镁基复合材料半固态流变成型件的研究

吴孝泉

（江西科技学院 教务处，江西 南昌 30098）

镁基复合材料半固态流变成型件的研究

吴孝泉

（江西科技学院 教务处，江西 南昌 30098）

采用原位法制备镁基复合材料，通过机械搅拌法制备出Mg2Si/AM60半固态浆料。比较研究了半固态复合材料流变成形件和常规压铸件的组织。结果表明：流变成形件浇注温度低、压射力大、压铸件表面质量好、内部组织均匀、大部分固相以球状存在。

汽车零件；复合材料；流变压铸

0 引言

镁合金因其塑性差、强度低、耐热性差等缺点，在工业上的应用受到限制。随着，汽车零件轻量化的发展及轻金属做为结构材料的需求量变大，开发轻金属结构材料和金属成型新工艺迫在眉睫[1-7]。本实验采用镁基复合材料制备出半固态浆料，通过流变成型工艺，制造出汽车零件，并对零件的外观及组织进行了分析。

1 实验材料及实验方法

1.1镁基复合材料的制备工艺

制备合金原料为：Al5.58-Mn0.33-Zn0.17-Si0.03-Fe0.001-Cu0.005,将上述原料在电阻炉中加热至800℃熔化，当镁熔体温度达到780-800℃时，静置5min。精炼时为减少熔体烧损，采用自制覆盖剂对熔体保护。将干燥后的结晶Si粉用铝箔包好，并压入合金熔体当中。为使结晶Si熔解充分，成分分布均匀，反应15min后用自制搅拌器对熔体搅拌5-10min，保温30min，温度降至600℃，搅拌5-10min。

1.2 流变压铸工艺

液态常规压铸和流变压铸工艺都采用汤勺将合金熔体喂入压室，将浆料压入模具型腔成形,半固态流变压铸工艺如图1所示。

图1 流变压铸工艺流程图

复合材料流变压铸的浇注温度为600℃，冲头压射速度2.5m/s，模具温度220℃。液态常规压铸浇注温度660℃，其它参数和半固态相同。

2 实验结果与讨论

2.1 镁基复合材料显微组织分析

结晶Si粉加入AM60熔体中，发现铸态组织中生成Mg2Si，其形态分别以块状、片层状、中国汉字状及枝晶状出现。

从图2可以看出，当Si粉加入量为0.5wt.%时，铸态组织中基本无枝晶，晶粒细化，且有少量中国汉字状Mg2Si相；当Si粉加入量为1wt.%时，中国汉字状的Mg2Si相开始增多，并形成了少量片状Mg2Si。随着Si粉加入量的进一步增加，铸态组织里中国汉字状Mg2Si逐渐消失，取而代之的是粗大树枝状及板块状Mg2Si，且形状随Si质量分数的增加而变大。当Si粉加入量达到5wt.%时，组织中出现了角块状黑色富硅相，此相力学性能强度低，性能脆，受拉力容易在此区域发生裂纹。

图2 Si量对复合材料微观组织的影响

分析铸态组织表明：合金中加入不同质量分数的Si粉，生成Mg2Si相的形态也大不相同，为获得最优力学性能的材料，本实验采用结晶Si粉加入量为1wt.%的复合材料做研究对象。

2.2 镁基复合材料常规压铸件的分析

图3（a）为液态常规铸件外观，观察可看到细小的网状花纹印分布在中间轴螺塞的外径上，并伴有粘模及飞边的缺陷。[8]本实验中模具对应部位无龟裂缺陷，本次实验网状花纹印记缺陷是可能是由于金属浆料温度高、熔体与模具温差大、铸件各部位凝固速度不同，最终形成此缺陷；图3（b）中可见，有一铸件被完全顶出，连接在浇道上，而另一铸件粘在模具型腔里，从而形成粘模缺陷。其原因可能是熔体填充速度快、脱模剂使用不当或浇注温度过高造成的；图3（c）箭头所示飞边缺陷，它是压铸件最常见的一种缺陷，其产生的原因相对复杂，如：模具锁模力不够、模具型腔内杂物未清理或压射速度快，压射冲击力大等原因。

为消除以上缺陷，需考虑调整浇注温度，减小压射速度，清洁模具型腔，重新检查锁模力等压铸机参数，以便有效改善压铸件质量。

图3 液态铸件缺陷

2.3 镁基复合材料流变压铸件的分析

2.3.1 复合材料半固态组织

从图4可以看出，半固态组织形貌里完全看不到枝晶状组织，并且中国汉字状Mg2Si分布在液相和晶界中（箭头所示）。

图4 复合材料的半固态组织

2.3.2 流变压铸件的分析

在半固态金属流变压铸过程中，熔体是以层流方式充型，此种充型能最大限度地减少铸件卷气，但层流充型比紊流充型要求的压射力要大得多。因此，在压射第一阶段以高压、高速将浆料压入型腔。此外，流变压铸比常规压铸浇注温度，以层流方式充型。因此，缩孔、缩松产生的机率极小，铸件合格率会大幅提高。

