浇注和铸型温度对AZ91D合金性能的影响

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镁合金是最轻的金属结构材料，其密度为1.75～1.90 g/cm3，其比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；其机加工性能优良，易加工且加工成本低，加工能量仅为铝合金的70%；其耐腐蚀性比低碳钢好得多，已超过压铸铝合金A380；其减振性、电磁屏蔽性远优于铝合金。另外，镁合金的低密度、低熔点、低动力学黏度低比热容、低相变潜热以及与铁的亲和力小等特点，使其具有熔化耗能少、充型速度快、凝固速度快、实际压铸周期短、模具使用寿命长等优势，极适合于采用现代压铸技术进行成形加工，直接制备出薄壁和复杂形状的零部件。而且镁合金压铸件的性能优良，在常规使用条件下替代钢、铝合金、塑料等制件的效果非常好。在实现产品轻量化的同时，还使产品具有优良的特殊功能，并且在镁合金压铸件报废后，还可以直接回收再利用，符合环保要求 [1]。AZ91D是一种室温下具有良好的塑韧性且具有一定强度和优良耐蚀性的压铸镁合金[2，3]。
1实验方法
1.1 实验材料
实验采用的镁合金为AZ91D，其熔化起始温度为468℃，熔化结束温度为596℃，固液相线温度区间为165℃。
1.2 试样的制备
在德国富来DAK 450—54型全自动冷式压铸机上压铸出Φ10mm的拉伸试棒与截面为6mm×6mm的冲击试样，其几何尺寸图1～3所示：单位（mm）
- q7 }! U8 o' ]2 J" }0 j1.3 力学性能实验及金相观察
将Ф10mm拉伸试棒在岛津万能材料实验机上测其抗拉强度及延伸率；把6mm×6mm的无缺口冲击试样放在示波冲击试验机（型号为：CIEM-30D-CPC）上测合金的冲击韧性；利用HBE-3000型电子布氏硬度计测合金布氏硬度；从Φ10mm试样两端取样，并将其制成金相试样，试样腐蚀溶液为2%的草酸溶液。在MeF3金相显微镜上观察压铸合金AZ91D的显微组织并制作其金相照片。
& w! c% K2 D3 O2 E0 g4 s2实验结果及分析
2.1 浇注温度对压铸镁合金AZ91D力学性能的影响
在浇注温度在660～685℃时，随着浇注温度的升高，AZ91D合金的抗拉强度和延伸率均升高；但明显浇注温度对延伸率的影响程度大；浇注温度高于685℃以后，随着浇注温度的升高，抗拉强度和延伸率都降低。在浇注温度为700℃时的延伸率值异常，但延伸率总的趋势是下降的。在浇注温度在660～680℃时，随着浇注温度的升高，压铸合金AZ91D的冲击韧性和硬度均小幅度升高；浇注温度在680～700℃时，随着温度的升高，其冲击韧性和硬度提升幅度较大；浇注温度高于700℃以后，随着温度的升高，其硬度急剧下降；而冲击韧性在700～710℃时达到其峰值，随着温度的继续升高，其冲击韧性极可能降低。
综合各个因素的影响，当压射比压为70MPa，压射速度为3.0m/s，铸型温度为200 ℃时，浇注温度对AZ91D 合金力学性能的影响。发现浇注温度为685 ℃时，压铸试样力学性能最佳，抗拉强度可达263MPa ，伸长率达225 %；浇注温度过低不利于充型，易产生冷隔、充型不满等缺陷； 浇注温度过高则易产生飞溅、毛刺及在压铸件内形成严重的缩孔、疏松缺陷，降低压铸件的力学性能，并加重对压铸型的热冲击。所以浇注温度为685 ℃较适宜。
2.2 铸型温度对压铸镁合金力学性能的影响
在其它工艺参数一定时，铸型温度对压铸镁合金AZ91D的各项力学性能的影响。由图可知，压铸镁合金AZ91D的抗拉强度和硬度都是先随着铸型温度的升高而升高，当铸型温度超过200℃时，又随铸型温度的升高而降低，但是明显抗拉强度曲线比硬度曲线变化剧烈。抗拉强度和硬度达到最大值时的铸型温度分别为200℃和197℃。合金的延伸率虽然随着铸型温度的升高降低，但可以看出在180～210℃的范围内，其延伸率数值变化不大，这说明铸型温度对合金延伸率的影响较小。在图9中，合金的冲击韧性在180～190℃范围内，变化很小，随后，合金的冲击韧性随温度的升高而升高，200～210℃时，其值又比较稳定。
2 ^3 ^: N1 [: [, H$ V) W( D% K4 u综上所述，压铸型温度对AZ91D 合金力学性能的影响规律与浇注温度基本相同。型温过低会使冷速过快，导致压铸件表面快速形成硬壳，不利于充型和凝固补缩易形成冷隔; 型温过高则易造成粘型拉伤。试验及分析表明: 压铸温度工艺参数对AZ91D 合金压铸态力学性能的影响由强到弱依次是浇注温度，铸型温度； 当压铸工艺参数(压射比压70MPa ，压射速度3.0m/s，铸型温度200℃，浇注温度685 ℃) 适宜时，压铸AZ91D 合金力学性能可稳定地达到σb =263MPa ，δ5 = 225 %。
4 {$ I2 Q, ~* I2.3 压铸镁合金AZ91D显微组织分析[4]
由Mg―Al 二元相图可知，在平衡状态下，AZ91D 由α相(Mg——Al 固溶体) 及金属间化合物相 (β-Mg17Al12) 组成[5]。在AZ91D合金压铸态组织中，狭长形的β-Mg17Al12以不连续的网状分布在初生α-Mg固溶体的基体上，而Mn-Al相则弥散分布在α相基体上。在共晶体的周围出现呈片状的二次β-Mg17Al12析出相，二次β-Mg17Al12通常优先从α相晶界析出，有时也从晶粒内缺陷部位析出，由于固态下原子的扩散能力小，析出的相不易长大，一般比较小。
9 v* B7 j1 B1 R4 q, r当压射比压为70MPa，压射速度为3.0m/s，模具温度为200℃时，不同的浇注温度下压铸AZ91D合金的显微组织，晶粒大小有很明显的变化，浇注温度为685℃时，晶粒最细，而温度为660℃和718℃时，晶粒明显比685℃时大。
当压射比压为70MPa，压射速度为3.0m/s，浇注温度为685℃时，不同的铸型温度下压铸AZ91D合金的显微组织可以看到，在200℃时组织晶粒细小且致密，而在铸型温度为190℃时的组织晶粒大小不均，细小晶粒分布在铸件的表层，粗大晶粒分布在铸件内部。在压铸条件下，较快的冷却速度导致压铸件表面层组织十分细小，而在中心部位则形成粗大的枝晶相。分析认为，表面硬化层对铸件力学性能起重要作用[6，7]，其表面层硬度明显高于心部硬度铸型温度过高将导致表面硬化层减薄且心部组织粗大[8]。
3．结论
A．在温度对AZ91D合金组织性能的影响的因素中，影响最显著的是浇注温度，其次铸型温度； 在适宜的压铸工艺参数( 压射比压70MPa ，铸型温度200 ℃，浇注温度685 ℃) 下，压铸AZ91D 合金的力学性能可稳定地达到σb = 263MPa ，δ5 = 225 %。
B．在严格控制镁合金冶金质量并在其他条件一定时，压铸镁合金AZ91D适宜的浇注温度为685℃；其适宜的铸型温度为200℃。
文章关键词： 铸造、合金