圖1 鎂合金壓鑄件橫截面不同形貌及分布特征的缺陷帶

原標(biāo)題：深入分析！壓鑄AM60B鎂合金缺陷帶的組織特征及形成機(jī)理

鎂合金以其質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比剛度高、減震性好和易于回收利用等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和電子等領(lǐng)域。采用鎂合金替代鋼或鋁合金是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一，從而可以降低燃油消耗并減少氣體排放。鎂合金液態(tài)粘度低，流動(dòng)性好，易于充填復(fù)雜型腔，且凝固快，尺寸穩(wěn)定性好，特別適合于壓鑄工藝。因此，壓鑄已成為鎂合金結(jié)構(gòu)件最主要的成形工藝，常用于汽車輪轂、變速箱體、筆記本/手機(jī)外殼等零部件的生產(chǎn)。

當(dāng)前，鎂合金壓鑄件存在的絕對(duì)強(qiáng)度偏低、高溫性能較差等問(wèn)題制約了其應(yīng)用。研究表明，冷室壓鑄鎂合金中出現(xiàn)的氣縮孔、壓室預(yù)結(jié)晶（ESCs）、缺陷帶等對(duì)壓鑄件的力學(xué)性能有著較大的影響。對(duì)于氣縮孔及ESCs，已有了較為深入的研究，但針對(duì)缺陷帶的相關(guān)研究主要集中在缺陷帶的組織表征及物相分析等方面。研究發(fā)現(xiàn)，缺陷帶的形態(tài)及分布特征與氣縮孔、ESCs等存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然而其形成機(jī)理尚未明確和統(tǒng)一。

因此，以AM60B鎂合金拉伸壓鑄試樣為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了壓鑄鎂合金缺陷帶的組織形貌及分布特征，建立缺陷帶與ESCs、氣縮孔及壓鑄工藝參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上探討了缺陷帶的形成及演化機(jī)理。旨在為優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，改善鎂合金壓鑄件的微觀組織和力學(xué)性能提供參考。

圖文結(jié)果

缺陷帶是冷室壓鑄組織中特有的組織特征，其形貌及分布較為復(fù)雜。圖1為鎂合金壓鑄件橫截面不同形貌及分布特征的缺陷帶，可見(jiàn)有沿壓鑄件截面輪廓分布的，也有不規(guī)則的；有單缺陷帶，也有雙缺陷帶和多缺陷帶。已有研究表明，缺陷帶是孔洞聚集的帶狀組織，存在著一定的溶質(zhì)偏析。采用不同的組織觀察方法對(duì)鎂合金壓鑄件橫截面的顯微組織進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。可以看到，壓鑄鎂合金組織從宏觀上可以分為3個(gè)部分，第1部分是從壓鑄件表層到缺陷帶外表面的組織，其特點(diǎn)是孔洞較少，ESCs組織大多為破碎的枝晶，沒(méi)有聚集現(xiàn)象，因此組織較為致密；第2部分是距離壓鑄件表層一定距離的缺陷帶，在其內(nèi)部富集大量形貌不規(guī)則的孔洞，ESCs組織相較于周圍ESCs細(xì)小。

圖2 鎂合金壓鑄件橫截面典型顯微組織

圖3 不同低速速度下的壓鑄鎂合金缺陷帶組織形態(tài)

表1 壓鑄工藝參數(shù)

對(duì)不同增壓壓力下的壓鑄鎂合金顯微組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著增壓壓力升高，壓鑄件中的ESCs含量逐漸減少，其形貌趨于球狀，分布形態(tài)由彌散分布趨于向壓鑄件中心偏聚，而此時(shí)壓鑄件中缺陷帶的位置、寬度及其內(nèi)部孔洞的形貌并沒(méi)有明顯的變化。澆注延時(shí)對(duì)缺陷帶的影響與低速速度相似，澆注延時(shí)增長(zhǎng)或者低速速度降低，均使得壓鑄件中ESCs含量提高，ESCs呈現(xiàn)較多的粗大枝晶狀，在ESCs聚集的晶界處有大量的縮松存在，此時(shí)缺陷帶趨向于壓鑄件表層，且寬度增加。

圖4 不同高速速度下的壓鑄鎂合金缺陷帶組織形態(tài)

