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高延性鋁壓鑄合金的開發和利用
[ 發布者:管理員  來源:本站原創  發布日期:2012/11/15  閱讀:2782 ]
汽車制造業中對零部件安全性能的要求日益增高,如何進一步開發新品種合金材料乃當務之急。目前在鑄態下即能獲得理想的力學性能者,首先推薦以A1MgSi為主體的鋁壓鑄合金得到了開發。并已成功地應用于汽車方向盤、車身空間構架接頭、后橫梁、輻條輪等受力零件方面。
     1.高延性壓鑄合金的化學成份
     新開發的合金牌號:AlM95Si2Mn,商業名稱Magsimal-59,具體的化學成份如表1所示。 


表1合金AIM95Si2Mn的化學成份(質量分數%)

   Si  Fe  Cu  Mn  Mg  Zn  Ti 其他 
 最小  2.0      0.5  5.0      
 最大  2.5  0.15  0.05  0.8  6.0  0.08  0.20  0.06

    對于以上的化學成份,可作進一步的解釋如下:表1中在共晶體含量處于25%~35%時,其含Si量的范圍取1.8%~2.5%,共晶體的組分愈高,合金的流動性能愈好。含Fe量的最高限額為0.15%,以保持良好的屈服強度值。低Fe的A1熔體與模具表面接觸時會出現粘模傾向,可將Mn量提高到0.5%~0.8%,與此同時,高的含Mn量也提高了材料的熱強度。含Mg量可調節力學性能,這也是鑄件設計人員所期望的。低的含Mg量,意味著在較低的強度下具有高的延伸性能,反之,滴的含Mg量,表明了在較低的延伸性能的情況下,具有高的強度,如圖1所示。Ti則用于細化晶粒.

鑄態力學性能與含Mg量的關系
鑄態力學性能與含Mg量的關系

     2.鑄態金相組織
     材料有較細的共晶組織,并且由兩相α-β固溶體及Mg2Si組成,如圖2所示。

     共晶愈細,鑄件的斷口組織愈為光亮,更細的組織結構呈白色。隨著細化組織的增加也提高了延伸性能。共晶體性能。共晶體愈粗,鑄態組織呈蘭色,強度增加而延伸性能下降。AlMg5Si2Mn合金還具有耐熱性,能承受溫度的突變。
     3.抗腐蝕性能
     對于含Mg量超過3%的Al-Mg二元合金而言,不會出現晶間腐性,但是卻會出現應力裂縫腐蝕,其原因乃是在60~150℃溫度范圍內,受到較長時間的熱應力,其結果是β相Mg2Al3在晶界上析出所造成。但是對于AlMg5Si2Mn合金卻并無β相Mg2Al3存在因此既不會出現晶間腐蝕,也無應力裂縫腐蝕存在的可能。此外,這種合金Cu量低,通過這種低的含Cu量再加上適當的Si/Mg比,在鑄造組結中存在自由狀態的Si,也可能達到良好的抗腐蝕性能。
     4力學性能
     壓鑄件與砂型鑄造或金屬鑄造件一樣,都存在著對壁厚的敏感性,也會使力學性能有所高低的區別。圖3表明在壁厚為:4~24mm范圍內,壁厚的大小對于鑄造組織的影響,當樹枝狀晶明顯粗大時,也存在著細密的共晶組織,但是對于力學性能仍會產生不利的影響,這種影響程度皆綜合地繪制在圖4中。該圖系將鑄態力學性能、枝狀晶叉間距、壁厚及局部凝固時間組合在一起所得到的數據曲線。






圖3鑄件壁厚與鑄態組織的關系

     從圖4中獲知,隨著壁厚的遞增,伸長率可以從18%下降到4%,屈服強度從185MPa下降到106MPa,抗拉強度從300MPa下降到220MPa,由此可以明確地說,產品零件設計人員所取的零件孹厚,僅僅只能限制在12mm以下,以保持良好的鑄件力學性能。表2所列的鑄態力學性能與壁厚關系的數據。表2所列的鑄態力學性能與壁厚關系的數據,可以提供給產品零件設計人員有用的基本依據。

