文：陈 龙

高真空压铸汽车减震塔的组织及力学性能分析

1、 高真空压铸汽车减震塔的组织分析

国内外有许多研究学者进行了关于压铸件显微组织的研究。本小节主要对减震塔中的压室预结晶组织和破碎激冷层组织、偏析带组织及铝硅共晶组织进行观察，利用前人的研究结论对观察到的减震塔压铸件的组织特点进行分析。

1.1 减震塔中的压室预结晶组织和破碎激冷层组织

国内外有许多学者对压室预结晶组织（ESCs）进行了研究，有关研究现状在绪论中已有叙及。图1所示为本文中观察到的ESCs的不同形貌，ESCs的形貌有球粒状、长条状、树枝状及破碎的枝晶状。ESCs形貌的不同与铝液在压室中预凝固过程的进行程度有关。Laukli对不同形态的ESCs进行了解释：球状ESCs形成于压室中过冷度较小的区域，结晶过程中甚至可能会发生重熔的现象，导致其无法形成枝晶状，球状ESCs尺寸较小，压射后主要停留在铸件靠近型腔壁附近的表层区域；长条状及树枝状ESCs，其形成于压室中过冷度较大的区域，在结晶过程中有机会长大并形成树枝晶。当然，前述的三种形态的ESCs在显微组织中所占的比例较小，在显微组织中压室预结晶组织主要以破碎的枝晶形式存在，而破碎的枝晶来源于附着在冷压室壁上生长的大块状激冷层组织。在压铸过程中，大块状压室凝固组织经高速射入型腔并与型腔壁发生碰撞，在碰撞过程中发生破碎从而形成残碎的枝晶。在型腔中，随着凝固的进行，α-Al在残碎的枝晶上继续形核长大并形成细小的枝晶，如图1(d)、B(a)所示。

图2为减震塔不同区域截面的金相组织图，其所对应减震塔的位置如图2(a)所示。图3为ESCs在减震塔不同区域截面的分布情况。从图中可以发现，a号位置截面中ESCs的含量最多，而随着距水口距离的增大，减震塔组织中的 ESCs 所占比例逐渐减少，在d位置截面基本观察不到ESCs。上述观察到的现象与 Laukli的研究结果一致。Laukli等认为铝液在水冷压射冲头附近比压室内远离压射冲头的区域会形成更多的ESCs，因此最先注入型腔的金属包含的ESCs含量更低，导致铸件远离水口的区域ESCs 含量较低。在同一截面中，ESCs的分布呈现为高斯分布，截面的中心区域 ESCs含量高，而在靠近型腔壁的表层区域，ESCs含量低。这和 ESCs 与铝液发生相对运动有关，在剪切力作用下，ESCs趋向于向低剪切率的区域即型腔芯部区域聚集。

在减震塔组织中还有一种大块状的压室凝固组织，这种组织是在浇注过程中铝液与温度较低的压室相接触迅速凝固而形成的一层较厚的组织，也叫做压室激冷层组织、冷料(Cold Flake)，图4为激冷层组织的金相图。从图中可以看到，激冷层组织呈现为长条状，并具有一定的弧度，形状与圆筒形压室相一致，经测量其厚度接近1mm，并可以通过肉眼观察到。相比于普通压铸组织，激冷层组织颜色较浅，这是因为激冷层组织在形成过程中冷却速度较慢，组织较为粗大，相界面更少。从放大的局部组织图中可以明显的看到表面细晶区、呈放射状的柱状晶及树枝晶，甚至可以观察到铝硅共晶区域内的针状富铁相。激冷层组织相对于压铸态组织来说更为粗大，会造成减震塔组织的不均匀性，并对减震塔性能造成十分恶劣的影响，是一种缺陷相。

1.2 减震塔中偏析带的组织形态特征

在减震塔内部可以看到与铸件外形轮廓基本平行的溶质富集带，这个区域被称为偏析带（缺陷带、剪切带）。图5(a)所示为减震塔不同位置的金相组织。图6(a)为典型的减震塔截面偏析带形貌。减震塔属于薄壁压铸件，其内外表面分别与动模和定模接触。因此，减震塔内部存在两条偏析带，分别平行于内外表面。

