原標題：Si含量及模具溫度對壓鑄Al-Si合金流動性的影響

摘要

在真空壓鑄機上配置了壓鑄流動性試驗模具，制備了壓鑄流動性樣品，通過對金屬液流動長度和凝固后金相組織檢測分析，研究了Si元素含量及模具溫度對Al-Si鑄造合金流動性的影響。結果顯示，在同一壓鑄工藝條件下，Si含量由7%增加至8%，壓鑄樣品流動長度快速增長，Si含量8%以后增長緩慢，在Si含量為9%時樣品流動長度達最大值1 285 mm；在相同Si含量條件下，隨著模具溫度的上升，壓鑄樣品流動長度呈線性增加，在模具溫度180 ℃時可達1 481 mm；經過對比，模具溫度150 ℃時樣品邊部微觀組織較180 ℃更加均勻。

鋁合金壓鑄工藝在汽車制造中主要應用于發動機缸體、缸蓋等零部件。然而在電動車上特斯拉開啟了車身一體化壓鑄技術的先河，給車身制造帶來了一次技術革新。一體化壓鑄工藝是將汽車身上多個結構復雜的零件進行優化，使用一個或者幾個大型零件替代。因此新能源汽車行業的蓬勃發展為國內一體化壓鑄鋁合金材料研發和超大型一體化壓鑄設備制造提供了行業發展驅動，同時“節能減排”與“新能源化”汽車產業的國家政策扶持為合金材料開發、工藝裝備制造、汽車產業升級換代和國際市場開拓提供了穩定高效的發展前景。

隨著我國裝備水平的提升，如力勁集團壓鑄機鎖模力從6 000 t到16 000 t的突破發展，為大型一體化壓鑄結構件發展夯實基礎。同時鋁合金壓鑄成形的重要影響因素之一，即鋁合金熔體的充型能力，直接決定了壓鑄充型完整性，還會對鑄件最終的組織和力學性能產生影響。鋁合金液體的充型能力首先取決于鋁合金材料本身的流動能力，同時又受鑄造工藝、澆注條件和鑄件結構等因素的影響。合理的壓鑄工藝使合金充滿薄而復雜的模腔，減少鑄件中熱裂、氣孔、縮孔和縮松等缺陷。因此，良好的流動性是獲得優質鑄件的基本條件。

除了工藝和裝備外，一體化壓鑄成形制造對材料提出了更高的技術要求。當前一體化壓鑄免熱處理材料以Al-Si系為主，國內免熱處理壓鑄鋁合金的研究，如立中集團、帥翼馳、瑞格和鴻圖等單位以Al-Si系鋁合金為主，少數開發Al-Mg系合金。Al-Si系鑄造合金由于具有較好的流動性，成為大型薄壁一體化復雜構型壓鑄件的首選。良好的流動性能使鑄件在凝固末期減少疏松、縮孔甚至熱裂等缺陷，使得合金可以充滿大型薄壁復雜結構鑄件的型腔，獲得合格的鑄件。文獻報道Si含量與Al-Si合金流動性關系，隨著Si含量增加流動性先降低后升高，Si含量在18%左右時流動性出現最高點，Si含量持續增加流動性反而降低。研究表明，相同的過熱度條件下，Si含量在1.65%~12.6%之間，亞共晶合金Si含量增加流動性持續增加。

目前對于新能源汽車車身底盤向電芯直接集成于車輛底盤的工藝（CTC）發展，大型一體化壓鑄件尺寸將越來越大，構型將越來越復雜，對壓鑄Al-Si系合金的充型能力也是一項挑戰。因此研究Si元素含量及模具溫度對合金壓鑄流動性的影響，對今后一體化壓鑄技術發展有一定指導意義。

01 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

Al-Si合金的共晶點Si含量為12.6%，而目前市場上常用的典型Al-Si系免熱處理合金Si含量在6%~11%范圍內，如美鋁C611、萊茵Castasil-37和麥格納Aural 6等，均在亞共晶范疇。根據研究表明，在亞共晶范圍內鑄造鋁合金流動性隨著Si含量的增加而增加，又因常用免熱處理材料主要元素種類基本相同，本次試驗主要在國標AlSi7MnMg的成分基礎上，通過調整Si元素含量7%（A組）、8%（B組）、9%（C組）、10%（D組），研究Si含量增加對壓鑄流動性的影響。