     人工時效也影響著力學性能的波動。圖5為在380%時效溫度區時,不同的人工時效時間對力學性能的影響。
 


時效時間min(380℃)
(a)
(a)抗拉強度及屈服強度

      圖5Magsimal-59的力學生能在380℃時為時效時間的函數
      從圖5中可知,不同的人工時效時間皆在380℃時效溫度內進行,以90min時效時間為例,其屈服強度從140MPa下降到120MPa,而極限抗拉強度從270MPa下降到245MPa,但是伸長率卻上升到超越22%的水平,這是在常規壓鑄合金中很不容易達到的指標,基本上經過60分鐘以后,其性能即處于穩定狀態。這里人工時效的極限溫度,要求控制在380~400℃范圍內,過高的溫度導致鑄件表面再現氣泡,但是如果將溫度稍降時,卻將延長獲得條件的時間。
     5疲勞強度
     作為安全程度要求較高的構件,在振動載荷條件下使用必須具有良好的疲勞強度。這里所取的試樣為4mm厚度的壓鑄平板作疲勞強度試驗,得出如圖6所示的維勒疲勞強度曲線(WOler曲線)


圖6 AIM95Si2Mn(MagsimaI一59)合金在鑄態時的
疲勞曲線(wOhIer曲線)

     試驗是在高頻脈沖器上以115Hz的頻率,同時負載為200kN下進行.曲線給出了處于5%、50%及95%時的斷裂概率。在鑄態處于100MPa的疲勞強度時的斷裂概率為5%,而在125MPa疲勞強度時其概率可達95%。處于這種情況下的疲勞強度值比起A1Si壓鑄合金而言約高出IOMPa。如以金屬型鑄造合金AlSi7Mg經T6處理,在同等試驗條件下,其疲勞強度只有93MPa。
     6焊接及沖壓鉚接-性能
     A1Mg5Si2Mn的可焊性良好,此乃因為有共晶成份及高的含Mn量之故。以Mn合金作焊接時的添加成份有減少熱裂的傾向。焊接試驗也是采用4mm壓鑄平板試樣,開始先分成兩半,用W極Ar弧焊焊接一起,焊縫不經過加工,焊條采用A1M94.5Mn合金。從圖7中可以觀察出焊縫區的組織,在焊料與鑄造組織的過渡區十分勻稱,在熱影響區的邊緣略有存在著粗大的Mg2Si相析出物,明顯地進一墾到強化作用。


圖7在4mm壓鑄平板上,w極Ar弧焊趵顯微結構

     將未經焊接及焊接過后的試樣進行拉力試驗,所得出的結果如表3所示。

表3未經焊接及接過試樣的力學性能
 狀態

 屈服強度MPa

 拉抗強度MPa 伸長率 
 未經焊接  165 287  17 
 焊接  148 246
      本材料在薄壁條件下具有較高的延性,可以采用沖、鉚技術將鑄件與其他材料配伍連接或輥壓成型。
     7注意事項及應用實例
    
AIMg5Si2Mn與所有的AIMg合金一樣,具有較高的凝固收縮率,壓鑄時要放出0.6%~1.0%的收縮率。正因為如此,鑄件的出模斜度至少要取1.5°。鑄件存在著內應力,影響到力學性能指標。對于汽車零件而言,如對鑄件有高的伸長率的要求時,可以采用消除應力的回火處理。熱處理的溫度取350~400℃,延時10~30分鐘,此時的屈服強度約下降40%,而伸長率卻提高50%。
     熔化時要采用凈潔的坩堝,工具也要處理,凡含于合金中的雜質,存在于細化劑或變質劑中的雜質,皆會導致鑄件伸長率的下降。
     A1Mg合會與其他合金一樣,有較為強烈的氧化傾向,經過快速熔化后,對A1M95S i 2Mn也要施行凈化與除氣。轉包、澆入壓室以及壓射過程中要求避免出現紊流。在澆入到相對溫度較低的模具中時,由于凝固時問短,需要高的充型速度,以獲得高的強度及伸長率值。經驗指出:在內澆口處的充型速度應處于30~50m/S,但是模溫不宜超過160℃。
     成功的實物壓鑄件的例證:
     (1)方向盤(重量:0.8kg,尺寸:370×130mm)
     (2)后橫梁(重量:3.1kg,尺寸:940×220×150mm)
     (3)車身空問構架接頭(重量:0.9kg,尺寸:41 0×220×260mm)
     (4)輻條輪(帶有鋼質制動環)(重量:0.22kg,尺寸:100×80mm)
     8結語
     新品種高性能壓鑄合金的開發和創新,乃是當前國際社會中為了適應產品高標準要求所掀起的一股熱潮,普遍受到有關部門的重視,成果也不斷涌現。預計不久的將來一定會有更多、更好的材料投入到市場中去。我們也應陔跟上時代的需求,積圾地研制出屬于自主知識產權的新材料,去填補其中的空白,為壓鑄產品的升級換代,進一步提高作出應有的貢獻!
 
壓鑄技術來自東莞祥宇五金壓鑄廠,網址:www.210902.live
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