通过合金成分和工艺调控来改善铸造镁、铝合金的热裂性能

来自: 合金科技收藏邀请

镁、铝合金因具有密度小、刚性好、比强度高、散热性强等优点而在航空领域、汽车领域以及3C数码领域有着广阔的应用前景。同时，压铸技术的发展与应用，大大提高了镁、铝合金铸件的生产效率。但是，大多数镁、铝合金在凝固过程中收缩量较大，在压铸生产时易产生热裂缺陷而导致铸件直接报废，如图1所示。因此，通过合金成分和工艺调控来改善铸造镁、铝合金的热裂性能很有必要。

热裂缺陷产生于固液两相区，常出现在热节或图1蓝色框所示等截面积变化较大的位置。同样，在图2(a)所示的约束棒中，也常在截面积变化较大的球端产生热裂。如图2(b)所示，热裂通常由主撕裂和沿晶间路径的许多次要分支组成，并且破坏面显示出树枝状形态。

图2 (a)约束棒中的热裂，(b)树枝状裂纹

一般来说，纯金属和共晶合金不易产生热裂，这是因为纯金属和共晶合金都是在恒定温度下凝固的。如图3所示，对于二元镁、铝合金来说，随着溶质含量的增加，产生热裂的倾向也随之增加；但当溶质含量继续增加时，合金铸件的热裂倾向开始降低。这是因为溶质含量改变了合金的凝固路径，凝固范围的增加使得合金铸件在易产生晶间分离的脆弱阶段所消耗的时间变长，从而提高了合金铸件的热裂倾向。并且，共晶液相的增加使得被液相润湿的晶界百分数增加，更大程度上降低了晶间结合力，从而降低了热裂纹形核与扩展所需要的能量。当溶质超过一定含量后，凝固范围开始减小，共晶液相也将超过一定的临界值。如图2(b)所示，此时有较多的液相回填愈合形成的热裂纹，阻碍裂纹的进一步扩展，从而降低合金铸件的热裂倾向。因此，大多数二元镁、铝合金的热裂倾向随溶质成分的变化规律都呈现图3所示的λ曲线。对于三元甚至多元镁、铝合金而言，热裂行为随合金成分的变化并不遵循一般的λ曲线。对于不同体系的合金，在工艺条件和模具条件相同的情况下，其热裂性能大多取决于合金收缩应力的大小。对于同一体系的合金而言，无论是二元合金还是多元合金，其热裂性能都受到凝固范围和共晶液相的影响。

图3 二元合金热裂倾向随成分变化的λ曲线

除合金成分外，工艺参数对热裂性能的影响也同样显著。如图4所示，一般而言，适当提高浇注温度有助于驱散热节，从而降低热裂倾向。但浇注温度过高会延长液膜存在时间，使得脆弱阶段消耗的时间更长，从而提高热裂倾向。同时，过高的浇注温度还会增加合金熔体的氧化倾向，形成的氧化夹杂易成为热裂的形核点从而诱发热裂。相较而言，模具温度的影响更为显著。研究表明，模具温度的升高将导致热裂倾向的降低和热裂起始温度的升高。在较高的温度下产生热裂，裂纹可以被剩余液相愈合。同时，较高的模具温度降低了冷却速率，缓解了应变集中等不利因素的影响。若初始模具温度过低，则没有足够的时间对积累的应变进行补偿；同时，快速凝固带来的溶质偏析使得应变集中于溶质偏析区域，从而导致热裂倾向的升高。

图4 浇注温度和模具温度对热裂倾向的影响

上海交大材料学院曾小勤教授团队对Mg-Zn-Al合金的热裂行为进行研究，从合金成分和工艺调控角度对合金的热裂性能改善的可行性进行了探讨。该工作以 “Effect of Al Content on Hot-Tearing Susceptibility of Mg-10Zn-xAl Alloys”为题发表在《Metallurgical and Materials Transactions A》期刊上。

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