1.2 熔煉過程

將預先準備的工業鋁錠（Al 99.97%）、443工業硅、Al-10Mn和Al-10Ti中間合金置于150 kg壓鑄機機邊爐中，由室溫升至750 ℃；待完全熔化后，將事先準備的金屬鎂加入鋁液并充分溶解后，加入四通新材生產的STJ-A1精煉劑進行攪拌并扒去表面浮渣；靜置5 min后，控制石墨棒通入高純氬氣（控制流量20 L/min）20 min。在除氣過程中將Al-10Sr桿投入鋁液中進行變質處理，之后采用OBLF QSG750-Ⅱ鋁鎂基直讀光譜儀檢測合金成分，如表1所示。結合JMAtPro軟件v12.4計算表1合金成分在700 ℃至室溫過程中固相率變化，分析不同Si含量對流動性的影響。

表1 不同Si含量合金化學成分 wB/%

1.3 試驗方法

使用東洋BD-350V5型真空壓鑄機進行試驗。為了考察不同模具溫度對壓鑄鋁合金材料的壓鑄流動性影響，以C組Si9%為壓鑄合金，模具溫度設置為120 ℃、150 ℃和180 ℃。在Si含量影響的研究中，將模具溫度設置150 ℃，鋁液澆注溫度700 ℃，沖頭低速速度設置為0.15 m/s，高速速度為4 m/s，模具材料為H13鋼，涂料為壓鑄用脫模劑。壓鑄開始前先進行試模5件，計數開始時每次壓鑄5件試樣。待A組試驗完成后，重新在鋁液中添加Al-40Si中間合金進行配料，將Si7%增加到Si8%，進行后續壓鑄試驗。C組和D組按此循環進行，成分調整過程中Sr和Mg元素會一定燒損，需要在試驗過程及時補充到同一水平。

壓鑄流動區總長為1 746.4 mm，壓鑄樣品的寬度×厚度為12.5 mm×3 mm，壓鑄試樣如圖1所示，將壓鑄的流動性樣品放置在專用的量具上測量流動長度。將樣品不同位置取截面小試樣，切好樣品經打磨拋光后置于Axio Imager M2m蔡司金相顯微鏡下觀察其微觀組織變化。

圖1 壓鑄流動性樣品

02 試驗結果

2.1 壓鑄流動性對比

圖2為不同Si含量合金的壓鑄樣品流動長度對比。

圖2 模具溫度150 ℃下不同Si含量合金的壓鑄樣品流動長度對比

在模具溫度150 ℃的條件下，隨著Si元素含量的上升，金屬液的流動長度先極速增長后增長緩慢，其中Si含量為9%和10%的流動長度相當，在Si含量9%時出現最大值1 285 mm。圖3為JMatPro軟件計算不同Si含量合金固相率結果， Si含量分別為7%、8%、9%和10%時液相線溫度分別為616.4 ℃、609.5 ℃、602.5 ℃和595 ℃，固相線溫度分別為567 ℃、565 ℃、558.9 ℃、557.5 ℃，固液相線溫度差分別為49.4 ℃、44.5 ℃、43.6 ℃和37.5 ℃，隨著Si含量的升高結晶區間變窄。研究表明合金的結晶溫度范圍變窄，α-Al晶粒生長時間縮短，枝晶網絡逐漸退化，為共晶液相提供更順暢的流動通道提高補縮能力，因此Si含量7%~9%，如圖3（a）至（c）所示，流動呈上升趨勢。但在Si含量增加到10%時，如圖3（d）所示，鋁液中會在608 ℃先析出少量AlSiMnFe相，此時鋁液粘度增加，因此Si10%與Si9%流動性相當。

圖3 不同Si含量合金JMatPro軟件固相率計算結果

圖4為不同模具溫度條件下的壓鑄流動長度對比。Si含量為9%的合金隨著模具溫度的升高，合金液的流動長度基本呈現線性增長，在模具溫度180 ℃時流動長度達到最大值1 481 mm。從檢測數據方差來看，模具較低溫度時壓鑄流動性數據波動相對較大，模具溫度升高有改善熔體流動長度穩定性作用。模具溫度直接影響合金熔體在模具型腔的散熱速度，因此對于壓鑄流動的影響比較明顯。