减震塔中大多数区域的偏析带都是以这种形式存在的，从近水口处几乎贯穿至减震塔末端，图5(g)为减震塔末端的偏析带特征。但在减震塔的一些区域，存在着其他不一样的偏析带特征。图5(b)显示的是双重偏析带的金相组织图，在靠近一个表面的区域同时存在两条偏析带，其中的一条偏析带与减震塔其他区域观察到的相似，但另一条偏析带更靠近表面，且其宽度要窄很多，并几乎连成一条直线(如5(c)放大图所示)。在减震塔的三岔口位置可以看到如图5(d)所示的偏析带，这种形状的偏析带并不像其他区域一样与表面平行，而是呈现为环状，同时在该部位芯部还可以看到许多气孔。在偏析带内部，除了占比较高的铝硅共晶外，并没有观察到明显的缩孔缺陷，这与 Laukli等对HPDC铝合金的研究结果相一致。这是因为AlSi10MnMg合金的Si含量接近共晶成分，使合金具有良好的流动性及补缩能力。

与减震塔其他部位的组织相比，水口处的组织具有一定的独特性。图6为减震塔水口部位的金相组织，其中图6(a)为宏观组织，图6(b)和(c)分别为图6(a)中芯部及缺陷带位置的放大组织图。减震塔水口选用的是2.5mm 的宽水口，宽水口可以确保增压压力持续作用于压铸件，有效地减少压铸件内部的缩孔。从图6(a)可以看出，水口组织内包含有大块状压室激冷层组织、偏析带及缩孔。图6(b)为水口处截面芯部区域的组织。从图中可以看出，在大块状破碎激冷层组织周边存在许多缩孔，说明冷料会影响铝液的流动性，并造成缩孔缺陷，即使在水口增压压力能够有效传递的地方，依然不能完全消除缩孔。这些缩孔的形成可能与冷料及周边凝固晶体在增压阶段发生相对运动而引起的局部剪切变形有关。局部剪切变形导致冷料周边的晶体翻转，形成剪切膨胀，周边不断长大的晶体相互接触阻碍了铝液的补缩，从而形成了冷料周边的局部缩孔。

图6(c)为水口处缺陷带区域的放大组织。相比于铸件内部的缺陷带，水口处的缺陷带宽度更大，经测量其宽度可达到近1mm厚。Otarawanna及 Joseph等认为在铝合金压铸件中水口处的剪切膨胀带是一种普遍特征，在压铸过程中的增压阶段补缩是以剪切变形的形式将材料输送到型腔中。在本文中观察到的水口处缺陷带厚度比减震塔其他位置的更厚，同时也比文献中相关研究的更厚，推测这可能与减震塔采用的宽水口设计有关。

本文总结前人研究结论，利用他们对偏析带的研究成果对减震塔中偏析带的形成过程进行说明，图7为其示意图。在压铸充型凝固过程中，表面边界层率先凝固，形成表层细晶区。细晶区的形成使得其前沿的铝液中溶质浓度提高，抑制了细晶区α-Al晶粒的形核，α-Al 晶粒开始在激冷层前沿溶质浓度较低的区域形核长大。快的冷却速度使得表层温度迅速降低，当温度低于铝硅共晶的结晶温度时，细晶区前沿开始形成铝硅共晶。随着模具温度的升高及结晶焓的释放，铝液中的温度梯度逐渐降低，铝液内α-Al晶粒开始均匀形核，形成大量等轴晶。芯部铝液的剪切速度最小，形成的剪切力也最小，等轴晶不断长大并相互接触形成具有一定抗剪切能力的晶团骨架。与此同时，表层铝液的移动速度接近零，等轴晶在剪切力的作用下长大，并形成晶团骨架，如图7(b)所示。随着凝固过程的不断进行，剪切作用将集中于表层与芯部之间的区域。这一过程持续进行直至铝硅共晶的含量达到一定程度足以抵抗剪切变形。而芯部的剩余铝液被发达的α-Al 枝晶分割，在凝固收缩应力的作用下形成少量的晶间缩孔，最终形成如图7(c)所示的组织。

在型腔的某些区域，模具散热较差，在充型及凝固过程中流动的铝液对表层先凝固结晶层形成剪切作用，当剪切应力达到一定程度时，晶团断裂形成剪切带，从而导致了如图5(b)所示的双重偏析带的形成。而图5(d)中在岔口位置形成的环状偏析带，其形成原因可能与该部位铝液以涡流的形式流动有关，铝液涡流带动芯部α-Al 晶团骨架旋转，在芯部与表面之间形成剪切作用，从而形成环状偏析带。

