大型薄壁压铸材料Al-Si合金的组织和力学性能

王远峰，王园园，于日和，宋文军，王 建，姜轶群

（1.威海万丰镁业科技发展有限公司，山东 威海 264200；2.万丰奥特控股集团有限公司，浙江 绍兴 312500）

关键字：薄壁；压铸；Al-Si合金；组织；力学性能

薄壁铝合金铸件因具有良好的轻量化效果和优异的力学性能，在汽车车身、底盘类结构件上有广泛的应用前景。而压铸作为一种快速的近净成型工艺，特别适合此类零件的集成化设计和整体成型[1、2]。

图1 电动自行车压铸铝合金零件3D造型

某国外电动自行车主机厂，委托我司研发一种铝合金材料，通过压铸成型方式生产某型号电动自行车的车架，壁厚3mm，总重不高于4.6Kg。据悉，该款产品原使用钢管折弯焊接制作，工艺繁琐，车架外形不美观，而国内市场上现有的一些压铸铝合金车架，采用常规压铸铝合金加后期焊接制作，非一体成型。根据要求，铸造成型后本体取样机械性能要求需要达到抗拉强度260Mpa以上，延伸率高于3%，且合金成本不能高于常规压铸铝合金，需要重新设计铝合金成分及压铸相关工艺。

1 成分设计

在满足压铸铝合金产品低成本的要求下，通过调节成分，添加细化剂、变质剂，细化铸件初生α-Al相晶粒尺寸及减小组织枝晶间距，优化铸件的微观组织以满足产品的强度要求，是最经济的办法。此外，通过对熔炼温度、浇注温度、凝固速度、充型速度等工艺参数进行优化，也可以达到细化晶粒，改善铸件微观组织形貌的目的。

我们知道，在铝合金液相线温度附近，熔体温度过低时，会存在着许多可以形核的质点，增加一定的过热度，可以降低结晶质的溶解度和活性，从而使熔体变得均匀化[3]。因此，本课题考虑采用低熔炼温度和低浇注温度工艺路线。而较低的熔炼温度和浇注温度往往造成熔体的流动性变差，降低熔体的充型能力。为保证铸件具有较好的流动性，充型完整，不产生冷隔，铝合金压铸件必须含有一定量的Si元素。

Mg元素可有效降低Sr、Cu对铸件微孔倾向增大的影响，同时Mg可以与Si形成Mg2Si增强相，提高合金的力学性能。

Sr是重要的变质元素，促进Si相的球化。

综合上述工艺条件，经过多次成分调整及材料热物性参数模拟，最终确定成分见表1。

表1 新型Al-Si合金的化学成分%

根据新型Al-Si合金化学成分模拟的材料热物性参数趋势见图2。其中，固相线560℃，液相线586℃。

2 工艺模拟与实践

利用MAGMA软件，根据材料的热物性数据模拟铸造过程，指导压铸模具设计和压铸工艺设计。其中，浇注温度660℃，模具温度200℃，低速0.3m/s，高速3.5m/s，铸造压力30MPa。模拟结果见图3。

图2 新型Al-Si合金热物性参数

图3 车架铸件模拟结果

图4 车架铸件实物图

图5 车架铸件X光照片

从图3可以看出，金属液在填充过程中流动平稳，未出现明显的卷气以及铝液包卷。当充型结束后，铸件中较低的温度约为650℃，高于新材料液相线586℃，铸件不会出现因为铝液温度下降引起的冷隔或者充不满等缺陷。铸件凝固过程时，基本上遵循顺序凝固的原则，未见明显的疏松缺陷。

根据模拟结果进行工业试制。图4为试制铸件，图5为铸件内部X光检测图片。X光探伤发现铸件内部缺陷如气孔、缩松以及缩孔均符合ASTM E505 A3级要求。

3 组织与铸态性能

对铸件产品取样做力学性能，取样位置见图6。共在5个位置取样，每个位置取样2根拉伸试样，自图6从左至右编号为1,2，……10。力学性能数据见表2。

图6 压铸件取样部位

铸件的抗拉强度258.41～319.23MPa之间，平均293.41.MPa；屈服强度171.71～238.88MPa之间，平均200.21MPa；延伸率3.09～7.65%之间，平均5.37%。虽然6号试样抗拉强度略低于要求，但是铸件整体具有较好的强韧性，综合性能良好。

表2 铸件取样位置力学性能

对10号试样做显微和电镜观察，结果如图7和图8。从图7可以看出，初生α-Al相组织呈球状，分布较均匀，α-Al相组织之间存在着不少黑色共晶组织。图8的拉伸断口并没有发现明显的孔洞存在，断口呈现大量的断裂台阶和许多弯曲且取向杂乱的撕裂棱，以及少量的韧窝。

图7 压铸件微观组织

图8 拉伸试样断口

4 结论

（1）本文在客户的要求下，通过合理的成分设计、工艺设计和模具设计，以较低的原材料成本，满足了产品的强度和韧性要求，其中试制件本体取样平均抗拉强度达到293.41MPa，平均屈服强度达到200.21MPa，平均延伸率达到5.37%，适合批量生产。

（2）通过对材料成分的热物性参数模拟和压铸过程模拟，然后进行设计方面和工艺方面的指导，可以有效缩短研发周期、减少研发成本。