圖5 基于壓室預(yù)結(jié)晶理論的缺陷帶形成機(jī)理示意圖

圖6 基于膨脹剪切理論的缺陷帶形成機(jī)理示意圖

有研究認(rèn)為缺陷帶為膨脹剪切帶，其形成是由于具有一定固相分?jǐn)?shù)的金屬液所表現(xiàn)出的類似顆粒材料在剪切變形過(guò)程中的流變特性，見(jiàn)圖6。凝固過(guò)程中含一定固相分?jǐn)?shù)的金屬液相當(dāng)于壓實(shí)的顆粒材料，在切應(yīng)力的作用下會(huì)相互推擠發(fā)生膨脹造成局部變形，并集中在剪切帶處最終達(dá)到一個(gè)臨界狀態(tài)。液態(tài)金屬由于壓差被引至膨脹剪切帶內(nèi)，隨著凝固進(jìn)行，帶狀區(qū)域的金屬液對(duì)鄰近區(qū)域的凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)縮，而在凝固后期帶狀區(qū)域自身的凝固收縮不能得到有效的補(bǔ)縮，因此在帶狀區(qū)域形成了集中的縮孔、縮松。將膨脹剪切理論應(yīng)用于鎂合金冷室壓鑄工藝，可以一定程度上解釋雙缺陷帶的形成機(jī)理。在壓鑄充型過(guò)程中，由于激冷作用，壓鑄件表層會(huì)產(chǎn)生一層凝固殼層，在高速充填型腔時(shí)金屬液流在靠近凝固殼層區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的切應(yīng)力，而該區(qū)域呈半固態(tài)，在切應(yīng)力的作用下晶粒會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)的間隙，最后由于補(bǔ)縮困難而產(chǎn)生靠近表層的缺陷帶組織。在凝固過(guò)程中，由于增壓壓力會(huì)導(dǎo)致切應(yīng)力的存在，其作用在半固態(tài)的晶粒上會(huì)引起晶粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的間隙，而最后由于補(bǔ)縮困難，產(chǎn)生靠近壓鑄件中心的缺陷帶組織。

圖7 金屬液流形態(tài)對(duì)壓鑄鎂合金缺陷帶形成的影響

圖8 缺陷帶孔洞周圍組織化學(xué)成分分析

結(jié)論

采用電子背散射衍射（EBSD）對(duì)鎂合金壓鑄件不同部位的晶粒取向進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓鑄件表層α-Mg晶粒及心部完整ESCs枝晶未發(fā)現(xiàn)孿晶現(xiàn)象，而在心部破碎ESCs晶粒及缺陷帶內(nèi)部ESCs晶粒中，出現(xiàn)大量的孿晶現(xiàn)象。分析其原因，壓鑄件表層α-Mg晶粒在型腔中形核長(zhǎng)大，幾乎沒(méi)有外力作用在α-Mg晶粒上；而ESCs顆粒形核于壓室中，并隨著沖頭的壓射過(guò)程通過(guò)內(nèi)澆口進(jìn)入型腔。由于壓鑄充型過(guò)程高速高壓的特點(diǎn)，ESCs顆粒在進(jìn)入型腔過(guò)程中會(huì)經(jīng)受液流的沖刷以及后續(xù)的增壓壓力作用，導(dǎo)致部分ESCs晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)破碎，最終破碎的ESCs晶粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力形成孿晶，而未經(jīng)受金屬液流沖刷及增壓壓力作用的ESCs枝晶，則完整且沒(méi)有出現(xiàn)孿晶現(xiàn)象。由缺陷帶內(nèi)部ESCs晶粒出現(xiàn)大量的孿晶現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在缺陷帶處有較大的應(yīng)力存在，即可推斷缺陷帶的形成與充型過(guò)程中金屬液流沖刷所產(chǎn)生的應(yīng)力以及后續(xù)的增壓壓力有關(guān)。

缺陷帶的形成與分布受壓鑄充型過(guò)程中金屬液流形態(tài)的影響，在高速金屬液的劇烈沖刷及增壓壓力的作用下，靠近金屬液流外輪廓的晶粒發(fā)生破碎或轉(zhuǎn)動(dòng)，在晶粒間形成大于剩余金屬液體積的間隙，隨著凝固的進(jìn)行，形成沿液流輪廓分布孔洞聚集的缺陷帶組織。

本文作者：

吳孟武 侯瑩瀅
武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

李曉波 熊守美
清華大學(xué)材料學(xué)院

陸文興 王運(yùn)桂
廣東鴻特精密技術(shù)（臺(tái)山）有限公司

本文來(lái)源：《特種鑄造及有色合金》雜志