目前，一體化車身成形技術可極大程度地降低汽車生產(chǎn)成本，而車身選材是限制一體化車身技術的關鍵難題。因此，研發(fā)一體化免熱處理車身材料成為近年來壓鑄行業(yè)的熱點話題．亞共晶Al-10%Si(質量分數(shù)，%)合金由于密度小(約為鋼的1/3)、成形性好和比強度高，被廣泛應用于汽車零部件上。此外，Al-10%Si合金兩相凝固區(qū)間窄，故該類型鋁硅合金流動性能好，不易產(chǎn)生凝固收縮類缺陷，能使汽車結構部件具有良好的力學性能。研究發(fā)現(xiàn)，Al-10%Si-1.2%Cu-0.7%Mn具有優(yōu)異的拉伸性能，其屈服強度為206MPa，抗拉強度為331MPa，伸長率為10%。
高壓鑄造(HPDC)是生產(chǎn)復雜薄壁部件最常用的方法之一，其生產(chǎn)效率高，適用性能好。然而，在壓鑄過程中，高速填充和快速凝固會導致鑄件內部形成特定的微觀結構。其中，預結晶組織(ESC)通常在低速階段沿著壓室壁形成，并且隨著沖頭的運動不斷長大，最終隨熔體充填鑄型而保留在鑄件中。同時，鑄件內部也會出現(xiàn)典型的缺陷帶組織。此外，鑄件中還存在大量氣孔和縮松，分別由卷氣和凝固收縮引起，這些均會對鑄件的力學性能產(chǎn)生較大的危害．而對澆道進行設計可以調控液流的速度和方向，達到調控壓鑄件組織和缺陷的目的。因此，本研究中通過設計彎折流道并增加ESC收集塊來調控液流速度，以期實現(xiàn)ESC的均勻分布，降低鑄件整體的孔隙率。
本實驗中采用亞共晶AlSi10MnMg合金，其成分如表1所列。使用的鑄錠無氧化夾雜等重大缺陷，質量均合格。
表1AlSi10MnMg合金化學成分(質量分數(shù))
圖1(a)為新設計的壓鑄鑄件圖．該壓鑄件從左到右依次包含一個標準的拉伸試棒、拉伸試片、熱裂鑲塊、階梯鑲塊和階梯上方的流動鑲塊，它不僅可以測試合金的標準力學性能，還可以測試合金的抗熱裂能力和流動性。
(a)—壓鑄鑄件;(b)—傳統(tǒng)澆道;(c)—改進澆道;(d)—傳統(tǒng)直澆道;(e)—彎折直澆道。
圖1(b)和(c)分別顯示了兩種澆道鑲塊:一種是傳統(tǒng)澆道;另一種是改進后的澆道．圖1(d)和(e)分別為圖1(b)和(c)澆道中的直澆道部分:一種是傳統(tǒng)的直澆道;另一種為改進的彎折直澆道。其中，有關彎折澆道角度和截面積的設計見文獻（熊守美，焦祥祎，汪俊．破碎收集壓室預結晶組織的流道），這樣設計的目的是實現(xiàn)ESC的破碎與收集。本實驗中使用標準試棒進行微觀組織和孔隙率的研究。
本實驗中采用TOYOBD-350V5壓鑄機，在真空方面配套VCSU-15真空設備。將AlSi10MnMg合金鑄錠添加到熔煉爐中，加熱到700～720℃溫度區(qū)間。熔化后，保溫一段時間再進行除氣扒渣，降溫至680℃開始壓鑄實驗．表2列出了本次壓鑄實驗采用的3種工藝參數(shù).為了防止沖頭運動前端受澆料口的影響，設置了多級低速速度，當沖頭行程在80～270mm的位置時，真空壓鑄工藝和高真空壓鑄工藝的低速速度分別設置為0.15m/s和0.05m/s．同時，為了檢驗改進直澆道對ESC破碎彌散的效果，本實驗中采用較低的高速速度1.5m/s。
圖2(a)為真空壓鑄和高真空壓鑄沖頭運動行程對比圖．從圖中可以看出，在多級低速下，真空壓鑄沖頭運動時間為1.83s，高真空壓鑄沖頭運動時間為3.92s，二者相差2.09s．這個差別為高真空壓鑄提供了更多抽真空的時間，但液體在壓室中停留時間的增加會導致ESC含量的增大。
圖2(b)為真空壓鑄和高真空壓鑄有效真空度與有效真空時間的對比圖。有效真空度是指金屬液充型前型腔的真空度，其為真空壓力與壓鑄機油缸壓力的交點。由圖可知:真空壓鑄的有效真空度為25kPa，有效真空時間為0.7s;而高真空壓鑄的有效真空度為9.5kPa，有效真空時間高達1.9s，真空效果極佳。綜上可知，第3種工藝彎折澆道高真空壓鑄可達到保持高真空且破碎彌散ESC的目的。
(a)—沖頭運動行程;(b)—有效真空度和有效真空時間。
為觀察鑄件中孔隙率，采用納米電子計算機斷層掃描進行無損檢測壓鑄件中的孔隙率，并還原孔洞的三維形貌．實驗中采用的工作電壓和電流分別設置為100kV和110μA，分辨率設置為3μm。先使用標號200#～3000#水砂紙對選取的壓鑄試棒進行研磨，然后使用顆粒大小為2.5～0.1μm的金剛石研磨膏進行機械拋光，經(jīng)超聲去垢處理后用于金相(OM)觀察。另外，使用Avizo軟件進行ESC和孔隙率的統(tǒng)計，同時孔洞的三維形貌也通過Avizo軟件呈現(xiàn)出來。
