镁合金汽车压铸件裂纹缺陷的产生和过程控制

镁合金汽车压铸件裂纹缺陷的产生和过程控制


热室压铸机是一种理想的用于生产中小型尺寸镁合金的设备，这是由于它具有较少的热量损失。材料AM60B由于具有的良好的延展性，使它常被用作生产汽车转向部件的材料这种优艮的延展性也源自于它独有的微组织结构。AM60B在热室中的特性是由它的非树枝状的基体决定的，而这种基本是被β共晶体(A117Mgl2)所分离的。

因为当金属流体在快速的凝固过程中，β共晶体无法能形成足以降低金属延展性和蠕变阻力的粗糙片状组织，而是以一种分离体的形式存在。镁的基体结构介于树枝状和球状之间，而球体组织通常事见于半凝固的铸造工艺中。这种溶液镁合金在压射过程中，通过浇道入口位置时，在“鹅颈”部被压缩前进，与通道表面进行热交换，形成强迫热对流．这个过程是产生非枝晶结构的主要原因之一。

因为AM60B比AM9D的铝含量少，所以在压铸过程中，AM60的金属流体要比AM91D的金属流体流性差。也由于AM60B的金属流体凝固的快(远快于AZ91D)，AM60B铸件的表面也比其铸件的其他部分凝固的快。另外，也因为AM60B有很长的凝固区域，要达到完全凝固需要较长的时间。镁合金铸件所独有这种的缺陷是其内部分层，或被称为缺陷圈(Defect Band)．主要表现在铸件的表面和内部结构上的不同。这种缺陷的产生也受到其无型和凝固工艺的影响。买践已证明，通过选择更佳位置的浇道入口和优化铸件的几何外形设计可以避免以上的缺陷。

AM 60M汽车转向件铸件
这种铸件用于固定转向柱壳体。需要铸件在牺牲一定的强度换来较高的延展率和抗蠕变性能。

热裂和断裂
热裂通常产生于T型区域，在铸件中心区域产生的缺陷带就是一个证据而更多研究显示这种缺陷帝是导致铸件发生热裂的主要因素。

压铸工艺中的流体流动模式
当金属流体以高速压八型腔内时，由于流体自身具有的粘性，流体在边界处所受到的阻力较大，而流体中心所受到的阻力测较小。因此，最边界的流体的速度接近于零，而其中心位置的流体进度则很快。图4显示了流体的流动速度场分布。流体表层实际上是将会被回流填满，因为流体表层相对有很强的热传导性，导致铸件表面的温度低于铸件中心的温度，这最终使得铸件内部产生两个不同温度压碱的界面。这种界面将直接产生铸件内部的缺陷圈。研究显示这种缺陷圈的产生开始于压铸最初阶段，并在铸件凝固的过程中进一加强。由此可以得出，铸件表层和中心的不同的凝固速度将会加强这种缺陷圈的产生和强化，实践和理论证明了高雷诺数(高速)的流

体具有较小的速度梯度分布．因此，高速压铸在镁合金压铸中将会更可行。

显微组织结构
以上得出的由于内部界面而产生的铸件缺陷圈的结论也同样被微组织结构照片所支持图5展示的是这种缺陷的微组织结构图。一个内部的分裂带可以被清晰地观察到，上部分是铸件的表面区域，下部分是铸件的中心区域。所有的区域都显示出，非树枝状的α镁初结晶相(白色)被分离的β共晶相(黑色)所包围，这就证明了表面区域有较细的晶体颗粒形状，内部区域的晶体颗粒则显得较粗大。
我们同样也认为，这种非树枝状晶体结构来源的另一个原因，是由于金属流体在通过热室的浇道入口时所形成的热量强迫对流。EDS(X光能量分散探测计)被用于测试铸件内部的界面是否有重要的合金分隔带。EDS能够在一些小的区域进行这种化学测试，并能从原子中侦测出不问的化学元素。从EDS的检测结果显示，铸件表层有比中心部分较小的晶体颗粒，但在其表层和内部之间的区域并不存在明显的合金偏析。这个结论将助于改进设计，即改变流体的模型．制造出无缺陷层的铸件。

