决定压铸铝合金铸造性能的冶金因素.doc

决定压铸铝合金铸造性能的冶金因素 -2006-8-8潘宪曾 西安710082结晶（凝固）范围（液相线与固相线之间隔）常常被压铸工作者或其它专业人员视为合金相对铸造性能的尺度。一般认为宽结晶范围的合金铸造性能差，但这可能是一种不全面的结论，后面将对此加以说明，首先在表1中介绍了重要的压铸铝合金。表1 美国压铸铝合金锭化学成份合 金质 量 分 数 %SiFeCuMgZnA360GD-AlSi10Mg9.0-10.01.00.600.45-0.600.40A380GD-AlSi9Cu37.5-9.51.03.0-4.01.02.9383GD-AlSi10Cu29.5-11.51.02.0-3.01.02.9384GD-AlSi11Cu210.5-12.01.03.0-4.51.02.9B390GD-AlSi17Cu416.0-18.01.04.0-5.00.5-0.651.4A413GD-AlSi12Cu11.0-13.01.01.00.10.4516GD-AlMg80.351.10.257.6-8.50.151、结晶范围与冷却曲线形状现将表1所列合金的结晶范围（有时也称熔化范围）介绍于表2（表中数值是近似值和经验值）表2 表1中合金的结晶范围合 金结晶范围按ADC1，AFS和ASTM实践最大可能范围按Al-Si状态图A360GD-AlSi10Mg596-557596-557612-557596-577A380GD-AlSi9Cu3593-538593-521616-521607-577383GD-AlSi10Cu2582-516588-521616-516588-577384GD-AlSi11Cu4582-516582-521596-516582-577B390GD-AlSi17Cu4649-510649-507660-507649-577A413GD-AlSi12Cu582-574582-577588-577579-577518GD-AlMg8621-535621-538627-535表1中合金的典型化学成份，如果有的元素对结晶范围影响很大，且接近元素含量的极限，这就会扩大结晶范围，在表2中以最大允许范围标出。有时压铸专业人员利用A1-Si二元状态图（图1）来解释A380和383（GD-A1Si9和GD-AlSi10Cu2）如表2中的第4排。二元状态图不能充分描述这些多元系合金，所以运用这种二元状态图会误导的。 图1 Al-Si二元状态图 图2 压铸铝合金冷却曲线形状那么，合金的结晶范围对压铸人员有什么意义呢？是相对铸造性能的指标（尺度）吗？事实上结晶范围，根本不能独自作为铸造性能的指标或衡量的尺度。冷却曲线及其形状和结晶时所释放的热量才是重要的，这两者决定了铝合金的铸造性能。图2中有表1所列合金的冷却曲线。对照后完全可以看出这些合金冷却曲线的特征区别，特别是GD-AlMg8的冷却曲线，其特征是该合金冷却时，随着固相分数的增加，温度也不断下降，一旦固相分数达到40%以上时，就形成邻接的网状固相组织。这些固相的强度不足以克服收缩时模具的阻力，特别存在热节时，铸件于后续的凝固阶段易产生裂纹或者在凝固终结时产生开裂，这种凝固形式的合金称之为热裂敏感合金，如A1-Cu，Al-Zn系合金也是一样，这类合金是难于铸造的合金，但引起铸造难度的不但是单独的宽结晶范围，而且是宽结晶范围与凝固阶段冷却曲线特征相结合。对于GD-AlMg8这类合金，最好用于小零件，形状简单的零件。大而模具阻碍收缩的零件是很难铸的。一个比较简单而可避免裂纹的办法是模温要均匀且高，铸件留模时间短，在较高温度下推出铸件。比较GD-AlMg8-5，GD-AlSi9Cu3。可知冷却曲线形状完全不一样，虽然它们的结晶范围相差不是很大（前者近103，后者近75）。Al-Si合金结晶是等温的，亦即在共晶转变温度，对GD-AlSi9Cu3近574。一段时间以后温度便再次下降，固相已完全形成，只有低熔点相还保持液态（此处为CuAl2），合金已具有足够的强度，可承受由于型腔作用而产生的收缩应力，直至凝固结束。过共晶合金GD-ASi17Cu4具有更宽的结晶范围150。它的冷却曲线在图2中，像亚共晶和近共晶Al-Si合金，它具有更多的等温结晶产物，合金具有长时间共晶转变点时，这种合金是不热裂敏感的。是宽结晶范围难于铸造规则的例外。2、等温结晶分数的作用。