铸造工艺对铝合金铸件共晶组织的影响

第31卷第3期2009年5月上海金属SHANGHAIMEILSV0131。NO331MAY，2009铸造工艺对铝合金铸件共晶组织的影响黄龙辉邵光杰杨弋涛上海大学材料科学与工程学院，上海200072【摘要】研究了A356铝合金金属型重力铸造成形试样的微观组织形貌与铸造条件之间的关系，并通过组织分析和冷却速度的计算机模拟，研究了共晶含量与冷却速度之问的关系。结果表明，随着冷却速度的提高，凝固组织中的共晶含量增多，而且初生相组织的形态也由粗大的树枝晶逐步向蔷薇状枝晶演变。通过计算机模拟可较为准确地了解铸件各部位的冷却情况，并为预测铸件不同位置的组织和性能提供参考，为在工业生产中研发形状复杂、要求各异的零件奠定必要的基础。【关键词】A356铝合金铸造工艺共晶组织冷却速度计算机模拟EFFECTSOFCASTINGPROCESSONTHEEUTECTICMICROSTRUCTUREOFALUMINUMALLOYCASTINGHUANGLONGHUISHAOGUANGJIEYANGYITAOSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，SHANGHAIUNIVERSITY【ABSTRACT】THERELATIONBETWEENTHESTRUCTUREMORPHOLOGYANDCASTINGCONDITIONSOFA356ALUMINUMALLOYCASTINGWASINVESTIGATEDTHEQUANTITATIVERELATIONBETWEENEUTECTICCONTENTANDCOOLINGCONDITIONWASSTUDIEDBYSTRUCTUREANALYZINGANDCOMPUTERSIMULATINGWITHDIFFERENTCOOLINGRATETHERESULTSSHOWEDTHATWITHTHEINCREASINGOFCOOLINGRATE，THEEUTECTIECONTENTINTHESOLIDIFICATIONSTRUCTUREWASINCREASED，ANDTHEMORPHOLOGYOFPRIMARYPHASEDEVELOPEDFROMCOARSEDENDRITETOROSETTEDENDRITETHECOOLINGCONDITIONINDIFFERENTPOSITIONSDURINGCASTINGCOULDBEPRECISELYPREDICTEDBYCOMPUTERSIMULATION，WHICHCOULDBEAKINDOFREFERENCEFORTHEPREDICTIONOFTHEMIEROSTRUCTUREANDPROPERTYINTHEDIFFERENTLOCATIONSTHESECOULDLAYTHENECESSARYFOUNDATIONFORTHEDEVELOPMENTOFCASTINGPARTSWITHCOMPLEXSHAPEANDDIFFERENTREQUIREMENTS【KEYWORDS】A356ALUMINUMALLOY，CASTINGPROCESS，EUTECTICSTRUCTURE，COOLINGRATE，COMPUTERSIMULATION1引言A356合金是美国牌号的多元铝镁硅系合金，具有热处理强化效果和良好的力学性能和耐蚀性能，同时铸造性能优良，适合于飞机、轮船及汽车上的某些高要求的复杂铸件。A356铝合金在熔炼和铸造过程中的冷却速度是决定铸造合金凝固组织的关键因素之一，特别是多元多相合金，冷却速度对合金的凝固组织形态、分布和数量都有显著的影响。而在实际铸造生产中，铸造工艺和铸型条件都会影响到铸件的冷却速度，准确地把握冷却速度对合金凝固组织及性能的影响，有助于了解同一成分合金在不同冷却条件下微观组织及性能的差异所在，并为从组织和性能的需求反向设计相关工艺参数提供有效的思路。为此拟通过研究浇注温度和模具温度对A356铝合金铸件凝固组织的影响，分析冷却速度对A356铝合金铸件组织中共晶含量的影响，为在工业生产中研发形状复杂、要求各异的零件基金项目上海汽车工业科技发展基金编号0715作者简介黄龙辉，男，上海大学材料科学与工程学院，从事铝合金及其铸造技术的研发，电话021。56331317，EMAILDICK32SHUEDUCA32上海金属第3L卷奠定必要的基础。2实验方法本试验所采用材料是A356铝合金，其主要成分如表1所示。