离心铸造技术在铝硅合金结构构件生产中的优势G. Chirita, D. Soares, F.S. Silva*Mechanical Engineering Department, School of Engineering, Minho University, Campus deAzurem, 4800-058 Guimaraes, PortugalReceived 12 June 2006; accepted 12 December 2006Available -online- 28 December 2006文摘本文探讨了利用立式离心铸造工艺生产结构零件相比传统重力铸造法的力学性能优势。

我们对由离心力引发的材料机械性能中最重要的性质进行了分析。

也对离心铸造技术和重力铸造技术所获得的式样的机械性能进行了比较。

研究表明，离心铸造技术较重力铸造技术可以多提高材料强度35%，刚度160%。

弹性模量也多增了18%。

抗疲劳寿命延长了约1.5%，抗疲劳极限提高了45%。

因此，就获得机械性能及抗疲劳性能而言，离心铸造技术比重力铸造技术更有效。

前期效果随浇铸情况而变化，这是依据样品从浇铸地被拿开的相对位置而言的。

与旋转中心（更大的离心力或重力）相距越远，机械性能提高得越好。

于是，机械性能随旋转轴的转动而改变了，材料也就具备了梯度功能。

这种功效在不同部位所需不同组件的生产中可能是有用的。

引擎活塞就是一个潜在的应用示例。

在本文献中，我们也将展示离心铸造技术在这些结构零件生产中是如何有优势的。

@2006 Elsevier Ltd. All rights reserved关键词：离心浇注、铝硅合金、机械的、抗疲劳性质1.简介铝硅铸造合金作为结构材料的使用是基于它们的物理性质（主要受其化学组织影响）和机械性质的（受化学成分及微观结构影响）。

铝合金较高的比抗拉强度受其多元组织微观结构强烈影响。

特殊合金的机械性能有助于零件主要相位的物理性质，提高容积比和改善组织形态。

根据[1]铸造铝合金的抗拉性能和抗断裂性能，半固态A356合金和A357合金相当依赖二次枝臂间距（二次晶壁间距）、镁合金以及尤其是共晶硅和富铁金属间化合物的大小和形状。

所以，铝硅铸造合金的机械性质不仅依赖化学组织成分，而且更重要的是微观结构特征，如枝晶形态、α铝、共晶体硅粒以及其它出现在微观结构中的金属间化合物。

现有不同的方法来控制这些微观结构特征，例如通过引进特殊元素[2,3]来细化晶粒。

然而，提高铝硅铸造合金机械性质最常见的措施是改善浇铸技术[4]。

每种技术都有干扰微观结构和影响机械性能的地方。

传统的离心浇铸工艺主要用于得到圆柱部分。

实际上有两个基本类型的离心浇铸机：卧式，绕水平轴旋转的；立式，绕垂直轴旋转的。

卧式离心浇铸机一般用来做管材，管件，套管，汽缸套（衬层），以及形状简单的圆柱或管状铸件。

立式离心浇铸机的应用范围相对较广：齿轮毛坯、滑轮组、叶轮、电机转子、阀体、插头、轭、支架。

非圆柱形铸件，甚至对称的，可以立式离心铸造法。

离心铸造部分有很大程度上的冶金清理和均匀微观结构，而且它们在轧制的/焊接的或者锻造的部分没有明显的各向异性力学性能[5,6]。

离心浇铸也是一种常见的获取梯度功能材料的方法，主要合成像碳化硅增强的绿基功能梯度材料或纳米材料，这种纳米材料在不同阶段具备高差异性的密度和低溶解度或者有同一合金[2]的不同材料。

