冷凍鑄造A356鋁合金微觀組織分析

楊浩秦，單忠德，劉 豐，王怡飛

1) 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016 2) 先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3) 中國機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044

環(huán)境問題的日益嚴(yán)重和人們環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，促進(jìn)了綠色成形制造技術(shù)的發(fā)展[1-2].傳統(tǒng)鑄造工藝存在工序多、制模周期長、成本高、尺寸精度差、資源浪費(fèi)大、廢棄物排放多等突出問題[3-6].國防軍工、航空航天等領(lǐng)域重大工程與裝備開發(fā)對關(guān)鍵零部件尺寸精度、表面質(zhì)量、力學(xué)性能等要求苛刻，也已成為制造業(yè)亟待攻克的技術(shù)瓶頸與艱難挑戰(zhàn)[7-8].因此，開發(fā)綠色鑄造新技術(shù)、新工藝和新裝備，減少資源消耗，提高材料利用率，提高鑄件品質(zhì)及性能，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鑄造工藝綠色化突破與變革，促進(jìn)制造業(yè)節(jié)能減排和綠色可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫[9-11].數(shù)字化無模冷凍鑄造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多品種復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的綠色化、柔性化及高精高效生產(chǎn).冷凍鑄造是一種新型的綠色鑄造成形方法，采用水做鑄造用黏接劑.深入研究金屬構(gòu)件在冷凍砂型中的非平衡凝固特性及力學(xué)行為，對促進(jìn)新型鑄造技術(shù)、綠色鑄造理論體系的發(fā)展有著重大意義[12].隨著金屬快速、亞快速凝固技術(shù)的迅速發(fā)展，金屬及合金材料的制備過程中固液相變的非平衡凝固理論得到長足的發(fā)展.采用一些特殊的非平衡凝固技術(shù)去制備金屬件，并且使金屬件具備傳統(tǒng)鑄造不具備的特異組織與結(jié)構(gòu)，是目前改善材料與組織性能的一種方式.鑄造A356鋁合金力學(xué)性能主要取決于顯微組織中各相的形態(tài)、大小及分布[13-14].A356合金快速凝固過程中結(jié)晶潛熱釋放較快，導(dǎo)致高溫合金熔體中的Al原子擴(kuò)散過程受阻，初生 α-Al相的長大得到有效抑制，最終獲得細(xì)小的 α-Al枝晶相，因此提高凝固冷卻速率可顯著降低初生 α-Al相二次枝晶臂間距（SDAS）[15].Jia 等[16]采用快速凝固技術(shù)發(fā)現(xiàn)A359鋁合金的初生 α-Al相的二次枝晶臂間距顯著減小.同時(shí)有研究表明，鑄件 α-Al相的SDAS大小直接依賴于合金的冷卻速度和溫度梯度，二次枝晶臂間距與冷卻速度之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，SDAS的減小引起抗拉強(qiáng)度和延伸率的增加[17].Li等[18]和Kobayashi[19]采用快速凝固及稀土元素變質(zhì)技術(shù)制備的A359和A357鋁合金，其基體相 α-Al的二次枝晶臂間距顯著減小，共晶硅相的外貌形態(tài)由粗大的片層狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)針狀，同時(shí)Mg、Si、Ti等溶質(zhì)原子在Al基體相中的溶解度顯著提高，以此方法制備的系列鋁硅合金的力學(xué)性能得到顯著提高.Jiang等[20]采用消失模殼型鑄造工藝制備A356 鋁合金試樣，并對拉伸斷口進(jìn)行了分析研究，消失模殼型鑄造 A356 鋁合金拉伸斷口為具有準(zhǔn)解理面和韌窩形貌的混合斷口，最終表現(xiàn)為穿晶斷裂模式.而消失模鑄造 A356 鋁合金拉伸斷口為明顯的脆性斷口，因此采用一些快速凝固技術(shù)可以顯著提升溶質(zhì)固溶度、改善鑄件斷口形貌.本文采用冷凍鑄造方法制備鋁合金試件，冷凍鑄造較高的冷卻速率會顯著影響鑄件凝固過程的傳熱行為，進(jìn)而對合金微觀成分分布及斷裂形貌產(chǎn)生顯著影響，最終影響合金材料的服役性能.A356鋁合金強(qiáng)度高，塑性好，具有自然時(shí)效能力，適合于飛機(jī)、輪船及汽車上的一些高性能復(fù)雜鑄件的制造[21]，因此本文選用A356鋁合金作為冷凍鑄造試驗(yàn)材料.采用重力鑄造法在冷凍砂型、樹脂砂型中分別澆注A356鋁合金高溫熔體制備不同凝固速率下的鋁合金試件，通過對比分析微觀元素分布及斷口形貌，揭示金屬件冷凍鑄造的強(qiáng)韌化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)冷凍鑄造高性能鑄件的材料-組織-性能一體化調(diào)控.在外力的拉伸作用下，A356鋁合金的裂紋萌生與擴(kuò)展與初生 α-Al相、共晶Si相的形態(tài)及分布有直接關(guān)系，在不改變A356鋁合金結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的情況下，充分研究抗拉試樣的斷口斷裂形貌中的基本信息，這對A356鋁合金的應(yīng)用具有重要意義.采用電子探針顯微分析和掃描電鏡分析方法，對鋁合金微觀成分分布和斷裂形貌進(jìn)行研究，表征不同凝固速率下的斷口形貌，推斷其斷裂方式，為該材料的應(yīng)用提供一定的參考數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)所測試的冷凍砂坯是水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的100目硅砂顆粒在-20℃下凍結(jié)后制備的.樹脂砂型鑄造型砂顆粒采用100目硅砂顆粒，同時(shí)將酚醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的型砂顆?；旌虾笾苽錁渲芭鳎ㄟ^數(shù)字化無模鑄造精密成形機(jī)對冷凍砂型和樹脂砂型進(jìn)行加工，對數(shù)字化無模銑削加工的冷凍砂型和樹脂砂型進(jìn)行A356鋁合金平板件澆注試驗(yàn).冷凍砂型數(shù)字化無模成形過程如圖1所示，制備的冷凍砂型和樹脂砂型尺寸為120 mm×60 mm×20 mm.A356鋁合金化學(xué)成分如表1所示.

