铸造过程中铸件性能的变化


大 部分A 356合金铸件采用金属型工艺,凝固时间通常小于10分钟。与其他常用的铸造工艺如高压压铸(常规或真空)、砂型铸造、石
膏型和熔模铸造等相比,这种工艺通常具有最佳的冶金性能。由于这些特性,金属型工艺倾转浇注通常用于生产高完整性零部件(图1)。

拉伸强度和延展性与二次枝晶间距、微孔隙度和受夹杂物含量影响的金属洁净度等冶金性能密切相关。

浇注金属型通常是重力状态下通过浇道,这会造成相当大的紊流。在此过程中,较热的金属液往往最终处于铸型的底部,而补缩装置(冒口)通常位于顶部。这种情况不利于定向凝固,因此要求较热的金属靠近冒口。在倾转浇注过程中,铸型的型腔从水平位置开始,慢慢地旋转到直立的位置,减少了紊流、并使较热的金属液处于铸型顶部。

为了验证这一现象,对旋转导向板进行了“取样试验”,检验其能承受的极限拉伸和弯曲载荷,失效将造成严重后果(图2)。

与锻件不同,任何铸造合金的零部件都无法始终如一的保证手册规定的拉伸性能。这会使铸件用户感到困惑,因为他们会从供应商、学者或他们可能参考的手册获得相同合金的一系列特性。他们往往会得出结论,可以信任的设计值是不存在的。
事实上,铸件的力学性能不仅会随着工艺的变化而变化,而且可能在同一铸件中发生变化。例如,图中所示的旋转导板随着凝固条件(凝固时间和温度梯度)的不同,延伸率从2.1-8%不等。铸造技术员能够准确预测铸件不同位置的性能,以确保在关键位置具有合适的性能。向潜在用户提供本研究所做的分析,将有助于让非冶金学家们相信,结构铸件的力学性能可以可靠地预测。

实验的铸件
图2所示的旋转导板,通常厚度为0.5英寸(12毫米)。在本研究中,对其进行了如图3所示的拉伸和弯曲应力联合测试。在导板左下角切出的试样上测得其成分为:6.65si、0.11Fe、0.01Cu、0.006 Mn、0.30mg、0.002 Sr(即合金未改性),与优质的A 356初生合金的成分相对应。

在投入使用之前,铸件进行如图3所示的极端应力水平测试。左侧的示意图是测试条件,而等效应力的分布则用彩色绘制在右边。结果表明,肋端受拉应力的值接近A356 T61合金的屈服强度。Von Mises准则明确了材料屈服的值,即A 356合金经过热处理,

在1004 ℉(540℃)水中固溶化8小时,140℉(60℃)水中淬火,在311 ℉(155℃)溶液中时效4小时,材料的拉伸和屈服强度达到约180MPa/26ksi。

实验过程
如图4所示,ASTM E8小型拉伸试样在编号为1-13的位置取样。由于每个位置只测试1个试样,所以必须谨慎地对待拉伸结果(屈服强度、极限抗拉强度和延伸率)。
通常情况下,极限抗拉强度和延伸率的相对标准偏差分别为5%和25%。因此,应该记住,假设在个体结果的正态分布中,基于大量测试的平均值与标准值的偏差为±10%内,而1个独立的测量值的偏差为±50%(概率为95%)。图5的拉伸试验结果表明:
各处试样的屈服强度相似,约为180 MPa/ (26 Ksi)。
延伸率变化范围较大,在2.1~8%之间。
极限抗拉强度与延伸率密切相关。
当工艺条件(如浇注温度、倾转时间、脱模时间和打开铸型时间)已知时,一旦达到动态稳定状态,就有可能预测铸件内部任何位置的凝固条件。例如,图6a所示为10次循环后预测的凝固时间。

过热点的位置是通过模拟凝固获得的主要信息,即液态金属通道截断后最后凝固的位置。根据其严重程度,这种情况将引起缩松缺陷。

如图6a-6b所示,根据铸件几何形状判定两个低应力位置是过热点。引起的缩松缺陷如图7所示。为了减少这类缺陷并达到C级要求,可以轻微的对金属液进行气体保护,从而整体使液体收缩为固体收缩。

保护金属液的气体通过测量减压试样的密度来控制,密度达到接近2.50。正常脱气的金属液对应的样品密度为2.60,而A356合金致密的密度为2.68。另一种解决办法是人工冷却:建模表明空气冷却是不够的,因此发现金属液的气体保护比在模具中增加水冷却通道更实用。

然而,可以从模拟中获得比凝固顺序和过热点位置更多的信息。拉伸性能也可以预测。

质量指标Q定义了Al-Si-Mg合金的热处理,最初级的近似值,只取决于合金的冶金质量,而不取决于固溶淬火后的回火。

冶金质量取决于微米级的二次枝晶臂间距(DAS)的显微组织细度和以体积百分比表示的微孔隙度。夹杂物的存在也会降低Q值。Q的定义关系是:
Q = UTS + 150 Log El