可是，还没有研究肯定这个事实，即离心工艺可以成功地用来获得梯度功能材料和具有高溶解度及密度在不同阶段的差异性小的金属材料（合金），如硅铝合金。

本文的的目的是为了强调离心技术可以有效地获取梯度功能材料，而且这些材料和技术，尤其是铝硅合金，可能是一种非常有用的结构零件设计工具。

此外，当前还没有可靠及廉价的能够满足零件的批量生产的梯度功能材料制作方法。

现在的制作方法包括凝固工艺，化学气象沉积法，喷雾雾化沉积法以及粉末冶。

这些也许就是通过离心铸造[7]获得梯度功能材料的最经济最具吸引力的加工路线。

2.试验方法及原材料2.1原材料用于铸造的是一种由如下元素组成的AS12UN铝合金：含铁0.750%，含硅-(11.50-13.00)%，含锌0.20%,含镁-(0.75-1.30)%，含镍(0.80-1.30)%,含铅0.10%，含锡0.05%,含钛0.20%。

2.2方法把原材料在670度高温下熔化然后倒进已预热至130度的永久模具中。

一个高频感应离心浇铸炉（Titancast 700 mP Vac, from Linn High Term, 德国）配备了真空室，用于熔化及浇铸样品。

这个系统把金属液（炉缸）和模具定位在离心臂（见图1b）里绕一个中心轴旋转。

重达约140克的原材料用于每次试验，试验都是在真空条件下进行的。

对于离心铸造，当模具绕浇铸机的中心轴旋转时，熔化的铝液被倒入型腔。

浇铸工艺示意图见图1。

尽管重力浇铸是用了与离心浇铸中相同的感应真空熔化设备，但是在这种情况下，金属溶液是人工倒入模具中（见图1）。

切割三个拉伸试样的铸件来比较铸锭（见图2）在不同地方的铝合金的机械性质。

把经两种加工方法得来的圆形试样进行抗疲劳测试（见图3）。

拉伸试验在一个Dartec拉力试验机里室温下进行的，而抗疲劳试验是在室温下的一个回转弯曲疲劳试验机里进行的，并且是在不同的最大应力水平来获得S-N曲线。

从离心浇铸和重力浇铸的位置2处各取一个微元。

拉伸试验的位置2与抗疲劳试验的位置选取点相符。

二次枝晶间距是通过光学显微镜来测出来的。

3.结果结果显示在图5a-b及图6中。

拉伸试验的结果可以总结如下：●在离心铸造里的断裂强度显示出一个从位置3增加到位置1的趋势。

而在重力铸造中的不同位置的试验并没有本质上的差异（见图5）。

●离心铸造的断裂应变中显示出一个很大的从位置3增加到位置1 的趋势。

而在重力铸造中仍然没有大的变化（见图5b）。

●在离心铸造中的杨氏模量也显示出一个从位置3增加到位置1的趋势。

而在重力铸造依然没有大的变化。

●与重力铸造相比，离心铸造工艺在任何位置的所有机械性质都要好些（见图5a-b及图6）。

●在位置1的初步差异达到断裂强度提高约35%，断裂应变提高约160%,杨氏模量提高约18%。

●在所有负荷水平下，离心铸造试样比重力试样有一个叫较长的疲劳寿命（见图7）。

两种铸造技术的3个不同位置的二次枝晶间距如图8所示。

二次枝晶间距的结果可以总结如下：●离心铸造的二次枝晶间距比重力铸造的低。

●在两种铸造技术里二次枝晶间距都从位置1增加到位置3.4.讨论从结果中我们可以很清楚的知道离心铸造技术大幅度的提高了金属的机械性能及疲劳性能。

它们的提高是经过整个铸造过程而不仅仅是某一个方面的观察核实的，这种核实是很重要的。

对于金属性能的提高的绝对价值同样是很重要的，因为这给予了离心铸造技术一个很重要位置去替代传统的重力铸造技术。

事实上，当机械性能需要提高时，其它技术就被运用了以及最常见的就是挤压铸造法。

在文献[8]中可以得知当用挤压铸造法来代替重力铸造时，对于锌铝合金，屈服极限提高了约11.7140%，这取决于合金，它的疲劳极限提高了约8-40%。

