.5%和79.5HBS。
（2）热处理可以进一步提高铸件的力学性能，且对真空压铸件力学性能的改善作用更为明显，经T6处理后真空压铸镁合金转向器壳体铸件的力学性能可以达到σb=232.5 MPa，σs =169.1 MPa，δs=4.2%和81.4HBS，与铸态合金相比，分别提高了12.5%，8.5%，7.1%和2.4%。(end)
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(5/21/2012) |
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