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镁科研

真空度对压铸镁副车架质量的影响

发布时间：2023-04-18 作者：综合管理部

对比研究了真空压铸中低真空（20~30 kPa）与高真空（<5 kPa）对AE44镁合金副车架铸件外观与内部质量的影响。结果表明，与低真空压铸相比，高真空压铸能够显著减少镁合金副车架表面压铸流痕/冷隔和铸件内部的气孔类缺陷、提高镁合金副车架本体取样的室温塑性和抗拉强度及铸件的致密度，并降低孔隙率，其中铸件本体取样室温伸长率增幅接近50%，平均密度提高了0.51%，孔隙率均值下降了0.50%。真空压铸中采用高真空（<5 kPa）措施能够有效地提高镁合金副车架铸件的致密度，从而显著提高铸件的抗拉强度和伸长率。


压铸具有生产效率高、尺寸精度高、铸件显微组织细小、力学性能较好，能生产薄壁、形状复杂的铸件等特点，得到了广泛应用。常规压铸件内部气孔较多，严重影响了压铸件的内部品质，进而限制了其应用范围。真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔，从而提高了压铸件力学性能和表面质量，显著拓展了压铸工艺的应用范围。目前汽车上对强度和塑性要求较高的铝合金、镁合金零件基本上都是采用真空压铸生产，如铝合金减震塔、离合器壳体、变速箱中间板、缸盖，镁合金散热器等。

汽车轻量化是降低能源消耗、减少污染物排放最有效的措施之一。近年来，随着汽车产量和保有量的持续增加，我国面临的能耗、安全、环保等问题日益突出，汽车轻量化技术已成为推动汽车工业可持续发展、提高汽车燃油经济性、减少汽车尾气排放的重要手段。镁合金兼具比强度和比刚度高、减振性能好、电磁屏蔽、导热性能优良等特点，已经成为汽车轻量化技术的重要发展方向。有研究表明，采用镁合金代替铝合金制备汽车座椅座盆、发动机油底壳、发动机气门室罩、变速器左箱体端盖、变速器左箱体、变速器右箱体等部件，可分别实现减重31.8、33.3、37.4、37.1、37.0、36.8%，轻量化效果显著。为了进一步推动镁合金的应用，有关单位共同开展了镁合金副车架铸件的结构设计、模具设计与压铸试验、台架试验等研究，以探讨镁合金在汽车大型薄壁结构件上应用的可行性。

本课题主要讨论真空压铸工艺中真空度对镁合金汽车副车架铸件外观与内部质量的影响。


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试验方法

镁合金汽车副车架铸件由某汽车公司设计，铸件外形尺寸为0.92 m×0.51 m×0.17 m，质量为5.83 kg，相对于原有钢制结构件减重61.9%。副车架铸件总体呈工字型，为上下表面加强筋结构，最大壁厚与最小壁厚之比为5.5:1，薄壁区域主体壁厚为5 mm、局部壁厚为4 mm。镁合金副车架的浇注系统设计见图1。压铸工艺参数采用正交试验通过铸造过程计算机仿真获得[12]，压铸试验在伊之密45 000 kN卧式压铸机上进行，具体工艺参数见表1。

为了提高压铸件的内部品质，在镁合金熔体填充模具型腔之前对模具型腔进行抽真空操作，对比研究了高真空(<5 kPa)与低真空(30 kPa)对副车架铸件外观质量和内部质量、力学性能的影响。真空系统中真空阀通过冲头位置进行控制，压室总长度为1 050 mm，抽真空开始与结束的位置分别为330 mm和830 mm，冲头起高速的位置为850 mm。真空压铸时，压室内的真空度变化曲线见图2。试验材料为AE44镁合金，具体化学成分见表2，镁合金熔体通过定量炉浇注。

压铸后，通过X射线观察镁合金副车架铸件的内部质量，X射线缺陷分辨率为0.2 mm；采用Zwick/Z100力学试验机测试铸件不同位置的力学性能，拉伸试样为矩形试样，标距尺寸为15 mm×3.5 mm×2 mm；通过阿基米德排水法测量拉伸试样的密度，孔隙率根据密度换算而成：孔隙率=(密度max-密度)/密度max；力学性能取样位置见图1。


