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真空度对压铸AZ91D镁合金组织和力学性能的影响

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽能力强、减震能力强、切削性能优良、易回收等优点,在 工程中得到了广泛的应用。AZ91D镁合金由于具有良好的铸造性能和耐蚀性能,还具备一定的力学性 能,因而在压铸镁合金中得到广泛运用。 普通压铸AZ91D镁合金屈服强度、抗拉强度和伸 长率分别为150MPa、230MPa和3%。其伸长率较 低很大程度上是由于压铸过程中金属液以紊流态高速射入模具型腔,使型腔内部气体无法及时排出,造成金属液卷气而在压铸件中形成气孔,从而降低伸长率。真空压铸是一种通过真空系统抽除模具型腔内的气体,以降低压铸件内部孔隙率的铸造工艺,后期可进行热处理以提高压铸件的力学性能。本课题研究的是不同的真空度对压铸AZ91D镁合金显微组织和力学性能的影响。

1 试验过程

压铸试验采用TOYO-BD350V5冷室压铸机,该压 铸机最大锁模力为3500kN。采用 VDSPLC-350的 真空设备对压铸模具抽真空,通过调整压铸工艺参数 (高、低速度及高低速转换位置)进而改变抽真空的时间 长短,使模具型腔达到不同的真空度。采用井式电阻坩埚炉熔炼 AZ91D镁合金,其成分见表1,一次熔炼50 kg,采用 N2+SF6(0.5%)混合气体 对熔体进行保护。

图1为AZ91D镁合金压铸件的外观。采用模具温度控制机对压铸模具的温度进行控制。腐蚀剂选用体 积分数为4%的硝酸酒精溶液,采用 Axio Observer A1 型光学显微镜进行显微组织观察。鼓泡试验工艺参数 为450℃×3h,水淬。

拉伸试样见图2,取样部位见图1中A处,拉伸试验采用 Zwick Z100万能材料试验机,拉伸速率为1 mm/min,标记长度为15 mm,平行试样数量为3~4 根。


真空压铸系统见图3,模具型腔通过真空阀与负压罐一端相连,负压罐的另一端与真空泵相连。当冲头封闭浇料口后,将促发位移传感器发出信号,真空系统开始工作,真空阀打开抽真空,直至金属液冲击真空阀使其关闭而停止抽真空。

AZ91D镁合金真空压铸工艺参数见表2,其中浇注温度为690℃,模具温度为200℃,比压为70MPa,增压位置在280mm。 

2 试验结果及分析

图4是不同压铸工艺下抽真空时间-真空度的曲线。可以看出,从1号工艺到4号工艺,随着抽气时间的不断增加,模具型腔的真空度得到不断提升。1号工艺下实际抽真空时间为0.35s,最低真空度为51.8 kPa; 4号工艺下实际抽真空时间为0.88s,最低真空度 为17.5kPa。 理论抽真空时间 t v 为:

式中, t l v为低速阶段理论抽真空时间; t hv为高速阶段理 论抽真空时间。低速阶段理论抽真空时间 t l v为:

式中, Li为不同低速段的长度,该压铸机最多可以设置9段低速;v i 为对应低速段的冲头速度。压铸机的冲头行至100mm处封闭浇料口,同时打开真空阀抽真空,故上述压铸工艺参数中的第一段低速不抽真空。高速阶段理论抽真空时间为:

式中, L h 为高速段长度,即高低速转换位置至增压位置的长度;v h 为高速段的冲头速度。根据式( 1)~式( 3) 可求得各组压铸工艺参数下的理论抽气时间,见表3。

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从表3可以看出,理论抽真空时间与实际抽真空时 间的最大偏差度控制在12%以内,说明上述计算理论抽气时间的方法具有一定的准确度,这为 AZ91D镁合金真空压铸工艺参数的设计提供了较好的参考。在同 一真空系统下,冲头在低速阶段的抽真空时间长短决定 了抽真空的时间长短。从表3可以看出,低速阶段抽真空时间占总抽真空时间的90%以上,因而在设 计真空压铸工艺参数时,应将重点放在低速段的参数设 计上。

图5为不同真空度下压铸件的显微组织。为了保 证显微组织的可比性,试样均选在圆柱通孔高度1/4部 位处,具体取样位置见图1中 B 处。对应的真空度分 别为51.8、35.1、25.9、17.5kPa。可以看到图5a中的 显微组织内部存在大量的气孔,并且气孔尺寸较大,最 大气孔的直径在150μm以上,气孔的分布较为分散。   

随着真空度的提升,气孔数量不断减少,同时气孔尺寸不断减小,压铸件的内部质量得到明显改善,这有助于提高合金伸长率。当真空度达到17.5kPa时,组织中已不易观察到气孔。 

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图6为 AZ91D镁合金高温鼓泡后的外观,鼓泡试验是为了更加直观地查看压铸件的卷气情况,图6中的黑色标记点即为鼓泡点。对应的真空度分别为51.8、 35.1、17.5kPa。可以看出随着真空度的提高,鼓包逐渐减少,表明压铸件内部的孔隙率下降。   

图7为不同真空度下压铸AZ91D镁合金的力学性能。可以看出,随着真空度的提升,AZ91D镁合金的伸长率得到提高。伸长率从51.8kPa下的3.2%,提高 至17.5kPa下的5.1%,提高了60%。这是由于提升真空度能有效降低压铸件内部的孔隙率,而孔隙率对合金伸长率呈负相关影响,即降低孔隙率能提高合金的伸长率。

AZ91D 镁合金的抗拉强度从51.8kPa下的219 MPa,提高至17.5kPa下的249 MPa,提高了13.7%, 表明真空度提高能有效提高合金的抗拉强度。AZ91D 镁合金在17.5kPa下的屈服强度达到163 MPa,较普 通压铸 AZ91D镁合金提高8.7%。真空压铸能提高屈 服强度的原因在于,真空能有效地减薄压铸件与模具间的气体层,进而提高压铸件与模具间的传热系数,加大 铸件的冷却速率,合金晶粒得到一定细化,从而提高合金的屈服强度。另外,在25.9~35.1kPa真空度范围内伸长率的增长速率较大,真空度达到25.9kPa后合金伸长率的增长速率变缓。 

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3 结 论

( 1)提供了一种依据压铸工艺参数计算真空系统理论抽真空时间的方法,按照该方法计算的理论抽真空时 间与实际抽真空时间的偏差度小于12%。从计算结果可以看出,低速阶段抽真空时间占比在90%以上,因此在设计真空压铸工艺参数时,应将重点放在低速段的参数设计上。

( 2)真空压铸AZ91D镁合金,其伸长率随着真空度的提升而提高。伸长率从51.8kPa下的3.2%,提高 至17.5kPa的5.1%,提高幅度达到60%。17.5kPa 下的伸长率相比普通压铸 AZ91D镁合金3%的伸长率提高了70%。在25.9~35.1kPa范围内伸长率的增长速率较大,真空度达到25.9kPa后伸长率的增长速率变缓。在25.9~35.1kPa的真空度范围具有较高的应用价值。 

发布时间:   来源:第一压铸  作者:匿名
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