洁净的合金,Q只取决于枝晶的细度和微孔隙度。由于DAS与凝固时间有关,微观孔隙率可以用凝固时间和固相线速度来表示,因此可以根据热模拟的结果计算出Q值,为铸件的凝固时间和凝固速度提供一定的参考值。需要注意的是,局部凝固时间是从凝固开始到结束之间的时间,因此它比图6中的凝固时间短。本文给出了减压试样密度为2.48,溶解氢气体含量约为0.20ppm的中度气体金属液Q的表达式。

因此,可以得到图8顶部所示的Q分布颜色图。结果表明,Q值较低的区域对应较慢的凝固时间和较高的固相线速度值(即较低的温度梯度区)。
YS = UTS – 60 Log El -13

在AlSiMg合金中,合金的拉伸性能YS、UTS(MPa)和EL不是相互独立的,有如下的经验关系:

YS = UTS – 60 Log El -13
YS = Q – 210 Log El -13
因此根据定义,Q = UTS + 150 Log El,YS可表示为:
YS = Q – 210 Log El -13
El = 10^(Q-YS+13)/210
因此:
El = 10^(Q-YS+13)/210

屈服强度主要取决于镁含量和回火条件,它们在铸造过程中是一致的。根据镁含量(0.30%)和时效条件(311℉,4h)计算屈服强度。屈服强度的测定值为180 MPa,与图5的拉伸结果非常符合,该结果仅以1次拉伸试验为基础。

假设常数YS =180 MPa,延伸率可以用Q值以方程1计算。

如图8,预测的Q值从308到363 MPa不等,从同一图中的表格来看,它对应预测的延伸率为2.4%-4.6%,比实测的范围更窄,因为实验的延伸率在2.1%-8%之间。然而,这种明显的差异可能并不显著,因为实验结果是每个位置的唯一试样测量得出的。延伸率的典型标准差为25%,这两个极端数的“真值”分别为2.1±1.0%和

8.0±4.0%,概率为95%。“真值”是通过对无穷多个测试结果进行平均得到的。因此,在目前情况下,不能说这些预测符合或与现实相矛盾。需要进行更多的测试。然而可以说,无论是实验还是理论,都表明在同一铸件中力学性能有着广泛的范围。测量得出的拉伸性能(图5) 似乎通常优于预测的性能,证明铸件的冶金质量高于平均水平。

如图9所示直径0.4英寸(9mm)的嵌图,是图4标出的位置1、2、4、9、11和13。通过图像分析,测量了13个位置微孔隙度的水平。同时标出了孔隙的最大长度。这个最大长度与零件的疲劳强度有关,比以体积百分比表示的孔隙率更重要。尽管对金属液进行部分气体保护,但其目的是为了将缩孔减少到可接受的水平,在11和13处迅速凝固的高温梯度会导致极低的微孔隙率。微孔隙度的预测值通常高于实验值,但9号的测量值异常高(2.23%)。在这个位置上,空洞的形态是非常奇特的(见图9的9号嵌图),表明在这个点可能发生特定现象。可能是夹杂的存在,也可能是氢气分子形成的核团。

预测的微孔隙度值通常高于实测值,这可能是由于自然脱气或由于溶解在金属液中的氢气分子的实际含量低于用于预测微孔分布的公式所对应的0.20ppm。

图10的显微组织是典型的未经热处理的Al-Si合金。结果表明,随着凝固时间的延长,枝晶结构粗化,DAS的测量值如图显微照片所示。凝固模型中预测的DAS(图11)的分布是基于之前提到的仅取决于局部凝固时间的关系,即凝固开始到结束之间的时间。

实验结论
通过对倾转浇注A 356铝合金铸件13个凝固时间为0.5~2.5分钟的试样冶金性能的研究,得出以下结论:

局部拉伸性能随凝固条件变化较大,质量指标Q为308~363 MPa。这些值预计低于ASTM B 108标准试样要求的最小Q值(Q > 367MPa),其局部凝固时间小于20秒。
通过凝固模型可以合理地预测凝固时间和固相线速度的局部值对孔隙率、拉伸强度和延伸率的影响。延伸率的测量值(2.1-8%)比预测值(2.4-4.6%)变化幅度大得多。这一差异是由于每个位置只进行了1次拉伸试验,铸铝合金延伸率的置信区间通常为大量试验所得平均值的25%。

通过凝固模型确定凝固起始与结束的时间,可以准确预测二次枝晶臂的间距(DAS)。

除了常规预测铸件的宏观收缩 (即“过热点”)外,凝固模型还可以用来评价铸件内部孔隙率、拉伸强度和延伸率的变化。然而,在使用这一工具时应该谨慎,并且要有足够的洞察力。在凝固领域,预测应该被看作是对现实的“相对”正确的描绘。对于给定的合金,它可能赋予的信任应该建立在长期的实验过程中,在广泛的几何结构和工艺条件下进行试验。 ■

本文选自第122届铸造大会上发表的论文“金属型倾转浇注AlSi7Mg03(A 356)铝合金结构件的冶金性能”(论文18-011)。■