摘　要　從合金液的流動和壓力損失的角度，研究了兩種擠壓鑄造方式對ZA43合金力學性能的影響。結果表明：沖頭式擠壓鑄造使合金液反向充型流動，改善了ZA43合金的凝固條件，有利于補縮，且壓力損失小。柱塞式擠壓鑄造雖然也加強合金液流動，但沒有宏觀的充型運動，且壓力損失大。為獲得高塑性ZA43合金鑄件，柱塞式擠壓鑄造所需的比壓比沖頭式擠壓鑄造的大得多。
關鍵詞：擠壓鑄造　ZA43合金　力學性能　比壓

近年來，高鋁鋅合金發展很快，應用范圍逐漸擴大。鋅鋁合金在一般鑄造條件下易出現縮孔縮松等缺陷，其塑性低，韌性差，限制了其應用。擠壓鑄造是在機械壓力的作用下，進行充型、凝固、補縮和塑性變形的過程，從而獲得力學性能優良鑄件的一種工藝方法。按擠壓力對液態金屬的作用形式，可將擠壓鑄造分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造兩大類［1］。高徑比較小時，文獻［2］推導了擠壓鑄造的臨界比壓公式。本文研究了直接擠壓鑄造中柱塞式擠壓鑄造和沖頭式擠壓鑄造兩種擠壓鑄造方式對ZA43合金力學性能的影響，并從合金液流動和凝固補縮的角度探討了兩種擠壓鑄造方式的過程原理，分析了兩種擠 壓鑄造方式的臨界比壓。

1　試驗條件及方法

在1 000 kN液壓機上進行擠壓鑄造。柱塞式擠壓鑄造φ40 mm×120 mm的圓棒，沖頭式擠壓鑄造φ90 mm/φ60 mm×120 mm的筒形件。在石墨坩堝電阻爐內熔煉ZA43合金，合金基本成分(質量分數)為：43%的Al、1.6%的Cu、0.02%的Mg，其余為Zn。柱塞式擠壓鑄造工藝參數為：比壓150～750 MPa，模溫140～180℃，澆溫620～640℃，保壓時間35 s。沖頭式擠壓鑄造工藝參數為：比壓75～150 MPa、保壓時間25 s，其余參數同前。沖頭式擠壓鑄造從鑄件的本體截取長方形試塊，柱塞式擠壓鑄造出φ40 mm圓棒，二者均 加工成直徑10 mm、標距50 mm的標準拉伸試樣。

2　試驗結果

柱塞式擠壓鑄造和沖頭式擠壓鑄造ZA43合金力學性能如表1所示。從表1可知，擠壓鑄造ZA43合金的力學性能較金屬型鑄造顯著提高。在150 MPa比壓下，沖頭式擠壓鑄造的力學性能明顯優于柱塞式擠壓鑄造。柱塞式擠壓鑄造的比壓為250 MPa時，抗拉強度440 MPa，伸長率8%。當比壓增加到500 MPa時，抗拉強度達到450 MPa，伸長率16%。進一步增加比壓，強度、硬度略有增加，伸長率卻有所下降。沖頭式擠壓鑄造的比壓為100 MPa時，伸長率為16%；比壓為150 MPa時，抗拉強度達415MPa，伸長率提高到19%。由此說明獲得高塑性的ZA43合金鑄件，柱塞式擠壓鑄造需要的比壓較沖頭式擠壓鑄造大得多。

表1　不同成型條件下ZA43合金的力學性能

3　分析討論

3.1　兩種擠壓鑄造方式下合金液的充型及凝固過程

柱塞式擠壓鑄造合金液不發生宏觀的充型運動，但加強了合金液的流動，其凝固過程可由圖1表示。合金液澆入凹型后，形成一薄的敞口凝固層(圖1a)，沖頭下端面接觸合金液后迅速形成一薄凝固層(圖1b)。而后沖頭開始加壓(圖1c)，合金液承受來自側面凝固層塑性變形傳遞的壓力，凝固區域受到來自液相區和固相區的壓力。凝固收縮時，合金液在壓力的作用下進行凝固補縮促進了枝晶間合金液的流動。同時凝固前沿向中心推移，直到凝固結束(圖1d)。ZA43合金結晶溫度范圍寬，枝晶間補縮較困難。

a，澆注后　b，擠壓開始c，擠壓過程中d，擠壓結束
圖1　柱塞式擠式鑄造合金液的凝固過程

沖頭式擠壓鑄造發生部分合金液的充型運動，其充型及凝固過程可由圖2表示。合金液澆入型腔后，也迅即形成一薄凝固層(圖2a)。沖頭下端面接觸合金液后開始充型運動(圖2b)，沖頭和型壁之間的型腔成為合金液流動的通道。合金液在沖頭作用下，在通道內反向于加壓方向產生強烈的流動。合金液上升到與上模壁接觸后，被迫向下折轉形成鑄件的上端面。沖頭一側合金液流動的同時，凹型壁面凝固層前沿的合金液也在沖頭的作用下反向流動，其速度慢，兩股液流在高于原合金液自由表面對接而上。如果模溫和澆溫高，則熔合在一起，反之在鑄件外周形成冷隔。充型過程中，由于合金液強烈流動的結果，使得澆注時形成的自由凝固層被沖刷，有利于枝晶熔斷、脫落；同時由于ZA43合金凝固區域寬，加劇了這一過程的進行，從而改變了ZA43合金的凝固特性。合金液在沖頭正壓力和側壓力的作用下凝固(圖2c)，合金液沿著型壁和沖頭側面相對向壁厚中心推移，合金液也在壓力作用下進行凝固補縮，直至凝固結束(圖2d)。

