概述 

 采用OM、SEM和EDS等表征手段对真空压铸镁合金减震塔进行了微观组织和力学性能分析。使用EKKCapcast铸造模拟软件模拟了压铸充型的过程，对比了减震塔不同位置的孔隙率，进而分析了造成铸件卷气的原因。拉伸试验结果表明，冲头的高低速切换位置在560 ~600 mm之间变化时，对减震塔的力学性能影响甚微；从拉伸断口分析，发现气孔是导致减震塔局部位置力学性能较低的原因；并借助模拟有效地预测了可能发生卷气的位置以及卷气的严重程度。 

 针对真空压铸镁合金减震塔，分析了AE44镁合金的微观组织形貌，研究了冲头高低速切换位置对减震塔力学性能的影响，通过观察断口形貌和模拟充型过程，分析了力学性能产生差异的原因。 

 1.研究背景 

 近年来，伴随着新能源汽车的飞速发展，汽车轻量化在汽车行业日益受到重视。为了控制车重、降低能源消耗以及减少尾气污染，越来越多的新材料正应用于汽车行业。镁合金是最轻的金属结构材料，重量比铝合金轻约35%，比钢轻约78%，同时还具有尺寸稳定性好、比强度/比刚度高、易于加工等特点。Al和RE是AE44镁合金中的主要合金元素。Al作为镁合金中最常用的合金元素，能够提高其强度和铸造性能。RE和Al间的原子结合力大于Mg和RE，因此会优先结合生成热稳定性高的Al11RE3相，从而减少了热稳定性差的Mg17Al12相，有利于镁合金的高温性能。RE元素还可以改善Mg17Al12相的形貌并细化晶粒，从而提高合金的室温力学性能。而且，由于Mg17Al12相形貌得到改善且含量降低，使得该相与镁基体间的微电流密度降低，减少了微电流腐蚀，从而提高了合金的耐蚀性。 

 高压压铸是一种低成本、高效率且能制造复杂零件的生产工艺，也是镁、铝合金等轻合金最常用的制造工艺之一。金属液在高速下射入型腔，并在高压下凝固，可以获得尺寸精度高且晶粒细小的铸件，尤其适合薄壁复杂零件的成形。但在充型过程中，金属液以紊流态高速冲入模具型腔，浇口速度可达70 m/s，充型时间也只有0.1~0.2 s。极快的充型速度和极短的充型时间使得型腔内的气体难以完全排出，即使在高真空状态下，气孔也是不可避免的。在常规的热处理工艺下，铸件中的气孔受热膨胀使得铸件表面出现鼓泡，导致铸件变形。气孔的存在也会显著降低铸件的力学性能，影响铸件的气密性和耐压性。通过计算机模拟，研究者可以得到缺陷在铸件内的分布情况，并分析缺陷形成的原因。 

 2.试验与材料 

 减震塔轮廓尺寸为571 mm × 210 mm × 352 mm，成品质量约为3.6 kg，体积为2.14×106 mm3，近浇口区域壁厚约为3 mm，远浇口区域壁厚约为2.5 mm，结构示意图见图 1。可以看出，减震塔整体呈漏斗状，加强筋纵横交错，该产品属于典型的复杂薄壁铸件。为满足零件的性能要求，采用真空压铸工艺生产。合金为AE44镁合金，通过ICP(型号为Perkin Elmer, Plasma 400)测试得到的合金成分见表1。 

 (a)减震塔正面      (b)减震塔反面 图 1 减震塔的结构示意图 

 采用力劲DCC2500压铸机，工艺参数见表 2。其中1速和2速属于低速阶段，3速属于高速阶段，3速起点即是冲头高低速切换的位置。本试验设定了3个高低速切换位置，分别为560 mm、580 mm和600 mm，制备了相应的铸件并对压铸过程进行模拟。模拟使用EKKCapcast软件，考虑计算的精度和求解效率，采用密网格进行划分，减震塔和压室的网格总数为2 310 053。 

 为研究减震塔的力学性能，从铸件本体上通过线切割取样，采用 Zwick Z100 万能材料试验机进行拉伸测试，拉伸速率为 0.5 mm/min。金相样品取自高低速切换位置为580 mm铸件的1号试样，采用LEICA MEF4M型光学显微镜和Phenom Pro扫描电镜对样品组织进行了观察，在二次电子模式下观察了拉伸试样的断口形貌。 

