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鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，其在降低運輸工具重量、降低能耗、減少排放等方面具有明顯的優勢，是汽車輕量化的首選材料。目前，汽車用鎂合金主要采用壓鑄成形，由于鎂合金壓鑄充型速度快，壓鑄件中卷入的氣體含量多，致使壓鑄件的力學性能偏低。此外，由于卷入的氣體在壓鑄件加熱時會引起膨脹，導致變形或開裂，因此無法通過熱處理進一步強化。近年來，真空壓鑄的發展在減少壓鑄件內氣體含量，提高壓鑄件性能方面起到了重要的作用。并且真空壓鑄和普通壓鑄方法一樣操作方便，不降低生產效率，其應用愈來愈廣泛。本文針對汽車轉向器殼體為研究對象，采用計算機數值模擬及熱處理研究了其真空壓鑄工藝及力學性能的變化規律。
1 試驗過程及方法
采用正交試驗法，通過計算機數值模擬研究澆注溫度、模具溫度和壓射速度對轉向器殼體壓鑄成形性能的影響，其模擬條件如表1 所示。模擬時考慮到慢壓射工藝參數的影響，通過坐標系轉換在Flow3d 軟件中實現了壓室與鑄件的結合，建立了帶有壓室填充的鑄件流體分析模型，如圖1 所示。慢壓射階段采用加速度為0.5 m/s2的勻加速運動，擬真空條件為型腔真空度為20 kPa，空氣系數為0.2。
圖1 帶有壓室填充的鑄件流體分析模型
試驗采用AZ91 合金作為轉向器殼體材料，壓鑄后采用線切割從殼體上截取板狀拉伸試樣，試樣標距為10mm，厚度為2mm，寬度為4mm。在CSS255100型電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，試驗采用每組測試3 根試樣，取其平均值作為結果。利用OLYMPUS BX60 型金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。壓鑄件的熱處理采用固溶(T4：410℃x10 h)和固溶+時效(T6：410℃x10 h+ 180℃x10 h)兩種工藝。
2 試驗結果與分析
2.1 正交模擬試驗結果與分析
表2 為轉向器殼體正交模擬實驗結果，由表2可知，壓鑄工藝參數對轉向器殼體的氣體卷入體積百分數的影響的主次順序為：澆注溫度、壓射速度、模具溫度，而對表面缺陷百分數的影響則是：澆注溫度、模具溫度、壓射速度。為了減少鑄件內的含氣量，選擇的最佳優化水平為A1B2C1，即澆注溫度為680益，模具溫度200℃，壓射速度為3.4 m/s。模擬得到的最佳工藝參數表明，在真空壓鑄條件下，當澆注溫度和壓射速度較低時，鑄件的氣孔缺陷較小。較高的壓射速度與澆注溫度會增加金屬的流動性，但會使金屬液在充型過程中易于卷氣，并且會引起鑄件粘模和沖擊鑄型，降低模具壽命，而且還會增加鎂合金在熔煉過程中由于高溫而造成的氧化。與普通壓鑄相比，由于真空壓鑄時模具型腔內處于高真空狀態，對金屬液有一定的吸附能力，從而增加金屬液流動性，因而可以采用較低壓射速度和澆注溫度。
2.2.1 鑄件外觀及組織觀察
在工藝參數為澆注溫度為680 益、模具溫度200℃、壓射速度為3.4 m/s 及真空度為20 kPa 的條件下，對轉向器殼體進行了壓鑄試驗。試驗結果表明，采用優化的工藝參數能夠使鑄件成形良好，鑄件表面光潔，輪廓完整(見圖2)。圖3 為普通壓鑄和真空壓鑄轉向器殼體的顯微組織。可以看出，真空壓鑄件的氣孔缺陷明顯減少，組織更加致密，細小的Mg17Al12相彌散分布于晶界。
圖3 鑄件顯微組織
2.2.2 力學性能
圖4 為普通壓鑄和真空壓鑄轉向器殼體的力學性能對比。可以看出，真空壓鑄能夠提高鑄件的拉伸力學性能，真空壓鑄后的鑄件拉伸力學性能為b =206.6MPa，s=155.8MPa，5=3.5%。與普通壓鑄件相比，分別提高了8.9%、3.7%和1.8%。真空壓鑄鎂合金鑄件的硬度達到79.5HBS，其比普通壓鑄提高了13.6%。上述性能的變化是由于真空壓鑄時抽出了型腔中的空氣，使得鑄件中出現氣孔缺陷的幾率大大降低，改善了鑄件的顯微組織，增加有效的承載面積，從而提高了鑄件的力學性能。
2.3.1 組織
圖5 為不同熱處理狀態下普通壓鑄和真空壓鑄鑄件的顯微組織。固溶處理后，Mg17Al12 相融入基體中，真空壓鑄件的固溶效果優于普通壓鑄，普通壓鑄件的組織中仍存在較多的Mg17Al12 相，且氣孔數量增多，而真空壓鑄件的組織基本形成了飽和固溶體(見圖5a 和圖5c)。固溶處理后再經時效處理時，Mg17Al12相又從基體中以連續和非連續形式析出，T6 處理后真空壓鑄件組織中的析出物比普通壓鑄時的更為均勻、彌散(見圖5b和圖5d)。
2.3.2 力學性能
不同熱處理狀態下普通壓鑄和真空壓鑄AZ91合金的拉伸力學性能如表3 所示。可以看出，與鑄態力學性能相比，T4 和T6 熱處理能夠進一步提高鑄件的力學性能，且熱處理對真空壓鑄件力學性能的改善作用更為明顯。T6 處理后真空壓鑄件的抗拉強度提高幅度為12.5%，而普通壓鑄件T6 處理后抗拉強度提高9.4%，并且熱處理后鑄件的伸長率也略有提高。
3 結論
(1)在真空度為20 kPa 的條件下，鎂合金轉向器殼體合適的壓鑄工藝參數為澆注溫度680℃、模具溫度200℃及壓射速度3.4 m/s。在此工藝參數下，鑄件成形良好，內部質量明顯提高，其力學性能可以達到σb=206.6MPa，σs=155.8MPa，σs5=3.5%和79.5HBS。
(2)熱處理可以進一步提高鑄件的力學性能，且對真空壓鑄件力學性能的改善作用更為明顯，經T6處理后真空壓鑄鎂合金轉向器殼體鑄件的力學性能可以達到σb=232.5 MPa，σs =169.1 MPa，δs=4.2%和81.4HBS，與鑄態合金相比，分別提高了12.5%，8.5%，7.1%和2.4%。