圖1 冷凍砂型數(shù)字化無模切削過程Fig.1 Digital patternless cutting process of the frozen sand mold

表1 A356鋁合金主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the A356 aluminum alloy (Mass fraction) %

1.2 試驗(yàn)方法

對A356鋁合金高溫熔體對精煉除氣工藝（包括未除氣精煉）澆注的薄板試件進(jìn)行切割、打磨、拋光，并采用激光共聚焦表征不同精煉溫度條件下的氣孔缺陷情況，研究不同精煉溫度對A356鋁合金試件內(nèi)部氣孔缺陷的影響規(guī)律，確定合適的精煉工藝.鋁合金高溫熔體的精煉過程可以有效排除鑄件內(nèi)部的氣孔、雜質(zhì)等缺陷，本研究采用C2Cl6精煉劑對A356鋁合金的熔煉過程進(jìn)行化學(xué)除氣及精煉處理，采用C2Cl6質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的A356鋁合金高溫熔體分別在750、720和690 ℃三個(gè)精煉溫度下進(jìn)行除氣精煉處理，在650 ℃的澆注溫度下制備測試鑄件氣孔密度的試樣，然后根據(jù)澆注試樣中氣孔缺陷密度大小，優(yōu)選出適宜的鋁合金除氣精煉溫度，最大限度減少鑄件凝固缺陷.

采用電子探針顯微分析（EPMA）對冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造的A356鋁合金的微觀成分分布進(jìn)行掃描分析.EPMA的原理是用聚焦電子束照射到A356鋁合金表面，將產(chǎn)生的X射線的特征譜線進(jìn)行波長和強(qiáng)度測試，然后對其照射區(qū)域內(nèi)元素類別進(jìn)行測試.

采用Quanta FEG掃描電鏡（SEM）對冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造A356鋁合金試樣的抗拉斷裂斷口形貌進(jìn)行觀察.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 A356鋁合金熔體精煉及氣孔分析

鋁合金高溫熔體凈化處理技術(shù)可顯著提高A356鋁合金鑄件的整體質(zhì)量和鑄造性能[22-23].鋁合金鑄件的鑄態(tài)組織中易產(chǎn)生氣孔缺陷，其中絕大部分（約80%～90%）為氫氣孔導(dǎo)致的缺陷，這是因?yàn)闅湓釉谝汗虄上嘀腥芙舛确謩e為0.0065 mL·g-1（液相）和 0.00034 mL·g-1（固相），可以看出氫原子在液相中的溶解度約為在固相中的19.1倍，氫原子在高溫液態(tài)鋁合金熔體中的溶解度非常大，因此氫原子在鋁合金的液固轉(zhuǎn)變過程中有較強(qiáng)的析出傾向，造成大量的氣孔缺陷[24-26].