 3.研究结果

 3.1组织与性能 

 压铸镁合金厚度方向上的典型微观组织有尺寸较大的预结晶组织，细小圆整的α-Mg晶粒、缺陷带和共晶组织等。从试样边缘到中心，主要分为3个典型区域：细晶层、缺陷带和中心区域。通过EDS分析并结合相关研究可知，图2d中层片状白色共晶组织为Al11RE3，亮白色块状相为Al2RE。这是因为RE和Al的电负性差更大，Al-RE相更容易形成，剩余的Al由于冷速较快来不及析出而固溶在Mg基体中，所以并没有观察到明显的Mg17Al12相。 

 图 2 试样厚度方向的微观组织 (a)横截面全貌，(b)细晶层，(c)中心区域，(d)中心区域SEM形貌 

 为研究高低速切换位置对减震塔的力学性能的影响，对不同铸件进行本体取样，取样位置包含远、近浇口区域，这些试样可以反应铸件的整体力学性能。切割得到的拉伸片尺寸为54.5 mm × 15 mm，厚度与取样位置有关。其中，1~4号试样厚度为3 mm，其余试样厚度为2.5 mm。 

 图 3 减震塔本体取样位置 

 图4为3种不同工艺参数下减震塔的力学性能，可以发现不同工艺下减震塔的力学性能相差很小，平均屈服强度差值仅为1 MPa，而平均抗拉强度和伸长率随着高低速切换位置的推迟略有下降。根据试样离浇口的距离，将试样分为3个区域，1~4号为近浇口区域试样（区域Ⅰ），5~11号试样为远浇口区域试样（区域Ⅱ），12~15号试样为中间区域试样（区域Ⅲ）。可以看出，3个区域的平均抗拉强度和伸长率出现了明显的差异，但不同区域的平均屈服强度仍然十分接近。 

 根据上述分析，高低速切换位置在560 ~600 mm之间变化时对减震塔的力学性能几乎没有影响，所以选取高低速切换位置为580 mm的减震塔，对其充型过程进行模拟。结果表明，减震塔各处的压力和温度场的分布基本相当，推测伸长率的差异主要来源于减震塔各位置卷气程度的不同。 

 图 4 (a)高低速切换位置为560 mm减震塔的力学性能；(b)高低速切换位置为580 mm减震塔的力学性能；

(c)高低速切换位置为600 mm减震塔的力学性能；(d)减震塔各区域和整体的平均力学性能 

 3.2铸造缺陷及断口形貌 

 图5为高低速切换位置为580 mm的减震塔不同视角下的卷气分布。 

 图 5高低速切换位置为580 mm的减震塔不同视角下的卷气分布 

 图 6 (a)、(b)压室内金属液的流动形态，(c)金属液刚充填型腔时卷气的分布 

 在3个区域内各选择一个有代表性的试样，观察该试样的断口形貌。图 7是区域Ⅰ的1号试样、区域Ⅱ的9号试样和区域Ⅲ的13号试样的断口形貌。在3个断口形貌中均可以观察到小而浅的韧窝，并伴有大量微观撕裂棱，是典型的韧脆性混合断裂。 

图 7 各区域典型试样的断口形貌（a）区域Ⅰ的1号试样，（b）区域Ⅱ的9号试样，（c）区域Ⅲ的13号试样 

 4.结论 

 （1）压铸镁合金减震塔沿厚度方向微观组织分为3个区域，细晶层由细小α-Mg和共晶组织组成；缺陷带分布在试样两侧，相对于其他区域，缺陷带内共晶组织体积分数较高；中心区域α-Mg主要有细小等轴晶和大块枝晶两种形貌，大块枝晶形成在压室内，且主要分布在中心区域。 

 （2）高低速切换位置对减震塔的力学性能影响很小。不同工艺下，减震塔的平均屈服强度差值仅为1 MPa；平均抗拉强度最小值为215 MPa，最大值为232 MPa，波动较小；伸长率均在8.4%左右，最高伸长率和最低伸长率差值仅为0.4%。

 （3）对减震塔的充型过程进行模拟，解释了不同位置试样卷气的原因。观察了各区域典型试样的断口形貌，除气孔外，未发现其他明显的铸造缺陷，因此气孔是造成试样力学性能差异的主要原因。