真空差压铸造ZL114A合金生产案例

导读：采用真空差压铸造法制备ZL114A合金试样，借助金相显微镜、扫描电镜及显微硬度计研究了分级加压压差对真空差压铸造ZL114A合金微观组织及显微硬度的影响。结果表明，分级加压压差显著影响ZL114A合金的显微组织和性能。在分级加压压差为35~185kPa的范围内，随着分级加压压差增加，金属液的挤渗能力也逐渐增强，ZL114A合金的初生相形貌由粗大的树状晶向细小的蔷薇晶与等轴晶转变，组织明显细化，共晶硅也由粗大的棒状或针片状向细小的棒状或圆粒状转变；同时合金的显微硬度显著提高，当分级加压压差为185kPa时，其显微硬度为96.9HV，相比在压差为35kPa的条件下提高了33.4%。
ZL114A合金作为一种传统的铸造Al-Si系合金，以其优良的可塑性与铸造性能被广泛应用，但较差的强度限制了其进一步的应用，如何提高其性能成为许多研究者关注的问题。目前，对铸造Al-Si合金进行变质处理、改进铸造工艺以及合金化等手段在一定程度上可改善其性能。真空差压铸造在铸造过程中能够实现平稳充型以及有较好的凝固补缩效果，其基本原理是在真空条件下低压充型、高压结晶，实现铸件的精密成形，因此常用来生产高质量的大型复杂薄壁件。分级加压真空差压铸造相对于传统的真空差压铸造工艺可以进一步加大凝固压差，在分级加压压差的作用下，金属液具有强劲的挤渗补缩作用，这会使得凝固初期形成的枝晶骨架被打碎，破碎的枝晶骨架分散在基体中形成大量异质形核核心，从而进一步细化晶粒并减少缩松、缩孔，提高了合金的性能。因此，本课题通过研究分级加压压差对真空差压铸造ZL114A合金微观组织及显微硬度的影响，以期获得性能更好的ZL114A合金铸件。
1试验材料与方法

试验材料为ZL114A（ZAlSi7Mg1A），其化学成分见表1。试验设备采用课题组自主研制的VCPC型真空差压铸造设备，该设备的原理示意图及真空差压分级加压铸造工艺实验的理想曲线图见图1和图2。试样采用外形尺寸为Φ60mm×210mm圆棒，具体的真空差压铸造工艺参数见表2。
表1ZL114A合金的主要化学成分wb/%

1.上罐2.铸件3.隔板4.下罐5.升液管6.熔炼金属液7.调节阀8.真空泵9.下罐储气罐10.上罐储气罐11.开关阀12.进气管13.铸型
图1真空差压铸造设备系统原理图

图2真空差压分级加压铸造工艺曲线
表2试验工艺参数

2分级加压压差对微观组织的影响

不同分级加压压差下真空差压铸造ZL114A合金试样的铸态显微组织见图3。可以看出，35kPa时合金微观组织较为粗大，呈现出形状大小不规则的树状枝晶；85kPa时部分形状大小不规则的树状晶转变为蔷薇晶，并出现大量的柱状晶；135kPa时，组织中还存在较多分布不均且尺寸较大的晶粒，但树枝晶基本消失，局部组织出现较为均匀的蔷薇晶与等轴晶，且蔷薇晶尺寸有较为明显的减小；当185kPa时,凝固组织明显被细化，大多数尺寸较大的等轴晶和蔷薇状晶粒都转变为细小圆整的等轴晶，组织更加均匀。

（a）35kPa（b）85kPa

（c）135kPa（d）185kPa
图3不同分级加压压差下的金相组织
图4为不同分级加压压差下真空差压铸造ZL114A合金的共晶硅形貌。可以看出，35kPa时,存在大量粗大不均分布的棒状或针片状共晶硅组织,见图4a；当分级加压压差为85kPa时，粗大棒状或针片状共晶硅组织减少，共晶硅明显被细化，见图4b；分级加压压差为135kPa时，粗大棒状或针片状的共晶硅组织进一步减少，并出现大量细小的短棒状共晶硅,见图4c；185kPa时只出现细小的圆棒状以及圆粒状的共晶硅，粗大针片状的共晶硅组织基本消失,见图4d。

（a）35kPa（b）85kPa
（c）135kPa（d）185kPa
图4不同分级加压压差下ZL114A合金共晶硅SEM形貌
分级加压差压对真空差压铸造ZL114A合金显微硬度影响见图5。可以看出，随着分级加压压差增大，合金的硬度不断提高。当分级加压压差为35kPa时，试样的硬度值最低，仅为72.63HV；当分级加压压差提高到185kPa时，试样的硬度达到最大值96.90HV，相较于压差为35kPa时提高了33.4%。
图5不同分级加压压差下ZL114A合金的显微硬度
3结论
（1）分级加压压差对ZL114A合金的微观组织和共晶硅形貌均具有显著影响。当分级加压压差增加到185kPa时，ZL114A合金组织中晶粒显著细化，粗大的树状晶与蔷薇晶基本转变为细小且圆整的等轴晶，同时粗大的棒状或针片状共晶硅组织基本消失，共晶硅主要以细小的短棒状与圆粒状的形式存在。
（2）随着分级加压压差增大，ZL114A合金的显微硬度显著增大。当分级加压压差增加为185kPa时，合金的显微硬度达到最大值96.90HV，相比35kPa时的显微硬度提高了33.4%。
本文引用格式：黄普英，芦刚，严青松，等.真空差压分级加压压差铸造对ZL114A合金微观组织及显微硬度的影响.特种铸造及有色合金，2021,41（4）：494-497.