圖4 Si含量為9%合金在不同模具溫度下的流動長度

2.2 不同 Si 含量下金相組織對比

壓鑄流動性表現為合金液體充填鑄型的能力，合金液凝固前流動的最大距離。流動的長短從數據可以直觀對比，從凝固后的微觀組織也可以分析金屬液的流動性大小。液態金屬流動停止機理表明，流動區分為過熱金屬區、生核過渡區和結殼堵塞區。圖5為Si含量7%和9%試樣的100 mm位置200倍金相即過熱金屬凝固區。從圖5（a）和（c）邊部對比發現，Si7%樣品組織中枝晶發達，且邊緣部位出現粗大共晶Si相，而含Si9%合金組織中α-Al晶粒細小且組織較均勻，兩種組織中均存在彌散分布5 μm左右粒狀AlSiMnFe相。對比圖5（b）和（d）芯部，同樣Si7%樣品組織α-Al晶粒與共晶Si組織更加粗大，而Si9%組織表現均勻，粒狀AlSiMnFe相均較少。這是因為Si7%時合金的結晶范圍寬，在過熱金屬區α-Al晶粒與共晶Si形核過度長大，而Si9%時結晶范圍窄凝固時間短，粗大的α-Al晶粒減少，而共晶Si組織同樣細小，因此Si9%組織整體表現為均勻。因AlSiMnFe相結晶溫度600 ℃左右，邊部較芯部溫度下降快，因此邊部析出AlSiMnFe相多而芯部較少。

圖5 Si含量7%和9%合金流動長度100 mm位置金相對比

圖6為Si含量7%和9%試樣的600 mm位置200倍金相。對比圖6（a）和（c）邊部發現，因Si7%時流動性偏低，流動尾端鋁液溫度較低出現共晶Si的偏聚區，因為在液體流動過程中前端鋁液不斷與模具進行熱交換，率先溫度降低至液相線以下，鋁液中形成大量細小晶粒，因此組織出現細化，而Si9%組織較大。

圖6 Si含量7%和9%合金流動長度600 mm位置金相對比

前端鋁液中細小晶粒增多，隨著溫度降低導致鋁液粘度增加，使鋁液流動性受阻，也是Si7%時樣品流動較差的原因。對比圖6（b）和（d）發現，晶粒與共晶Si組織同樣Si9%樣品較Si7%粗大，此位置未接近Si9%流動尾端，此時鋁液溫度較高能夠支撐其有較好流動長度。

2.3 不同模具溫度下金相組織對比

從對不同Si含量流動性影響看，邊部組織隨位置變化明顯，相對芯部更能解釋流動性長短原因，因此只取流動性較好的Si9%試樣邊部金相組織進行對比。圖7為Si9%時不同模具溫度與300 mm和900 mm位置下的邊部200倍金相。對比圖7（a）至（c）中300 mm位置發現，模溫120 ℃、150 ℃和180 ℃時枝晶臂間距分別為13.2 μm、15.7 μm和20.3 μm。隨著模溫的升高，α-Al晶粒逐漸增大，同時共晶Si組織和AlSiMnFe相出現粗化，這是因為模溫的升高，降低了鋁液和模具的溫度差，降低了鋁液與模具的熱交換，因此晶粒和第二相等組織較粗大。對比圖7（d）至（f）中900 mm位置發現，共晶Si組織有明顯變化，在120 ℃時流動長度為1 002 mm。該位置接近鋁液停止頭部，因為鋁液流動，頭部不斷與模具進行熱交換，溫度迅速下降至液相線下形成大量細小晶粒，越靠近邊部冷卻越快，邊部先結晶α-Al，導致Si原子向內部液相區富集形成共晶Si出現偏析。模溫150 ℃時流動長度為1285mm ， 900mm位置出現大量細小等軸晶粒，共晶Si與AlSiMnFe相明顯細化均勻。模溫180 ℃時流動長度1481mm，900mm位置α-Al晶粒和AlSiMnFe相與模溫150℃相比變化較小，但共晶Si組織較粗大，這是因為模溫高時鋁液冷卻速度慢，共晶Si組織粗大。

圖7 合金Si含量9%時不同模具溫度和不同位置的邊部金相對比

03 結論

通過真空壓鑄流動性試驗并結合金相分析研究了Si元素含量及模具溫度對Al-Si鑄造合金的流動性影響，得到以下結論。

（1）在模具溫度150℃下，Si含量由7%增加8%，壓鑄樣品流動長度快速增長，Si含量8%以后增長緩慢，在Si含量9%時樣品流動長度達最大值1 285 mm。

（2）Si含量為9%的Al-Si鑄造合金，隨著模具溫度從150℃提高到180℃，壓鑄樣品流動長度呈線性增加，在模具溫度180 ℃時為1481mm，但模具溫度150℃時樣品邊部微觀組織較180 ℃更加均勻。

作者

李雪科1，田戰峰1，汪建余2，葛素靜1，譚　卓2，楊保壘1，何更雷1

1.  河北新立中有色金屬集團有限公司
河北省輕金屬合金材料技術創新中心
河北省輕金屬合金材料產業技術研究院
2.  一汽-大眾汽車有限公司規劃部

本文轉載自：《鑄造雜志》