圖2為鋁合金在冷凍砂型中的凝固過程及獲得的A356鋁合金薄板件.圖3為不同精煉溫度下A356鋁合金的氣孔密度，藍(lán)色斑點(diǎn)為鋁合金中的氣孔，綠色及紅色部分為A356鋁合金基體（紅色代表鋁基體中突出部位），不同顏色表示鋁基體不同高度.對不同精煉溫度下任選五處試樣的氣孔數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以看出，未精煉處理的A356鋁合金中的氣孔尺寸較大，并且數(shù)量最多，在約160 mm2的視場范圍內(nèi)，氣孔密度達(dá)到0.28 mm-2；高溫合金熔體在750 ℃精煉除氣時(shí)，氣孔密度達(dá)到0.21 mm-2；高溫合金熔體在720 ℃精煉除氣時(shí)，精煉處理后試樣中的氣孔密度顯著降低；當(dāng)高溫合金熔體的精煉溫度下降到690 ℃時(shí)，精煉處理后試樣中的針孔密度上升，氣孔密度達(dá)到0.30 mm-2，而且氣孔缺陷的尺寸重新變大，精煉效果變差.因此本實(shí)驗(yàn)選用C2Cl6質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的A356鋁合金高溫熔體在720 ℃對其進(jìn)行精煉處理，可使氣孔缺陷最少，鑄件性能最優(yōu).

圖2 A356鋁合金冷凍鑄造薄板件Fig.2 The frozen casting sheet parts of A356 aluminum alloy

圖3 不同精煉除氣溫度對鋁合金中氣孔密度的影響規(guī)律.(a)未精煉處理；（b）750 ℃精煉處理；（c）720 ℃精煉處理；（d）690 ℃精煉處理Fig.3 Effect of different refining degassing temperatures on the porosity density in the aluminum alloy: (a) unrefined treatment; (b) 750 ℃ refining treatment; (c) 720 ℃ refining treatment; (d) 690 ℃ refining treatment

2.2 冷凍鑄造A356鋁合金成分分布

圖4是冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造鋁合金試件凝固曲線，通過對液固轉(zhuǎn)變區(qū)間的試件凝固曲線的斜率進(jìn)行計(jì)算，獲得了冷凍砂型和樹脂砂型中A356鋁合金的凝固速率，分別為10.87 ℃·min-1和5.43 ℃·min-1.在薄板試件凝固過程中，冷凍砂型較樹脂砂型凝固速率提高約50.5%.采用電子探針顯微分析分別對冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造平板狀試樣的A356鋁合金中微量元素的分布進(jìn)行掃描分析，圖5是冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造的試件中的 Si、Mg 元素的面掃成分分布.從圖5（a）和 5（b）中可以看出，大量的淺藍(lán)色斑點(diǎn)代表Si元素，由于冷凍砂型具有較高的凝固速率，使得Si元素在鋁基體相中的溶解度顯著提高，冷凍鑄造試件鋁基體中Si元素有較高的溶解度.相對來說，樹脂砂型鑄造試件的鋁基體中Si元素的溶解度明顯較小，Si元素更多地集中于共晶Si相中，如圖5（b）所示.從圖5（c）和 5（d）中可以看出，冷凍鑄造較樹脂砂型鑄造試件中Mg元素分布均勻，僅出現(xiàn)微量的Mg元素成分偏析區(qū)，樹脂砂型鑄造試件中出現(xiàn)較多的Mg元素成分偏析區(qū)，元素的成分偏析顯著地降低了鑄件的力學(xué)性能，同時(shí)導(dǎo)致合金的塑性下降[22].

圖4 冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造的A356鋁合金溫度冷卻曲線Fig.4 Temperature cooling curves of the A356 aluminum alloy by frozen and resin sand castings

圖5 冷凍砂型和樹脂砂型鑄造試件微觀成分面掃結(jié)果.（a）冷凍鑄造Si元素面掃分布；（b）樹脂砂型鑄造Si元素面掃分布；（c）冷凍砂型鑄造Mg元素面掃分布；（d）樹脂砂型鑄造Mg元素面掃分布Fig.5 Micro-composition surface scanning results of frozen sand and resin sand casting specimens: Si element surface scanning distribution of (a) frozen casting and (b) resin sand casting; Mg element surface scanning distribution of (c) frozen sand casting and (d) resin sand casting