从图5（a）、（b）可以观察到铸件有欠铸缺陷，590℃浇注温度偏低，半固态浆料流型性差，最终形成欠铸缺陷。其次，本实验是采用人工汤勺取料，真正的浇注温度会比检测的温度低。

图5 半固态铸件

图 5（c）、（d）分别为浇注温度 610℃和 615℃得到的压铸件。由铸件外观来看，表面质量好，无粘模、飞边、网状花纹等缺陷。

图6（a）、（b）分别为常规液态压铸件和流变压铸件无损探伤分析图。从常规液态压铸图中看出，中间轴螺塞零件的齿心有气孔、缩松等缺陷，且轴轮廓不清晰。分析产生的原因是液态压铸浇注温度过高，压射速度过大，合金熔体易卷气，模具型腔内气体未及时排出，最终导致气体混合在金属熔体中，形成气孔、缩松等缺陷。从图b可看出，中间轴螺塞齿轮廓清晰，齿内阴影明显。说明充型效果好，很大程度降低了卷气、缩松等缺陷率。

图6（c）、（d）分别常规压铸件和流变压铸件组织形貌，由图c可看出常规压铸件组织形貌主要由枝晶组成，其间还有部分缩松存在，且组织不紧密。而流变压铸件组织形貌主要以半固态非枝晶态组织存在，组织紧密，看不到其它缩孔、缩松等缺陷[9-10]。

图6 无损探伤及微观组织分析

3 结论

本实验采用原位复合Mg2Si/AM60材料，并对其进行流变成形，通过流变压铸与常规压铸件的外观及微观组织对比发现：

1、在零件外观上，液态压铸件容易产生网状流纹、粘模、飞边等缺陷，其主要原因是液态压铸浇注温度高，熔体内温度梯度大，熔体内部组织组织不均匀；流变压铸工艺减少缩孔、缩松，消除了微裂纹，零件表面质量好，内部组织中的球状固相颗粒变形小。

2、从微观组织来看，常规液态压铸件组织以大块枝晶为主，液相分布于枝晶间，且分布不均匀；流变压铸件内部组织均匀，球状固相变形小。

3、流变压铸件在成形时，要求的压射力比常规液态压铸成形时高，且在低温浇注时（如590℃）会流变压铸件会有欠铸缺陷产生，其主要原因是复合材料熔体粘度高，流动性差。因此，适当提高压射力和浇注温度，能更好地改善流变压铸件的质量。

[1]吴孝泉.Si对原位自生镁基复合材料摩擦磨损性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2011.31(10)：952-954.

[2]侯文杰，谭建波，刘江成.半固态流变压铸的研究现状与发展趋势[J].铸造技术，2009(01)：365-368.

[3]张军.康永林.张帆.A356铝合金半固态流变压铸件力学性能的研究 [J].特种铸造及有色合金，2011(08)：456-458.

[4]唐景.董选普.张磊等.铝合金半固态流变压铸过程数值模拟及试验验证[J].铸造，2012(01)：542－544.

[5]王国伟.巫瑞智.Al-6.5%Mg合金的半固态流变铸造及其性能[J].中国有色金属学报，2012(01)：256-258.

[6]张毅.杨宇.半固态流变成形技术的应用与发展[J].铸造技术，2012(04)654－656.

[7]滕海涛.熊柏青.张永安等.铝、镁合金半固态浆料的制备与流变成形新工艺 [J].中国有色金属学报，2012(04)：136-138.

[8]李伟东.陈和兴.王顺成等.挤压铸造半固态A356铝合金的组织与力学性能 [J].铸造技术，2012(04)：128-131.

[9]史立峰.王平.崔建忠.ZL201铝合金半固态流变压铸组织与性能[J].轻合金加工技术，2012(05)：479－481.

[10]郑鹏.徐骏.张志峰等.A357铝合金半固态流变压铸数值模拟 [J].特种铸造及有色合金，2010(01)：568－569.

（责任编辑：陈 辉）

Effect of Magnesium Matrix of Parts Prepared by Forming in Rheo-die Casting

WU Xiao-quan
(Teaching Administrative Office of Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

Magnesium matrix composite was prepared by in-situ technique and semi-solid slurry was prepared by stirring.Through the comparison for the microstructure forming in rheo-die casting and forming in conventional die casting,it shows that the parts forming in rheo-die casting have a lower casting temperature,higher compressing power,a better quality of surface,and a uniform inner structure,the main semi-solid of microstructure in rheo-die casting is spherical.

automobile parts；composites；rheo-die casting

TB331

A

123（2014）01-0046-04

2013-08-07

吴孝泉（1980-），男，湖南邵阳人，江西科技学院教务处，硕士，讲师，工程师。

研究方向：模具CAD/CAM。

江西科技学院校级自然科学研究项目“Mg2Si/AM60半固态流压铸汽车零件磨损性能的研究”（NO.ZR12YB13）。