表3 铝合金凝固时的物理性质合 金液相点共晶点固相点等温结晶分数%结晶型J/gA360GD-AlSi10Mg59657755775526A380GD-AlSi9Cu359357452170500383GD-AlSi10Cu258857452175530384GD-AlSi11Cu458257452190540B390GD-AlSi17Cu464956650790616A413GD-AlSi12Cu58257757795563518GD-AlMg86215380391表3介绍了一些铝合金凝固时的物理性能。等温结晶分数对决定压铸参数具有重大意义，特别对设计浇注系统。纯金属或纯共晶合金是100%等温结晶（凝固），凝固是从型腔壁开图3 100%等温结晶的合金其缩孔 图4 有结晶范围合金铸件中缩（松）在铸件中的分布 孔（松）的分布始逐渐向铸件中心进行。具有这样凝固模式的铸件具有很致密和很厚的铸皮。如果产生缩孔或缩松则存在于铸件断面的热中心（图3），这些铸件十分耐气密性。另一方面，一些合金凝固时，从首先的全液态通过糊状进行（不断增加初晶铝的分数）。糊状（海棉状）凝固延续到整个断面，这类合金凝固后具有一层有限厚度的致密层（0.51mm），而整个断面有大量的缩松（见图4），所以这种合金，铸造耐气密性零件十分困难。具有高等温结晶分数的合金，需要短的充型时间和短的增压建压时间，不能迟后，否则会扩大早期凝固而不能最大限度压缩所包裹的孔眼，快速充型可以利用增加金属液流速来达到。此时内浇口尺寸要大一些，这样也有助于对金属施压。3、潜热的影响。表3中最后一排的数值是一些合金的潜热或结晶热，这些热量是凝固时释放的，可以看出与硅含量有直接关系，硅含量越高潜热越大。表4列出一些元素的熔化或结晶时所吸收或释放的热量（潜热），铝合金的潜热可初略地按照混合物的原则，用各无素潜热之和计算。表4 一些元素的潜热（J/g）Al305Si1810Fe247Cu212Mg360Zn100图5表示硅含量对压铸铝合金流动性的影响，所谓流动性就是金属流在型腔内流动至其停止前的所流过的距离，所以也就有人定义为“流动寿命”。合金的流动性与其潜热有直接关系。模具要带走的热量越多则金属流动就越长。流动性对模具设计具有重要意义，模具排气槽和滑动零件间隙（活动型芯、滑块等），以及合模要严密，以免金属流串入和飞溅。图5 硅含量与流动性的关系 图6 结晶潜热与凝固时合金中的固相分数图6示出各种铝合金凝固时释放的结晶潜热和凝固金属中的固相分数。过共晶GD-AlSi17Cu4，在热量释放时第1阶段析出初晶硅（几乎是纯硅），大量的热量被释放（约116J/g），这时才有6.5%的合金凝固，约为GD-AlSi9Cu3合金，同样凝固量所释放出热量的5倍，说明这样的事实，即过共晶GD-AlSi17Cu4是所有常用铝合金中流动性最好者之一。虽然这些热量改善了流动性，但必须通过模具散发出去，如果模具设计时不注意，特别是设计浇注系统和冷却系统时欠考虑，就会导致热区产生并延长铸造循环时间，还会影响模具寿命。过共晶铝合金和近共晶、亚共晶铝合金一样具有高的等温结晶分数，所以需要短的充型时间和在充型结束应快速增压，避免过早凝固和得到最大的压实（孔隙），内浇口必须使金属充填型腔速度快，但又不产生有损模具的内浇口速度，还要避免金属流直冲型腔薄弱处。模具冷却系统设计时要考虑过共晶铝合金比近、亚共晶铝合金凝固时要多散发25%的热量。如果不加强冷却，则相同模具就需要较长的冷却时间（至少长25%）无疑要延长循环时间，降低生产率。但简单地增加冷却通道水流量也不是一个好的解决方案，因为存在一种在这一期间，没有凝固金属发生时，该处出现过度冷却的现象，所以冷却，一要合理布置，二要周期性进行，这对减少模具早期裂纹十分重要，对一些模具薄弱处，尽量进行镶拼，以便这些地方受热损伤后可以更换。4、显微组织的影响。众所周知，压铸件表面有一层致密层，这一层都是细晶粒的，所以这层铸皮其强度和耐气密性都好，根据这个理由应尽量不加工或少加工（加工深度应最小）。过共晶铝硅合金GD-AlSi17Cu4由于有初晶硅析出，具有良好的耐磨性，但压铸时，铸件表层细晶粒致密层，系贫初晶硅区，（通常在深度0.4mm以下才出现初晶硅），为了获得耐磨性，应将表层除去，一般为0.5mm。贫初晶硅区当凝固对着热模壁进行，会变薄，所以有时在一些区域如气缸的芯子用较高的模温。5、总结：压铸铝合金有一些冶金方面的区别，在压铸件设计，压铸模设计时需加注意。（1） 宽结晶范围并具有像GD-AlMg8那样形状的冷却曲线的合金，最好做一些简单而小的零件，一般模具温度要高，铸件留模时间短，推出温度高。（2） 等温结晶分数大的合金如GD-AlSi12Cu，GD-AlSi11