熔炼设备为坩埚式电阻炉，坩埚材料为石墨，熔炼5KG的A356铝合金到1013K并保温05H，扒渣后浇人SKD6金属型腔，模具壁厚平均50MM，在模具温度同定为473K下，选择913K、933K、953K、983K和1013K五个温度作为试验浇注温度。以及在同一浇注温度953K下，选取金属模具温度在323K、373K、423K、473K和523K时进行浇注的试验。浇注后空冷至室温，在相同壁厚的部位采用线切割取尺寸为10MM10MM的试样进行金相组织观察，金相试样在研磨抛光之后，用04HF水溶液腐蚀，借助于EPIPHOT300光学金相显微镜观察其金相表1A356铝合金的化学成分实测值，SIFECUMNMGTIZNAI62501650120OO6O4300510012REM组织。金属型重力浇注的铸件和研究冷却速度的部位如图1所示，该零件的重量约22KG，进行浇注的同时，利用ADSTEFAN日本茨城13立信息公司出品铸造模拟软件进行不同的浇注温度和模具温度下的凝固过程模拟，考察铸件壁厚较大的部位A点的冷却速度与组织、性能的关系。模拟使用的铝合金主要物性参数如表2所示。图1金属型A356合金铸件模型表2A356铝合金的主要模拟参数注试验的浇注温度为913K、933K、953K、983K和1013K；模具温度为323K、373K、423K、473K和523K。3结果与讨论31不同浇注温度对A356铸件组织的影响不同浇注温度下的试样组织如图2所示。由图2可见，在较低的浇注温度下时，A356合金的初生AAL组织以少量等轴状和蔷薇状的形态出现，在较高的浇注温度下，组织中的初生AAL则倾向于以树枝晶形态出现，而且随着浇注温度的增高，枝晶间距也不断增大。这是因为在较高温度下进行浇注，铸件将较多热量传给金属型腔，使型腔被加热到较高温度，减慢了合金凝固时的冷却速度，铸件凝固时间变长，初生AA1长大时间增加，故容易出现明显的粗大树枝晶。而随着浇注温度降低，金属传给型腔的热量不断减少，使合金在凝固过程中具有较高冷却速度，进而导致初生AAL长大时间缩短，不易形成发达树枝晶，而呈现出较多的细小初生AAI等图2不同浇注温度条件下的金相组织第3期黄龙辉等铸造工艺对铝合金铸件共晶组织的影响33轴晶。32不同模具温度对A356铸件组织的影响在相同浇注温度953K下，改变其模具温度所得到的组织如图3所示。由图3可以看出，在模具温度比较低的时候，初生AA1相的量较少，晶粒比较细小，主图3不同模具温度条件下的金相组织要以蔷薇状形态出现，而且晶粒的轮廓清晰，随着模具温度的升高，A356合金组织中的初生AAL晶体倾向于以树枝晶的形态出现，而且枝晶的间距和树枝晶大小也随着模具温度的提高不断加大，共晶含量则不断减少。这是因为合金浇人铸型后，模具吸收液态合金热量，其表面温度瞬间将升高到接近浇注温度，随后又向内部扩散热量，同时也向外传递，从而模具内部温度不断升高，使得铸件的冷却速度不断减慢，铸件凝固02O406O8O112O凝固时闻S1不同的浇注温度模具温度473K图4时间变长，初生AAL长大时间增加，因此出现部分粗大树枝晶。33冷却速度与共晶组织的关系为了更好地认识浇注工艺温度参数与铸件冷却的关系，本研究中使用ADSTEFAN铸造模拟软件对试样的充型、凝固冷却过程进行联动模拟。不同浇注温度下以及不同的模具温度下浇注的试样，A点处在充型结束后凝固冷却曲线的模拟结果如图4所示。02O柏6O。O112O凝固时间，S2不同的模具温度浇注温度为953K试样的模拟凝固冷却曲线图4的模拟曲线表明，在浇注后最初的一段时间内，冷却速度随着模具温度和浇注温度的提高均持续下降，在随后的凝固过程中，浇注温度对冷却速度的影响不明显，而模温对冷速的影响同浇注初期时一致，由此可见，模具温度的变化对冷却速度的影响相对更大一些，这主要是因为模具的体积比铸件要大得多，其热容也比铸件要大，贮存的热量比铸件大而且散发热量比铸件要慢。通过对预定点的凝固冷却速度进行模拟，如果辅以有限试验点的验证，可较为准确地知道铸件各点的冷却情况，并为预测铸件不同位置的性能提供参考基础。为了更准确地了解冷却速度与凝固组织之间的相互关系，选取从液相线温度冷却到固相线温度之间的平均冷却速度作为该点的冷却速度，并将各种工艺条件下获得的共晶量进行比较，其结果整理于图5。其中共晶含量的统计是采用MATLAB软件自编程序对金相照片上所显示的共晶蛳啪瑚M枷瘸M啪魁瘸34上海金属第3L卷262盖襄201A组织进行体积分数的计算而获得的。