振动压力下铝（镁）合金消失模铸造组织性能研究

【摘要】： 消失模铸造(Lost Foam Casting,简称LFC)具有其独特的优点,被认为是“21世纪的铸造新技术”及“铸造中的绿色工程”。近年来,铝(镁)合金消失模铸造技术得到了快速发展,显示出了强大的生命力,具有广泛的应用前景。然而,制约铝(镁)合金消失模铸造技术发展的主要瓶颈有充型能力较差,组织晶粒粗大,针孔、缩孔或疏松等缺陷较严重,导致铸件的力学性能偏低。本文从研究振动场、压力场对铝(镁)合金消失模铸造组织和性能的影响入手,以改善铝(镁)合金消失模铸件组织和性能为目的,系统地研究了机械振动场和压力场作用下铝(镁)合金消失模成形理论及工艺,开发了振动场和压力场复合作用下铝(镁)合金消失模铸造新技术,并通过合金化、热处理等方法强化铸件力学性能,形成了特种消失模铸造生产高强度铝(镁)合金铸件的新方法,针对典型零件,确定了最佳工艺参数。 研究了A356和AZ91D合金消失模铸造机械振动凝固工艺。研究结果表明：对中小复杂铸件,浇注温度在730-760℃时,采用频率30-60Hz、振幅0.11-0.45mm、峰值加速度1-4g (g=9.8m/s2)的垂直振动,对其组织细化、性能改善、流动性提高等效果明显。A356和AZ91D合金消失模铸造振动凝固铸态最大抗拉强度达到182MPa和165MPa,比普通消失模铸造的分别提高了25%和22%。但峰值加速度大于4g的强振动,容易导致铸件变形、粘砂、气孔、夹杂等缺陷,降低了铸件力学性能。 通过对铝(镁)合金消失模铸造振动凝固的理论分析,建立了振动峰值加速度与真空负压之关系式,表明真空度是保证振动稳定性的关键因素。建立了振动破碎枝晶的力学模型,模型表明振动峰值加速度越大,枝晶所受应力越大,则枝晶更容易被折断。建立了机械振动影响消失模铸造铝(镁)合金充型能力的数学模型,模型表明峰值加速度和振幅增加,合金充型能力增强。 研究了A356和AZ91D合金消失模铸造压力凝固工艺。结果表明：对中小复杂铸件,如果浇注温度取730-760℃,压力值大于0.5MPa,加压速率为0.003-0.03MPa/s,加压开始于凝固初期(即固相率小于20%),保压时间大于10min,则铸件综合性能较好。A356和AZ91D合金消失模铸造压力凝固铸态最大抗拉强度达到185MPa和174MPa,比普通消失模铸造的分别提高了27%和29%。 通过对铝(镁)合金消失模铸造压力凝固的理论分析,建立了枝晶间缩松补缩最小外加压力的数学模型,模型表明在凝固时间较短的凝固初期,所需压力值较小。建立了消失模铸造压力凝固铸件表面凹陷的数学模型,表明凹陷量与铸件的厚度成正比。铝合金消失模铸件针孔主要由析出性氢孔和缩孔合成,在压力凝固下针孔基本消失。 研究了振动-压力复合凝固的铝(镁)合金消失模铸造新工艺,成形了小型复杂薄壁铸件。研究结果表明：消失模振动-压力复合凝固铸件的浇不足、针孔、缩孔及疏松等缺陷得到改善,组织晶粒得到细化。通过充型与凝固模拟软件对缺陷进行初步预测,并改进浇注系统和增设冒口加以有效防范,达到了改善铸件综合性能的目的,验证了消失模铸造振动压力复合凝固工艺的可行性。 研究了振动-压力复合凝固的铝(镁)合金消失模铸件的热处理工艺。结果表明：A356铝合金消失模振动压力凝固铸件T4抗拉强度达到272MPa,断后伸长率6.5%。0.6%Mg改性的A356合金消失模振动压力凝固铸件T6抗拉强度301MPa,断后伸长率2.6%。0.5%Y改性的AZ91D镁合金消失模振动压力凝固试样T4和T6抗拉强度分别为236MPa和252MPa,断后伸长率分别为5.1%和2.1%。 研究了铝(镁)合金消失模振动凝固组织半固态等温热处理。结果表明：A356铝合金在580℃保温60min,AZ91D+0.5% Y改性镁合金在570℃保温60min,α晶粒显著球化,其尺寸和圆度达到半固态组织要求。当消失模铸造A356铝合金采用550℃保温时间2-6h,以及消失模铸造AZ91D+0.5% Y改性镁合金采用430℃保温10-16h的近半固态热处理后,其抗拉强度分别达到261MPa和232MPa。 研究了0.3%富Ce稀土对消失模铸造A356铝合金的影响。研究结果表明：稀土RE能够有效的变质细化共晶硅,减少铸件针孔,提高铸件力学性能。通过对0.6%Mg和0.3%Y改性A356铝合金消失模振动压力凝固组织性能的研究。结果表明：改性合金中的颗粒相Al3Y对基体起钉扎作用,阻碍了变形时位错的通过,起强化作用,使改性A356铝合金铸态和T6性能显著提高,抗拉强度分别达到171MPa和308MPa。研究了0.5%Y和0.9%Gd改性消失模铸造AZ91D镁合金。结果表明：稀土Gd、Y元素对α-Mg晶粒有细化作用,促使β-Mg17Al12相由连续网状结构转变为断续状和颗粒状结构。生成的Al2Y相和Al2Gd相对晶界具有钉扎作用,防止晶界滑移,增强了合金强度,其铸态抗拉强度比未改性时提高了29%。