在常規(guī)壓鑄工藝中，采用真空輔助工藝來提高鑄件的力學(xué)性能一直是廣大研究人員和生產(chǎn)部門感興趣的課題。有關(guān)這方面的報(bào)道很多[1～4]。真空的應(yīng)用已被證明能減少鑄件的氣孔缺陷。其鑄件內(nèi)的氣孔尺寸較小且在鑄件斷面上的分布較均勻。與常規(guī)壓鑄不同，半固態(tài)金屬的粘度高、流動(dòng)特性不同，所以半固態(tài)金屬壓鑄過程中真空對壓鑄件性能的影響如何，澆注系統(tǒng)對真空影響有什么作用等是本文研究的重點(diǎn)。

1　試驗(yàn)過程

1.1　試驗(yàn)設(shè)備

布勒(Buhler)壓射控制壓鑄機(jī)(H-250 SC);阿爾發(fā)(Alpha 1)單線圈感應(yīng)加熱體;Foudarex真空系統(tǒng)。

1.2　試驗(yàn)材料

經(jīng)碎晶處理的鋁合金(A356)。

1.3　試驗(yàn)工藝

(1) 采用扇形單澆道和分支澆道兩種不同的澆注系統(tǒng)壓型進(jìn)行試驗(yàn)，試件壁厚為5 mm。

(2) 將鋁合金錠加熱至半固態(tài)(60%固體)，置于壓鑄機(jī)的壓室內(nèi)，壓射成型。

(3) 切取試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、伸長率試驗(yàn)、微觀組織分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　真空對金屬流動(dòng)的影響

常規(guī)的真空壓鑄中，必須加工特殊的真空插管。插管的作用是使金屬在流入真空閥系統(tǒng)之前固化金屬，避免細(xì)小的鋁金屬顆粒聚結(jié)在過濾器上。這些顆粒一旦進(jìn)入真空罐，會(huì)造成真空泵的機(jī)械損壞。通常該插管置于閥和型腔之間(見圖1)。這種曲線真空管設(shè)計(jì)的目的，是為了避免上述的兩個(gè)情況。

設(shè)想半固態(tài)金屬與常規(guī)壓鑄金屬比較，有較高粘度的層流特性和低的熱容量，且鑄件在真空管內(nèi)凝固較快。另外，半固態(tài)金屬的層流壓射會(huì)大大降低金屬液滴

2.3.1　扇形單澆道

靠近表面區(qū)的微觀組織圖片如圖3、圖4所示，表明在有無真空輔助工藝的情況下，鑄件晶粒大小相差不大;在真空下，鑄件微觀組織中單位面積上近球狀晶粒數(shù)較無真空情況少，同時(shí)鑄件上的氣孔也少。這一點(diǎn)說明真空有助于減少鑄件的氣孔含量，但在觸變鑄造中表現(xiàn)不明顯。

2.3.2　分支澆道

靠近表面區(qū)的微觀組織圖片如圖5、圖6所示，顯示無論是真空輔助還是無真空輔助，在鑄件試樣中存在較高的氣孔量，且單位面積上近球狀晶粒數(shù)量較少。這說明真空輔助工藝在分支澆道系統(tǒng)中對降低鑄件的卷氣量影響不大，即微觀照片上鑄件表面內(nèi)的氣孔含量總量幾乎一致。

比較圖3與圖5(或圖4和圖6)，我們還可以看出在扇形單澆道中制備的鑄件，其微觀組織比由分支澆道制備的鑄件細(xì)致、晶粒尺寸略小，氣孔數(shù)量明顯減少。

3　結(jié)　論

在常規(guī)壓鑄中，采用真空輔助工藝金屬易于流入型腔，特別是充填薄壁和形狀復(fù)雜的部位，鑄件缺陷(如澆不足等)少，但通常需加工一個(gè)費(fèi)用高、形狀復(fù)雜的曲線真空管系統(tǒng)來固化更多的液體金屬。

半固態(tài)金屬的粘度太高，真空對半固態(tài)金屬壓鑄工藝的影響不會(huì)產(chǎn)生明顯的金屬材料被吸附現(xiàn)象，因而只需加工直線真空管連接在模具上，就可以使金屬在到達(dá)真空系統(tǒng)之前固化。

在半固態(tài)金屬真空輔助觸變鑄造中，扇形單澆道系統(tǒng)使抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高約14%和15%;分支澆道系統(tǒng)提高抗拉強(qiáng)度約4%，伸長率幾乎不變。

從兩種橫澆道系統(tǒng)(扇形單澆道和分支澆道)研究結(jié)果可看出：金屬能很快達(dá)到閥體的位置，并在真空和無真空兩種工藝情況下呈現(xiàn)相同結(jié)果。同時(shí)，在扇形單澆道和分支澆道的兩種橫澆道系統(tǒng)中，充填金屬均能到相同的鑄件部位，且鑄件鑄態(tài)表面品質(zhì)在有無真空的條件下變化不大。這些充分說明在觸變鑄造時(shí)，有無真空輔助以及不同橫澆道系統(tǒng)對金屬的充型能力影響不大。

2.2　力學(xué)性能

表1顯示的結(jié)果說明了真空對兩種不同澆注系統(tǒng)(扇形單澆道、分支澆道)情況下鑄件力學(xué)性能的影響。

表1　試樣的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

真空

輔助澆道流速伸長率極限抗拉強(qiáng)度*(平均值)試樣

數(shù)量

m/s%MPa

扇形單澆

道系統(tǒng)

有9.55

9.554.07

4.68207.9

237.44

6

分支澆道

系統(tǒng)無

有11.72

11.721.73

1.61196.14

204.564

6

表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示兩方面的結(jié)論。相同澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的試件，真空可以提高鑄件的抗拉強(qiáng)度14%(扇形單澆道)、4%(分支澆道)和伸長率15%(扇形單澆道)。分支澆道系統(tǒng)下試樣的伸長率變化表現(xiàn)不明顯;不同澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的試件中，扇形單澆道系統(tǒng)鑄件的抗拉強(qiáng)度比分支澆道系統(tǒng)鑄件的抗拉強(qiáng)度高6%(無真空)和16%(真空)，而扇形單澆道鑄件的伸長率比分支澆道高191%(真空)和135%(無真空)。從抗拉強(qiáng)度和伸長率的絕對值來看，扇形單澆道系統(tǒng)生產(chǎn)的鑄件比分支澆道系統(tǒng)的鑄件高得多。

2.3　真空對微觀組織的影響

將鑄件加熱到540 ℃，保溫一段時(shí)間，鑄件中卷入的氣體膨脹，使得試樣變形并生成表面氣泡。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在扇形單澆道系統(tǒng)中，真空對鑄件氣孔量有所影響，即減少了鑄件的氣體含量;而分支澆道系統(tǒng)，有真空和無真空輔助對鑄件氣孔量的影響不大，鑄件上的氣孔率幾乎是相同的。這一點(diǎn)說明真空輔助工藝減少含氣量的作用只適用于那些宜半固態(tài)金屬鑄造的澆道系統(tǒng)。

微觀組織的改變可以反映材料的力學(xué)性能變化。通過觀察拋光試樣表面的微觀組織，也可以認(rèn)識(shí)到材料宏觀性能的變化原因。圖3～圖6清楚地表明在觸變鑄造中真空并不影響材料的微觀組織。這種情況在兩種澆道系統(tǒng)都存在。