在另一项研究中[9]，与重力铸造相比，在铝硅合金(AA356)里显示出挤压铸造法将其抗裂强度提高了15%，抗裂应变提高了720%。

在本文的研究中，通过离心工艺，铸件一端的抗拉强度提高了35%，另一端提高了28%。

断裂应变提高了约160%，疲劳极限提高了45%（在位置2处）。

在位置1，差异性更大（见如下解释）。

就疲劳寿命而言，S-N曲线及主疲劳极限σw,有三个基本理论[10]。

第一个也很可能是最常用的一个，联系着材料的疲劳极限σw与静强度极限σu。

第二个理论使材料的疲劳极限与维氏硬度相互关联。

第三个联系疲劳极限与材料上的气孔、杂质或是一些脆弱相的大小。

对于铝合金，这样的三个理论使强度极限与气孔的大小相关联，而对于某些合金，它们的强度极限是与硅粒子大小相关的。

理论1：σw=0.5σu ；理论2：σw=1.6H V+0.1H v；理论3：σw=（√area）;在本文有关合金的研究中，我们很清楚的知道疲劳极限σw与强度极限σu有很好的相关性（见图9）。

拉伸试验的价值就在于对位置2处的分析，因为它选择的这个位置与铸件做疲劳测试的试样上的选取点是相同的。

基于这种相关性以及由于与重力铸造相比，静力拉伸的结果使离心铸造后的铸件上的每个位置的性能得到改善，我们就有理由希望离心铸件上的所有地方的疲劳性能比重力铸件上的要好些。

这很明显的证明了铸件的一个方面，即它的疲劳寿命提高了约300%，疲劳极限提高了大约50%。

如果与其它铸造技术相比，在文献[10]里的铝-7硅-0.3镁-锑6的合金的铸造中我们可以看出，与重力铸造比，挤压铸造法多提高疲劳极限约18%。

在本文的研究中，离心技术促进疲劳极限提高了45%之多，如先前所见（见图7）。

尽管比较不同的铝合金不可能，因为每一种铝合金对每一种铸造技术有不同的敏感性，但是我们很清楚的是因离心浇铸而带来的金属性能的提高是事实，并且离心铸造技术有可能被选来替代传统的重力铸造，至少在一些铝合金的铸造中时可行的。

写本文的目的不是为了得到离心铸造技术在微观结构以及合金的机械性能上的影响的一个定量解释。

据对图4上的微元的微观组织的观察显示，离心铸造和重力铸造在各个阶段（枝晶阶段，共硅金阶段以及金属间化合物阶段）有差异。

可是，首选，金属相数与机械性能没有确切的相关性。

其次，对于因离心力的影响导致微观组织的改变还没有一个好的解释。

一些研究表明，在枝晶叉间隔（简称DAS）与强度极限[2,3,12]之间以及枝晶叉间隔与疲劳极限之间存在某种相关性.其它的研究[13]则表明，共金硅、金属间化合物以及硅相形状之间也存在一种关联。

然而，初看二次枝臂间距及拉伸试验结果，它显示出二次枝臂间距与断裂强度和断裂应变之间存在明显的关联。

当二次枝臂间距增加时，断裂强度和断裂应变也都跟着增加，这已经被普遍接受。

观察图8可知，离心铸造技术的二次枝臂间距比重力铸造技术的低（这意味着更好的断裂强度和应变）。

此外，断裂强度和应变都从位置3处增加到位置1处，同时二次枝臂间距以相同的幅度减少。

因此，二次枝臂间距似乎与机械性能之间有很好的相关性。

然而，为了深入了解铝合金里的所呈现的机械性能和相数之间的关系，我们还需要做进一步的研究。

对于离心现象的理解，本文的作者正在对微观组织上被测试的不同变量的影响进行一项更宽的研究，即：—浇铸过程中的模具上的不同点的温度曲线的测量所显示的流体动力学行为。

—通过有限元方法进行流体动力学分析。

此外，微观组织的机械性能的影响正通过如下方法进行研究：—铸造过程中的化学分析。

—铸件离心力方向上的不同阶段的定量金相分析。