真空低壓消失模殼型鑄造和消失模鑄造鋁合金組織和性能對比
利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃錯電鏡(SEM)等對真空低壓消失模殼型鑄造和消失模鑄造A356 鋁合金的組織和性能進行對比分析。結(jié)果表明：真空低壓消失模殼型鑄造A356 鋁合金組織比消失模鑄造A356 鋁合金組織細小、致密，其初生相晶粒尺寸和共晶硅尺寸都遠小于消失模鑄造鋁合金的，孔隙率低于消失模鑄造鋁合金的、密度高于消失模鑄造鋁合金的。真空低壓消失模殼型鑄造A356 合金的拉伸斷裂方式以韌性斷口為主，消失模鑄造鋁合金的斷裂方式以脆性斷口為主;鑄件經(jīng)T6 熱處理后的抗拉強度、伸長率和布氏硬度分別達到278.27 MPa、8.10 %和93.1HB，較消失模鑄件的分別提高了20.2 %、166.4 %和17.6 %;其鑄件表面質(zhì)量也優(yōu)于消失模鑄件的表面質(zhì)量。
鑄造鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性能、良好的耐腐蝕性能、較高的比強度和比剛度以及能近終成型等優(yōu)點，因此，隨著航空航天、汽車等工業(yè)的迅速發(fā)展，復(fù)雜薄壁鋁合金精密鑄件得到了越來越廣泛的應(yīng)用。真空低壓消失模殼型鑄造是一種適合生產(chǎn)復(fù)雜薄壁鋁(鎂)合金精密鑄件的新方法，它是將消失模鑄造泡沫模樣精密成形技術(shù)、熔模鑄造精密制殼技術(shù)以及低壓鑄造技術(shù)相結(jié)合開發(fā)的一種新工藝。首先，以消失模鑄造的泡沫模為原型，利用熔模鑄造制殼技術(shù)在泡沫原型表面結(jié)殼，經(jīng)失模、焙燒后，型殼裝入砂箱填砂造型，最后金屬液在真空和壓力雙重作用下成形(見圖1)。該技術(shù)綜合了泡沫模樣的成本低、收縮小、尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活及熔模鑄造陶瓷型殼的精度高等優(yōu)點，在澆注前脫去泡沫模樣，可解決消失模鑄造孔洞、夾雜等缺陷過多和澆注溫度過高等問題;同時，金屬液在真空與充型氣體的雙重壓力進行充型和凝固，充型能力和補縮能力大大提高，因此，可獲得高質(zhì)量鑄件。本文作者對真空低壓消失模殼型鑄造和消失模鑄造兩種工藝獲得的A356 鋁合金的組織和性能進行對比分析。
圖1 真空低壓消失模殼型鑄造原理圖
1、實驗
采用發(fā)泡成型工藝制備密度為0.05 g/cm3 的泡沫模樣，泡沫模樣材料為可發(fā)性聚苯乙烯。在泡沫模樣表面制備陶瓷型殼，經(jīng)失模、焙燒后，將其裝入砂箱中，并填入散干砂，實施振動緊實。選用的合金材料為A356 鋁合金(成分見表1)，將預(yù)熱的鋁合金放入不銹鋼坩堝中熔化，采用Sr 變質(zhì)、氬氣精煉除氣。將砂箱推至低壓鑄造工位進行澆注。實驗中，型殼未預(yù)熱，充型壓力和真空度分別為0.04 和0.02 MPa。消失模鑄造用泡沫模密度為0.025 g/cm3，澆注溫度為750 ℃，真空度為0.02 MPa，采用重力鑄造方式。以上兩種鑄造工藝所采用的試樣尺寸和合金處理方式均相同，在同一條件下進行比較。
表1 A356 鋁合金的化學(xué)成分
從拉伸試樣的接頭處截取金相試樣，采用0.5%HF(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液進行腐蝕，采用Me F−3 型金相顯微鏡進行組織觀察。采用Image Tool 分析軟件測定初生相晶粒平均面積A，然后利用公式D=2(A/π)1/2 來計算初生相晶粒的平均等效直徑D。D 值越小，晶粒尺寸越小，否則晶粒尺寸越大。采用JX−2000 分析軟件測定試樣的斷面孔隙率。試樣密度由阿基米德原理計算。
拉伸試樣為d10 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試棒。對拉伸試樣進行T6 熱處理((淬火固溶，538 ℃，12 h)+(空冷時效165 ℃，6 h))，拉伸試驗在WE−100 型600 kN 萬能材料試驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min。采用HB−3000 型硬度測試機測定試樣布氏硬度;采用QUAN TA−400 型掃描電子顯微鏡觀察組織中共晶硅形貌、分析拉伸試樣斷口形貌和斷口表面成分。
4、結(jié)論
1) 真空低壓消失模殼型鑄造A356 鋁合金組織比消失模鑄造A356 鋁合金組織細小、致密，其初生相晶粒尺寸和共晶硅尺寸都遠小于消失模鑄件的，鑄件孔隙率僅為0.16%，遠低于消失模鑄造件的孔隙率(1.97%)。
2) 真空低壓消失模殼型鑄造A356 鋁合金經(jīng)T6熱處理后的拉伸斷口韌窩形貌明顯，韌窩較深，且分布均勻，為韌性斷口為主的斷裂方式;而消失模鑄造A356 鋁合金的拉伸斷口韌窩較少、較淺，且分布不均勻，還存在縮孔和夾雜等缺陷，為脆性斷口為主的斷裂方式。
3) 真空低壓消失模殼型鑄造A356 鋁合金的抗拉強度、伸長率和布氏硬度分別達到278.27 MPa、8.10%和93.1HB，比消失模鑄造A356 鋁合金的分別提高了20.2%、166.4%和17.6%。且鑄件表面質(zhì)量也優(yōu)于消失模鑄件的表面質(zhì)量。