由图5可见，随着浇注温度和模具温度的升高，组织中的共晶含量呈不断减少的趋势。这是由于溶质原子在固相中的反向扩散均质化以及晶粒长大的时间受到限制所导致的，根据A1SI二元共晶相图的凝固原理可知，随着温度的缓慢降低，液相中开始析出AAL固溶体，液相和固相分别沿着液相线和固相线变化，如果冷却速度较大时，凝固过程偏离了平衡凝固，则溶质原子的均质化和晶粒的长大都会受到限制，形成一定OMM1浇注量度腻量的伪共晶组织，从而导致相同成分的合金在不同的冷速下其共晶组织体积分数有差异。一般的铸件要求获得均匀的组织结构能够得到良好的综合性能，但是对于在特殊部位要求有高硬度的零件，可以考虑如何合理设计模具和浇注工艺来提高铸件的冷却速度，以促使局部有较多的共晶相，从而实现对组织的控制。34冷却速度与力学性能的关系前述不同模具温度及浇注温度下浇注的铸件，进行的力学性能测试结果如图6所示。1不同的浇注温度模具温度473K2不同的模具温度浇注温度953K图6试样不同条件下与力学性能的对应关系从图6可以看出，随着浇注温度和模具温度的提高，铸件的抗拉强度不断降低，这主要是因为浇注温度低、模具温度低的铸件其各部位的冷却速度越快，晶粒比较细小，产生的共晶组织也比较多，所以其强度越高；延伸率也呈同样降低的趋势。冷速快的铸件，其二次枝晶间距比较小，晶粒也较细，而冷速慢的铸件二次枝晶间距较大，晶粒也较粗，而且由于凝固时间较长，夹杂物有较充分的时间向晶界偏析，因而比较容易发生缩松，其伴生的偏析、缩松、夹杂物大小及分布特征都将恶化，从而导致抗拉强度以及延伸率的下降。4结论1在较高的浇注温度下，A356铝合金的组织主要为树枝晶，随着浇注温度的降低，铸件组织逐渐由较为粗大的树枝晶转变成相对细小的蔷薇状枝晶，且枝晶间距变小。2金属模具温度的提高降低了合金的凝固冷却速度，铸件组织中的共晶含量随着模具温度埔罱佥，捌喀擞甜幻惜哺咐啪啪X避璃幕愈一_吾睡鞲嚣第3期黄龙辉等铸造工艺对铝合金铸件共晶组织的影响35和浇注温度的提高而减少，铸件的力学性能也较低。在较低的浇注温度和模具温度下，使共晶组织增加，以及二次枝晶间距减小，力学性能获一定的提升。3通过计算机模拟所进行的铸件温度场的预测，可望为铸件各个部位冷却条件乃至组织和性能的设计起到有效的辅助作用。参考文献1余伦A356合金力学性能的工艺研究J湖南有色金属，2004，20I23252陈忠伟，王晓颖，张瑞杰等冷却速率对A357合金凝固组织的影响J铸造，2004，533183186【3MAOWM，YANGJL，ZHAOAM，ETA1EFFECTOFPOURINGTEMPERATUREONTHEMICROTRUCTURESOFTHESEMISOLIDAISI7MGALLOYJJOURNALOFUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYBEIJING，2001，2313841【4CAOLH，DINGHF，FUHZSEMMICROANALYSISORHOTCRACKSJCASTINGTECHNOLOGY。1997147485曹丽云，刘兴江，杨晓平冷却速度对共晶铝硅合金凝固组织形态的影响J辽宁工学院学报，2001，21440436陶玉兰模具温度对压铸件质量的影响J特种铸造及有色合金，1995123257吴有伍，刘放军ZA85镁合金压铸工艺的研究J铸造，2006，5543503548DUTTAB，REAENMAM，EFFECTOFCOOLINGRATEONTHESOLIDIFICATIONBEHAVIOUROFAIFESIALLOYSJMATERIMSSCIENCEANDENNEEFING，A2832OOO2182249胡庚祥。蔡材料科学基础M上海上海交通大学出版社，2000230250收修改稿日期20O81125_寺；_H_达涅利在常熟新建的冶金设备制造厂落成达涅利为增强在世界第一钢铁大国中国的市场占有额，在常熟新建了冶金设备设计、制造和组装厂。常熟的设备制造厂是继达涅利远东设备制造厂位于泰国，建筑面积90000和达涅利在北京的冶金设备制造厂建筑面积15000M2建成投产后，在亚洲建设的直接受达涅利总部领导的第3家全资子公司。达涅利的常熟设备制造厂第一期工程15000M生产车间和5600M办公大楼已于2008年6月1日落成投产，二期扩建项目现也已建成投入生产运行，该厂员工总数为600人左右。达涅利常熟设备制造厂主要制造各种