1.3  减震塔压铸态富铁相及铝硅共晶组织特征

压铸过程中，高的冷却速度使得压铸件的显微组织极为细小，细小的组织赋予压铸件较高的力学性能。图8(a)为减震塔压铸态芯部显微组织的SEM图，其中灰色部分为α-Al 基体，亮黑块状的是锰铁相（α-Al(Fe Mn Si)），灰白相间的是铝硅共晶组织。图3-17(b)中分布于铝硅共晶区域内的针状或短棒状富铁相，通过能谱分析确认其为 π-Fe(Al8FeMg3Si6) 。相比于铸态的π-Fe ，其尺寸要小很多，平均长度只有5μm 。在AlSi10MnMg压铸态组织中没有观察到针状β-Fe 相。这也说明，当冷却速度进一步提高时，β-Fe非平衡相的转变会受到抑制。图8(c)(d)分别为铝硅共晶区域的二维形貌及经深度腐蚀后的共晶硅三维形貌，从图中可以看出硅相的三维形态为扭曲的纤维状或枝晶状，且相互之间是联系的，其形状与珊瑚类似。经统计硅相的平均直径为 0.37μm，而其长度最长超过5μm，这是高的冷却速率及Sr变质共同作用的结果。

硅相形态、大小及分布对合金的力学性能有很大的影响。AlSi10MnMg 合金压铸态的铝硅共晶中硅相与铝在空间的这种相互镶嵌加强了硅与铝之间的粘结，其中硅相作为骨架起强化的效果。当试样受到外力拉伸时，纤维状的硅由于其较高的弹性模量而能承受较高的应力并具有一定的弯曲变形能力，这使得合金在具有较高强度的同时还具有一定的韧性，这种强化机制与片层状珠光体的强化类似。但与此同时，铝硅共晶割裂了铝基体，阻碍了塑性变形的进行，这在一定程度上限制了合金的塑性。

2、 高真空压铸汽车减震塔的力学性能

减震塔具有较为复杂的结构，导致压铸过程中铝液在减震塔内部的流动及凝固过程是极为复杂的，这使得减震塔不同区域的组织缺陷及力学性能具有一定的差异性。图9给出了高真空压铸汽车减震塔压铸态从不同取样位置收集的拉伸性能分布情况。可以看出，减震塔整体屈服强度测试值介于117－167MPa，抗拉强度介于220－320MPa，伸长率的数据分布则介于2.82 %－17.61%。当伸长率低于6%时，抗拉强度随着伸长率的升高而有上升的趋势，这说明有组织以外的影响因素诸如孔洞缺陷在制约减震塔的力学性能。经统计，减震塔所有拉伸试样的拉伸性能数据平均值为：屈服强度133MPa，抗拉强度280MPa，伸长率7.39%。与第三章中金属模水冷AlSi10MnMg 合金性能相比，其强度指标有一定程度的升高，这是α-Al晶粒、共晶硅、富铁相细化所带来的积极影响。

图10所示为减震塔压铸态不同取样部位的力学性能及典型应力应变曲线。为分析减震塔不同区域拉伸力学性能的差异，将减震塔中的取样位置按照拉伸测试结果中伸长率的不同分为三个范围（0－6%，6－9%，大于9%），并用三种颜色来加以区分，如图10(a)所示。可以看出，在减震塔中靠近水口部位的10号位置及远水口端靠近溢流槽区域的03、16、17力学性能较差，其典型应力应变曲线如图10(b)中红色曲线所示。结合前面的组织观察，进一步分析认为近水口部位的组织中含有较多的ESCs及破碎激冷层组织，这些组织会阻碍铝液的流动并促进缩孔的形成，同时这些异常粗大的组织造成该部位组织的不均匀性。当受力拉伸时，裂纹容易沿着ESCs与基体的界面扩展，导致试样的过早失效，造成伸长率过低。此外，为促进增压阶段的补缩，减震塔近水口部位的壁厚设计的较厚，这也会导致该部位性能的下降。在减震塔远水口靠近溢流槽的区域，由于排气的不彻底，依然会有少量气体停留，导致该部位试样的强度及伸长率下降。在减震塔的中间区域，其力学性能较好，且较为稳定，该部位的组织中往往含有较少的ESCs及孔洞缺陷，其典型应力应变曲线为图10(b)中绿色曲线。