非树枝状的晶体是怎样产生的
在图5和图6中，微组织结构的形态说明了这种非树枝状晶体结构与那些在其他过程中形成的晶体有很大的差别，这种非树枝状晶体结构源实际上来自于它的流变性的特点。这种原理目前被用于研发半凝固压铸工艺中。通常需要几种不同的条件来产生这种非树枝状晶体结构,首先是快速的冷却，其次是机械力或其他搅拌形成的作用，这两种条件将可以产生更小的晶体颗粒并可以消除这种树枝状的晶体。热室鹅颈形状的浇道入口通道在一定条件下，正好符舍以上两个条件。图7显示的是熔融态金属流体在被压铸入型腔之前，须先通过加热室。

鹅颈形状的浇道入口，这种“Z”字形的浇道入口使得金属流体最早通过其界面层与管壁进行热交换。因为合金AM60有高的凝固温度，首先会有一些镁的初结晶相产生，在强制对流和“z”字型金属流的双重作用下，使得在浇道入口管内的金属流体冷却，从而破坏了金属流体内的树枝状晶体，产生出近似球形的结晶体·之后，这些包含着部分凝固体的金属流体被注入模具型腔内进行冷却，快速的冷却也在α初晶相周围产生了分散的和隔离的共晶体，这种形态可以增强金属的延展性和抗蠕变能力·值得一提的一点是这种非树枝状的微晶体结构并非真半凝固体，它所产生的温度区域也并非在半凝固体的温城内，同时这种对流的模式也并非是层流状态。

因为有早期凝固体的产生，压铸中镁合金的金属流体并非

是牛顿流体直线流动，而是属于非牛顿流体力学范畴。因此金属流体的速度取决于材料的微结构。这种非树枝状的晶体结构有低的流动性，这种特性使得金属在流动过程中有少量的金属卷入井有滚动现象产生，这一特性对于非树枝状晶体结构而言非常重要。另外，热室的鹅颈形状也支持这种强度对流，从而助长了镁合金压铸中这种非树枝状的晶体的结构的产生。
讨论
铸件表面热裂的产生是由于铸件在冷却过程中不同的凝固温度和收缩率。热收缩集聚在金属的尚未完全凝固的“T”型区域，而热裂通常产生在模具的首次充填过程中，因为那时模具的使用尚未进入稳定状态。
增加半径并不一定能减少铸件的表面热裂现象．而要达到更好的设计修改．对于在易出现缺陷区域进行金属流向分析和凝固温度分析则显得非常重要。
对于有着大的凝固间隔和存在一些小的共晶体的合金如AM60B，则更倾向于出现内部和表面的热裂缺陷。
内部的热裂出现在“层”的界面位置(不同结构的微组织晶体)，这些界面是在凝固的过程出现或是在一些远离浇道入口的不易被充填位置处，由于缺少充填的原因而产生的又或者它们在凝固程序以前早已固化。由于合金不同的凝固温度和模具的不同的收缩强度产生的作用力使得表面热裂的产生会迟一些，同时，铸件表面的热裂也会随着一些细小的内部热裂而向外展开。
结论
缺陷圈是在压铸充填和冷却凝固过程中产生的，改进的方法是对设计参数进行修改。首先,要取得低的速度梯流体形态，需要金属流体有高的速度和好的流动性。这就要改进内浇道入口的形状和浇铸的位置。
其次，通过对铸件外形进行重新设计，如增加或减少部分铸件体积和形状。这样做的目的是加快冷却和凝固的速度，从而降低热量在铸件某些部位的集聚。
其他一些技术如改变铸件半径,增加侧肋或凹槽．大的嵌条以及使用局部温度冷却棒可以减少热量在铸件易脆位的聚集：同时制作必要的模拟检验．以使得设计更完善，通过这样的工程改进可进一步减少铸件的缺陷。