2.3 冷凍鑄造A356鋁合金斷口掃描分析

本文對A356鑄造鋁合金不同鑄造方式（凝固速率）下的試件斷口斷裂形貌進(jìn)行分析.圖6為冷凍砂型和樹脂砂型鑄造鋁合金抗拉強(qiáng)度，從圖中可以看出，A356鋁合金平板件冷凍鑄造抗拉強(qiáng)度可達(dá)223.73 MPa,樹脂砂型鑄件抗拉強(qiáng)度為203.90 MPa，冷凍鑄造較傳統(tǒng)樹脂砂型鑄造的鑄件抗拉強(qiáng)度顯著提高.圖7為冷凍砂型鑄造和樹脂砂型鑄造的試樣拉伸斷口在放大倍數(shù)為1000倍、2000倍時(shí)的微觀組織照片.從圖7（a）和 7（b）中可以明顯看出，在冷凍鑄造的A356鋁合金試樣中，試樣的斷口形貌中出現(xiàn)大量的形狀規(guī)則的韌窩狀和少量的脆性狀斷裂形貌，表明冷凍鑄造A356鋁合金試樣受抗拉破壞時(shí)發(fā)生了較為明顯的韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂模式.在樹脂砂型鑄造的A356鋁合金試樣中，A356鋁合金受抗拉破壞時(shí)試樣的斷口中存在微量的韌窩斷裂結(jié)構(gòu)，大部分?jǐn)嗔呀Y(jié)構(gòu)為不規(guī)則的解理臺階破壞形貌和長方狀的撕裂結(jié)構(gòu)形貌，表明該試樣的破壞過程發(fā)生的是明顯的脆性斷裂模式,如圖7（c）和圖7（d）所示.隨著試件凝固速率的提高，試樣受外力破壞時(shí)的斷裂模式由低冷卻速率下的脆性斷裂模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呃鋮s速率下的韌性和脆性的混合斷裂模式.不同凝固速率下試樣拉伸斷口形貌特征也表明合金的強(qiáng)度隨金屬件冷卻速率的提高而顯著提高，主要原因是較高的凝固速率使Si、Mg等合金元素可以更加均勻地溶解到初生α-Al相的基體中，減弱了合金中的成分偏析現(xiàn)象，同時(shí)晶粒細(xì)化導(dǎo)致斷裂時(shí)裂紋通過的小尺寸晶粒晶界的長度顯著增長，裂紋擴(kuò)展的能量被逐漸耗損減弱而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度升高[12].

圖6 冷凍砂型和樹脂砂型鑄造鋁合金抗拉強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength of the aluminum alloy cast in the frozen sand mold and resin sand mold

圖7 冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造A356鋁合金斷口形貌.（a）冷凍鑄造試件拉伸斷口，低倍；（b）冷凍鑄造試件拉伸斷口，高倍；（c）樹脂砂型鑄造試件拉伸斷口，低倍；（d）樹脂砂型鑄造試件拉伸斷口，高倍Fig.7 Fracture morphology of the A356 aluminum alloy cast by the frozen and resin sand mold: the tensile fracture of frozen casting specimen with low magnification (a) and high magnification (b); the fracture of resin sand specimen with low magnification (c) and high magnification (d)

3 結(jié)論

分析了冷凍鑄造和樹脂砂型鑄造的A356鋁合金面掃描成分分布和斷口形貌.結(jié)果表明，冷凍鑄造試件中Si元素在Al基體中的固溶度較高，固溶強(qiáng)化效果明顯，可以產(chǎn)生明顯的固溶強(qiáng)化現(xiàn)象.同時(shí)樹脂砂型鑄造試件中Mg元素分布不均勻，易產(chǎn)生成分偏析現(xiàn)象，冷凍鑄造試件中Mg元素分布均勻，冷凍鑄造試件中Mg元素不易產(chǎn)生元素偏析現(xiàn)象.A356鋁合金平板件冷凍鑄造抗拉強(qiáng)度可達(dá)223.73 MPa,樹脂砂型鑄件抗拉強(qiáng)度為203.90 MPa.冷凍鑄造較傳統(tǒng)樹脂砂型鑄造的鑄件抗拉強(qiáng)度顯著提高，冷凍鑄造試件的斷裂模式為明顯的韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂，樹脂砂型鑄造試件的斷裂形貌為解理臺階破壞形貌和長方狀的撕裂結(jié)構(gòu)形貌，合金偏向于脆性斷裂.

數(shù)字化無模冷凍鑄造成形技術(shù)是一項(xiàng)秉持可持續(xù)發(fā)展理念的綠色制造技術(shù)，今后應(yīng)擴(kuò)展適用于冷凍鑄造技術(shù)的鑄件材料體系，實(shí)現(xiàn)大尺度多品種復(fù)雜鑄件冷凍鑄造的精確凝固成形，進(jìn)行微觀組織性能和宏觀力學(xué)性能的精準(zhǔn)調(diào)控，通過冷凍鑄造材料、成形工藝、數(shù)字化裝備的聯(lián)合創(chuàng)新，促進(jìn)冷凍砂型的數(shù)字化無模鑄造成形技術(shù)從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用.