摘要：研究了挤压铸造压力对壁厚不均铸件性能的影响。通过对该铸件不同部位宏观、微观组织、密度以及力学性能的研究表明，合金的力学性能随着压力的增加而增大，并且在100MPa时达到最大值，之后继续增加压力，对材料性能影响不大，铸件厚壁位置的最大剪切强度达到174.31MPa、硬度达到97.7HB。压力损失对铸件性能有很大的影响，厚壁位置由于压力损失引起的性能降低较为明显。
关键词：挤压铸造；压力；性能；铝合金
挤压铸造是一种先进的近净成形工艺，液态金属在外压力下结晶、凝固和成形，得到晶粒细小、致密、成分均匀的组织，铸件的力学性能接近锻件水平，所以很多力学性能要求高的铸件选择挤压铸造成形[1-3]。铸件的形状和尺寸是多种多样的，挤压铸造技术要能够得到不断发展和广泛的应用，就必须要适应各种几何尺寸的铸件[4,5]。Al-Cu系合金是一种强韧性高、但铸造性差的铝合金。由于液态金属在高压下充型和成形，所以对合金的铸造性能要求大大降低[6]。在挤压铸造过程中，压力对铸件的力学性能、铸造缺陷、组织、偏析、熔点及相平衡等都有直接影响，所以确定合理的压力至关重要[7]。本文以壁厚严重不均的Al-Cu系合金铸件为对象，研究在其他工艺参数确定的情况下压力对铸件各部位力学性能的影响。
1试验条件及方法
试验选用连接座铸件为研究对象，因壁厚严重不均，所以铸件的各部位力学性能是关注的重点，铸件结构如图1，材料为ZLD201合金，合金的化学成分w为5.23%Cu，0.93%Mn，0.32%Ti，0.17%Si，0.06%Fe。试试验选用工业电阻炉熔炼合金，720℃时精炼除气（TR-WJ无公害精炼剂），静置2min，除渣（TR-WF除渣剂），浇注温度690~680℃。试验使用凹模下压式挤压铸造成形，模具成形部件材料为3Cr2W8VA，模具预热温度150~200℃，脱模剂选用油剂胶体石墨，在3000kN四柱万能液压机上成形，液压机工作进给速度为挤压铸造的加压速度，约为10mm/s。挤压铸造凝固成形过程中，压力对铸件的性能影响至关重要。但连接座铸件侧壁厚6mm，底部壁厚32.5mm，铸件壁厚相差悬殊，挤压铸造过程中，随着铸件凝固壳的增厚，铸件内部存在压力损失，在厚壁的中心位置尤为明显，成形过程中出现压力不足、补缩困难，甚至会出现铸造工艺常见的气孔、缩孔和疏松等缺陷。所以，要选用较大的挤压铸造压力，压力值分别取75、100、120MPa。因连接座铸件结构与尺寸原因，无法做拉伸试验，只能做硬度及剪切强度试验，每个铸件选取3个部位分析，取样位置如图1。(①②③)硬度试验按照GB231《金属布氏硬度试验方法》在HB-3000型布氏硬度计上测量，试验条件为：钢球压头直径5mm、载荷250kg、加载时间30s。试样的密度通过“阿基米德”排水法测得。本文采用的所有数据都是通过3次独立测量求得的平均值。
2试验结果及分析
图2为不同压力条件下连接座位置③处的低倍组织照片，可以看出，在上述压力条件下没有发现因压力损失而造成的铸造缺陷。图3为不同压力条件下连接件位置③处的的金相组织，可以看出随着压力的增加，晶粒得到细化、枝晶间距减小，这说明压力对挤压铸造件组织有很大的影响。上述现象与金属在压力下结晶的特点相吻合，由克劳修斯-克拉柏龙方程可知，增加压力使合金熔点升高，也就是压力升高使液态金属在温度不变的情况下达到形核所需的过冷度，使金属迅速凝固。压力还可以在结晶前沿的液态金属中产生较大的过冷度，实际结晶时金属的过冷温度范围很窄，在此过冷温度区间中，其形核率是很大的，因此液态金属只要用加压方法增加几度过冷度，就可以明显增加形核率，达到细化组织的目的[8]。再则，液态金属在高压下结晶，使液锻件凝固速度大大加快，加上破碎枝晶的作用，起到了细化显微组织的效果[9]。当达到100MPa时晶粒最细小，继续增大压力，合金的显微组织的变化不大。图4为不同压力下铸件各位置的密度。从图中数据可知，随着压力的升高铸件密度增大，主要是由于压力的作用液态金属就会填充剩余的孔隙，基体的晶粒细化和孔洞减少，合金密度得到提高。而厚壁处（位置③）各个压力下的密度均低于薄壁处，说明压力损失对密度有很大的影响。当压力超过100MPa以后，密度变化不大，在此压力时合金中的疏松缺陷已经基本消除。凝固过程中施加压力，可以增加气体在合金中的溶解度，使可能析出的气体量减少，外部总压力增加，使气泡需要在更高的内压力下才能形核，从而抑制气泡生成和长大，同时增加铸件的凝固速度，还可使气体来不及扩散析出。这些作用都是使气体以过饱和状态溶于合金中，有效的减少或消除液锻件中的气孔，使液锻件组织致密。说明孔隙不能再减少，特别是当密度接近它的理论密度时就很难再增大[10,11]。故压力增加可获得性能优异的挤压铸造件。图5为不同压力对铸件各部位硬度、剪切强度的影响。可以看出，随着压力的增加，铸件各部位力学性能均逐渐增加，并且在100MPa时达到最佳值，这与金相组织及密度变化规律吻合。同时，力学性能的增加，也与合金中间相以及中间相成分的变化有关。随着压力的增加，合金元素在晶内的溶解度增大，当更多的合金元素溶入基体中时，可以起到强化作用的中间相就会减少。虽然溶入基体的合金元素可以由于固溶强化提高合金的力学性能，但当溶质原子达到某一浓度后，固溶强化就会减弱，同时，由于中间相含量的减少，使得材料的力学性能有所降低[6]，这就是图5中合金的力学性能出现峰值的原因。由图5还可看出铸件厚壁处（位置③）的力学性能明显低于薄壁位置。主要原因是挤压铸造过程中，随着铸件凝固壳的增厚，铸件内部存在有压力损失，所以厚壁位置压力损失巨大，真正作用在液态金属上的实际压力有所下降，导致力学性能下降。
3结论
（1）ZL201连接座的最佳挤压铸造压力是100MPa，铸态合金的剪切强度为174.31MPa，硬度为97.7HB。（2）随着压力的增加，铸件密度增大。（3）随着压力的增加，合金的晶粒尺寸明显减小，超过100MPa后压力对合金晶粒的影响不大。（4）在挤压铸造成形过程中存在压力损失，厚壁位置外科医学论文由于压力工程经济论文衰减引起的性能降低较为明显。
作者：吕野楠 丁韧 单位：辽宁省交通高等专科学校机电系
