铝合金压铸件中的硬质点,是在机加工时常遇到的一种铸造缺陷。随着汽车、摩托车等工业的发展,铝合金压铸件的应用日益增多,大量铝压铸件在加工线上进行加工时,由于出现硬质点和铸件基体材质较硬而引起刀具崩坏和加快刀具磨损,以致造成加工表面不光、尺寸超差等问题也显得更为突出、严重。生产中对解决此问题的要求十分迫切。

有的研究结果认为,硬质点主要是非金属夹杂物,其中大多数为氧化物,包括γ-AL2O3、刚玉(α-Al2O3)和MgAl2O4复合氧化物;也有人认为,硬质点主要由含Fe金属杂质相所构成;文献〔5〕则认为,硬质点中既有非金属夹杂物,也存在有含Fe金属间化合物。在本文中,作者将针对Al-Si12Cu合金压铸件中的硬质点及夹杂物的形貌、本质、来源和防止措施,作一系统的研究。

1　硬质点及基体较硬区的形貌及本质

1.1　硬质点

硬质点在机加工表面上呈暗黑色区域,尺寸较大,约2～3mm,目视可见,其形貌如图1、图2所示。它是合金中非金属夹杂物和金属杂质相集合在一起的区域,常以非金属夹杂物为主,分布有大块的非金属夹杂物。这些非金属夹杂物和金属杂质相的显微硬度,分别为铝合金基体的8～20倍和9～15倍,尤其是其中的非金属夹杂物,不仅尺寸较大,且硬度大多高于刀具的硬度,因而易造成切削加工时刀具的崩坏和加快刀具磨损。

1.2　基体材质较硬区

该区组织形貌如图3所示,在显微镜下显示为粗大块状、条状金属杂质相分布较密集的区域,金属杂质相的尺寸较小,在显微镜下放大200倍以上时方能清楚地看出。这些金属杂质相的显微硬度也显著高于铝基体,接近乃至高于刀具的硬度,故也使刀具加快磨损,使合金的切削性能变差。

对上述非金属夹杂物和金属杂质相,在Neophot-21型金相显微镜下观察了它们的形貌;在S-520型扫描电镜的EDAX-9100型能谱仪和Philips SEM515型扫描电镜的EDAX-D4型能谱仪上,对它们进行了微区成分分析;并用71型显微硬度计,测定了它们的显微硬度。
 

2　合金中的非金属夹杂物

合金中的非金属夹杂物主要是Al2O3,有部分为硅酸铝化合物(AL2O3·XSiO2),还有少量MgO·Al2O3化合物。

2.1　Al2O3化合物

Al2O3的组织形貌基本上可分为两种类型,一种呈多孔状,见图4、图1;另一种为无孔深色区,见图5。

对这两种Al2O3夹杂物的显微硬度进行了测定,多孔状Al2O3的显微硬度平均为HV682,而无孔深色AL2O3平均为HV1354。两种Al2O3的显微硬度是不同的,但它们都比铝基体的显微硬度(平均为HV68)高得多,分别为铝基体的10倍和20倍,所以会使合金的切削性能显著降低,以至发生崩刀现象。经对硬质点处的AL2O3夹杂物进行观察研究,发
现除上述两种基本形态外,还存在有团絮状、折叠膜片状等形貌,但其成分均为Al2O3。

2.2　硅酸铝(Al2O3·XSiO2)化合物

在相当数量的硬质点中,除了含有Al2O3外,还含有Al2O3·XSiO2化合物(见图2中暗灰色小颗粒区),微区成分分析结果表明,它们是AL2O3·XSiO2化合物,例如,其成分分析结果为:10.44wt%Si,36.21wt%Al,49.97wt%O。测定了它们的显微硬度,其平均值为HV1351,约为铝基体的20倍,故也会造成切削加工时的崩刀现象,并使刀具加快磨损。

 

 

3.3　富Ti化合物

有时在合金中的硬质点处还会出现不规则的条、块状富Ti化合物,它在金相组织中呈亮白色或灰白色条、块状,见图1,经对其微区成分分析,其结果约相当于Ti(AlSi)2化合物。经硬度测定,平均显微硬度为HV950,故它也是硬质点的一个组成部分。以上这几种金属杂质相的显微硬度约为铝基体硬度的9～15倍,故均会降低合金的切削性能。

4　夹杂物的来源及预防措施

4.1　夹杂物的来源

Al2O3夹杂物可能是由于液面或炉料表面的氧化膜进入铝液所形成,硬质点处存在有折叠膜片状、团絮状Al2O3即可作证明。当铝液温度较高或停留时间较长时,形成的Al2O3由较软的γ-Al2O3向坚硬的α-Al2O3(刚玉)转变,铝液中的Al2O3是二者的混合。目前,耐火炉衬中常含有较多的SiO2,它在高温下会与铝液发生反应,形成Al2O3·XSiO2复合化合物,而在炉壁上形成结瘤物,硅酸铝(Al2O3·XSiO2)夹杂物即可能来源于这种结瘤物。合金液中含有少量Mg,在铝液温度稍高时即优先氧化,而成为MgO·Al2O3化合物的来源。

在金属杂质相方面,金属中的Fe、Mn等元素有向铝液偏析的倾向,合金中Fe、Mn含量较高和铝液温度较低、停放时间较长时,这种偏析倾向也越强烈,易引起AlSiMnFe化合物在铝液底部析出、长大,此即合金中块状、条状AlSiMnFe化合物相的来源,合金中含Ti量较高时,Ti也有向下部偏析的倾向,而成为合金中富Ti化合物的来源;当合金成分中含Si量接近、超过共晶成分时,合金中就容易出现块状初晶硅相。

4.2　预防合金中产生夹杂物的措施

为了防止合金中的非金属夹杂物和金属杂质相,应采取以下措施:

1)炉料应无油污尘土,存放在干燥处,防止炉料淋雨受潮而在表面产生较厚的腐蚀层;

(2)小块碎料表面积大,带入氧化夹杂物多,不宜用作直接加入炉料;

(3)限制原材料中的含Fe量,其含Si量不宜接近或超过共晶成分,合金中的Mn、Ti含量也应保持在恰当的水平,还应控制原材料铝锭金相组织中的初晶硅数量不宜过多;

(4)合理选择坩埚及炉衬材料,防止坩埚上的Fe渗入铝液,以及铝液与耐火炉衬之间发生反应而产生大量结渣;

(5)应注意控制铝液的熔炼温度,在熔化阶段宜保持稍高的熔化温度,熔化后应避免加入冷料锭;

(6)采用旋转转子法(RID)吹氮(或氩)和喷射熔剂法(FI)等高效精炼方法精炼铝液;

(7)铝液停放时间不宜过长,坩埚底部的铝液不宜再浇注零件,并应按时清理炉壁、炉底的残渣;

(8)转注铝液时,应注意液流的平稳流动,防止飞溅,并应尽量减少转注的次数。

生产实际验证表明,采取上述措施后,对于消除铝合金压铸件中的硬质点和各种夹杂物,有良好的效果。以某铝合金压铸件为例,在半年多中,由于采取了以上措施,已基本消除了压铸件中的硬质点和基体材质较硬的现象,使国产压铸件的金相组织和切削性能,达到了进口件的水平,大大降低了机加工废品率和刀具的耗量。