a，澆注后　b，擠壓開始c，擠壓過程中d，擠壓結束
圖2　沖頭式擠壓鑄造合金液的流動及凝固過程

3.2　兩種擠壓鑄造方式的臨界比壓

擠壓鑄造的臨界比壓指實現完全補縮所需的比壓。它主要包括擠壓鑄造過程中克服凝固殼層的塑性變形抗力及塑性變形使沖頭和凹型與上、下凝固層接觸表面、沖頭位移使型芯壁與凝固層接觸表面、型壁側向壓應力使型壁與凝固層接觸表面等產生的摩擦阻力所造成的壓力損失。經推導［3］得出兩種擠壓鑄造方式的臨界比壓表達式。

柱塞式擠壓鑄造圓柱形鑄件，凝固層由型壁向中心推移，其臨界比壓(P01)為：

(1)

柱塞式擠壓鑄造圓筒形鑄件，凝固層分別由型壁向內和模芯表面向外相對向壁厚中心推移，忽略內外表面散熱條件的差異，最后凝固部位在壁厚中心。則其臨界比壓(P02)為：

(2)

沖頭式擠壓鑄造圓筒形鑄件，內沖頭與凝固層同時下移，且可從側面傳遞壓力，壓力損失小。其臨界比壓(P03)為：

(3)

式中　σs--合金材料高溫屈服強度，除了合金本身外還與凝固殼層內平均溫度有關
m1,m2--圓柱形和圓筒形鑄件高度與壁厚之比(簡稱高厚比)
k1--擠壓鑄件的密實密度ρs與合金液的密度ρ1之比
μ--鑄型型壁與凝固殼層接觸面的摩擦系數
k--型壁側向壓應力與正向壓應力之比
k2--圓筒形鑄件內、外徑之比

由式(1)、式(2)和式(3)可知，擠壓鑄造鑄件的高厚比對臨界比壓的影響特別大，隨著高厚比的增大，壓力損失急劇增加，因而需要更大的比壓。因此在0.25≤m1(或m2)≤0.5時，可忽略壓力損失的影響，但在m1(或m2)＞1，壓力損失的影響不能忽略。

比較式(1)和式(2)可知，高厚比(m1=m2)相同時，柱塞式擠壓鑄造圓柱形鑄件的臨界比壓比圓筒形鑄件大。比較式(2)和式(3)可知，沖頭式擠壓鑄造的臨界比壓較柱塞式擠壓鑄造小。根據試驗數據，k值的范圍為0.1～0.3?？紤]到擠壓鑄造方式對凝固過程的影響，實際上柱塞式擠壓鑄造的臨界比壓比沖頭式擠壓鑄造大得多。對于柱塞式擠壓鑄造圓柱形鑄件k取上限值，沖頭式擠壓鑄造圓筒形鑄件k取下限值，柱塞式擠壓鑄造圓筒形鑄件的k值介于兩者之間。

4　結　論

(1) 沖頭式擠壓鑄造在較低比壓時即可獲得高塑性的鑄件，柱塞式擠壓鑄造則需很大的比壓才可得到較好塑性的鑄件。
(2) 沖頭式擠壓鑄造形成合金液的強烈流動，有利于枝晶熔斷、脫落，改善了凝固條件。柱塞式擠壓鑄造雖然也加強了合金液流動，但沒有宏觀的充型運動。因而對凝固溫度范圍寬的ZA43合金，要實現完全補縮，柱塞式擠壓鑄造需更大的比壓進行凝固補縮。
(3) 從推導的兩種擠壓鑄造方式的臨界比壓表達式可知，高厚比對臨界比壓的影響很大。在高厚比相同時，柱塞式擠壓鑄造的臨界比壓大于沖頭式擠壓鑄造，圓柱形鑄件的臨界比壓大于圓筒形鑄件。

作者簡介：于海朋，男，1945年出生，教授，沈陽工業大學材料強度研究室，沈陽市鐵西區興華南街58號(110023)
作者單位：于海朋　張尚洲　李榮德　于寶義　孫立濤　沈陽工業大學

參考文獻

1　齊丕驤.擠壓鑄造.北京：機械工業出版社，1984.
2　羅守靖.鋼質液態模鍛.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1990.
3　張尚洲.擠壓鑄造ZA43合金的研究：［碩士學位論文］.沈陽：沈陽工業大學，1999.