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图1 镁合金副车架浇注系统设计与力学性能取样位置示意图


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表1 镁合金副车压铸工艺参数


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表2 AE44镁合金化学成分 (wb/%)


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图2 镁合金副车架真空压铸时冲头位置与型腔真空度的变化曲线：在冲头起高速之前，压室内的真空已到达到设定值

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试验结果分析

2.1 外观形貌与内部质量

镁合金副车架低真空与高真空压铸件表面形貌见图3和图4。由图3a和图4a可以看出，铸件外观总体良好，距离内浇口较近的位置，铸件表面比较光亮；远离内浇口的铸件表面流痕比较明显，见图3b~图3d和图4b~图4d。与高真空铸件相比，低真空铸件表面的冷隔更加明显，见图3c和图3d中的箭头所示，即提高真空度能够明显减轻铸件表面流痕，特别是铸件表面冷隔类缺陷。

图5为镁合金副车架低真空与高真空压铸件X射线照片。从图5b可以看出，高真空副车架压铸件内部质量优良，未发现>200 µm的孔洞类铸造缺陷，而低真空时，副车架压铸件在铸件远端滑块处发现细小气孔，见图5a中的局部放大图所示。因此，提高真空度能够明显减少铸件内部的气孔含量，显著消除铸件远端处的气孔含量。


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2.2 室温力学性能

镁合金副车架铸件不同位置室温拉伸力学性能与密度、孔隙率见表3。高真空压铸件的平均室温屈服强度为134.67 MPa、抗拉强度为243.84 MPa、伸长率为12.45%；平均密度为1.790 g/cm3，平均孔隙率为1.47%。低真空压铸件的平均室温屈服强度为136.08 MPa、抗拉强度为227.21MPa、伸长率为8.36%；平均密度为1.781 g/cm3，平均孔隙率为0.97%。与低真空压铸相比，高真空压铸条件下，副车架屈服强度稍有下降(-1.03%)，抗拉强度(+7.32%)、伸长率(+48.93%)、密度(+0.51%)均明显提升，其中伸长率提高最为显著，增幅接近50%，即高真空能够显著提高镁合金铸件的塑性；孔隙率绝对值下降0.50%，降幅为33.83%。


副车架室温力学性能与密度之间的对应关系见图6，室温抗拉强度与伸长率和密度之间呈一定相关性：即抗拉强度与伸长率随着密度的增加成明显的上升关系；屈服强度和密度相关性较差：随着密度的增加，屈服强度增加或者下降趋势并不明显。因此，提高铸件密度能够有效提高铸件室温抗拉强度和塑性，但对提高屈服强度作用并不明显。总体而言，高真空对铸件力学性能的提升作用可以解释为：高真空有效提高了AE44镁合金副车架铸件的致密度，从而显著提高了铸件的抗拉强度和伸长率，而对铸件屈服强度无明显影响。


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结论

(1) 采用真空压铸技术能够制备出外观质量和内部质量良好的AE44镁合金副车架铸件，但即使真空压铸中真空度<5 kPa，镁合金副车架远离浇口部位铸件表面压铸流痕仍然比较明显。

(2) 与低真空压铸相比，高真空压铸能够显著减少镁合金副车架表面压铸流痕/冷隔和铸件内部的气孔类缺陷、提高镁合金副车架本体取样的室温塑性(其中室温塑性增幅接近50%)和抗拉强度、提高铸件的致密度(平均密度增幅为0.51%)、降低铸件孔隙率(孔隙率均值降低0.50%)。

(3) 镁合金副车架本体力学性能与密度的对应关系表明，提高铸件密度能够显著提高铸件室温抗拉强度与塑性；但屈服强度与铸件密度的相关性较低。真空压铸中采用高真空措施能够有效提高镁合金副车架铸件致密度，从而显著提高铸件的抗拉强度和伸长率。


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