圖3為3種壓鑄工藝下試棒圓截面及沿直徑方向放大的組織圖．從圖3(a)和(b)中可以看出，在真空和高真空的工藝下組織中均有一定量的孔洞分布，表層還存在超過100μm的皮膚層［見圖3(d)和(e)］。而在彎折流道高真空壓鑄工藝下，試棒截面上并沒有觀察到大尺寸孔洞，表層也未發(fā)現(xiàn)皮膚層［見圖3(c)和(f)］。表3列出了3種壓鑄工藝下ESC的面積分數(shù)、當量直徑和數(shù)量對比．在真空壓鑄下，由于低速速度相對較高，ESC面積分數(shù)較低(4.86%)。而在高真空壓鑄工藝下，由于低速速度相對較低，ESC的面積分數(shù)較高(11.06%)。當添加彎折澆道后，ESC的面積分數(shù)為10.73%，與高真空壓鑄工藝相比，ESC的面積分數(shù)并沒有出現(xiàn)大幅度下降。
表3 3種壓鑄工藝下的ESC對比
從3種工藝的ESC平均當量直徑和數(shù)量來看:真空壓鑄工藝下ESC尺寸最小、數(shù)量最少;高真空壓鑄工藝下ESC平均當量直徑最大(25.1μm);當添加彎折澆道后，ESC的平均當量直徑降低到了23.8μm，減少了5.18%．此外，在高真空壓鑄工藝下，添加彎折流道后，ESC數(shù)量由509個增至586個，增加了15.13%。
(a)真空壓鑄;(b)低速速度降低+高真空壓鑄;(c)彎折澆道+高真空壓鑄;(d)～(f)—對應的沿直徑方向分布。
表4 3種壓鑄工藝下孔洞特征對比
表4列出了3種壓鑄工藝下孔洞特征的對比情況．從表中可以發(fā)現(xiàn):在真空壓鑄和高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率高，孔洞的平均當量直徑大，大尺寸孔洞數(shù)量多;在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，試棒的孔隙率從0.073%降低至0.006%，孔洞的平均尺寸也由35.5μm降到了25.5μm，超過100μm大尺寸孔洞的數(shù)量也由15降至0。因此，在壓鑄過程中，高真空工藝下添加彎折流道能夠有效降低鑄件中的孔隙率，提高鑄件的質量。
(a)真空壓鑄下二維切片;(b)低速速度降低+高真空壓鑄下二維切片;(c)彎折澆道+高真空壓鑄下二維切片;(d)～(f)—(a)～(c)對應的三維孔洞分布圖
結合表3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，在添加彎折澆道的高真空壓鑄工藝下，ESC面積分數(shù)所受的影響不大，但能夠使ESC從表層到心部分布得更加均勻，進而增大枝晶間的補縮效果，并且在高真空狀態(tài)下，孔隙率大幅降低(見圖5和表4)．出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是彎折澆道可以改變熔體運動軌跡，調控熔體運動速度，使得液流速度在澆道截面積變化的位置上出現(xiàn)驟增或驟減。這樣ESC在充型過程中會受到較大的剪切力，一方面可達到破碎ESC的目的，另一方面還可以使ESC分布均勻。對于高真空壓鑄試棒，由于真空度高，合金中的氣孔含量會大幅度降低，然而，熔體在壓室中停留時間的增長會導致大量的枝晶狀ESC出現(xiàn)．在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，ESC會在鑄件心部富集而形成大尺寸枝晶網(wǎng)絡．由于熔體在枝晶網(wǎng)絡界面處難以補縮，會引起大尺寸網(wǎng)狀縮松的形成，這就成為了鑄件斷裂的裂紋源．而彎折澆道可以減小ESC尺寸，降低ESC枝晶網(wǎng)絡占比，從而改善枝晶間的補縮效果，消除大尺寸網(wǎng)狀縮松。
(1)設計彎折澆道來輔助高真空壓鑄工藝，可使鑄件中ESC發(fā)生破碎并沿徑向分布均勻，這有效降低了鑄件中的孔隙率，消除了大尺寸孔洞，在很大程度上提高了鑄件的質量。
(2)彎折澆道促進了鑄件中ESC的均勻分布，而均勻分布的ESC能夠大幅度降低孔隙率，使孔隙率從0.073%降低到0.006%，大尺寸孔洞被消除。
本文作者：
東北大學材料科學與工程學院 焦祥祎
東北大學遼寧省輕量化用關鍵金屬結構材料重點實驗室 焦祥祎
一汽鑄造有限公司 王鵬越、石利軍、王成剛
清華大學材料學院 劉亦賢、熊守美
