《工程科学学报》：冷冻铸造铝合金微观组织分析.pdf_大学文库

《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.01.16.002©北京科技大学2020 冷冻铸造A356铝合金微观组织分析杨浩秦13，单忠德3，刘丰23，王怡飞23 (1.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京，210016：2.机械科学研究总院集团有限公司，北京，100044 3.先进成形技术与装备国家重点实验室，北京，100083) 摘要：本文基于数字化无模冷冻铸造精密成形技术实现了冷冻砂型的快速成形，对其浇注A356高温铝合金获得冷冻铸造平板试件。采用电子探针显微分析技术对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件微量元素的分布进行了表征，同时对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件断裂形貌进行了分析。结果表明，冷冻铸造S元素在铝基体相中的溶解度较树脂砂型铸造显著提高，冷冻铸造较树脂砂型铸造试件中Mg元素分布均匀，树脂砂型铸造试件中出现较多的Mg元素成分偏析区：冷冻铸造试件断口形貌为韧性和脆性的混合断裂模式，树脂砂型铸造试件的断裂形貌为解理台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，合金偏向于脆性海关键词：诊冻铸造：模成形：：无模成形，一绿色铸造：一成分分布：：断日形貌中图法分类号：TG146.22文献标识码：A文章编号： Microstructure analysis of freeze-cast A356 aluminum alloy YANG Haoqin 3,SHAN Zhongde,LIU Feng2,WANG Yifei2 (1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,College of Materials Science and Technology,Nanjing,210016;2.China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.Itd,Beijing,10044 3.State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment,Beijing,100083) Abstract:In combination with the digital and green development needs of the foundry industry,this article innovatively proposes a digital patternless freezing casting method.The principle is that the mixed water green sand particles are frozen and transformed to a certain strength in a low temperature environment. and then directly cut through the sand mold CAD three-dimensional model.Pouring to obtain castings with dimensional accuracy that meets the requirements.it is a new technology,new process and new method in the field of casting.With the rapid development of rapid and sub-rapid solidification technology of metals. the noqi solidificationthyof liquid-solid transformationuring thepreparation of metals and alloy materials has been developed by leaps and bounds.Using some special non-equilibrium solidifcation techniquemetal parts,and to make the metal parts have a special structure and structure that traditional casting does not have,is a way to improve the properties of materials and structures.The non-equilibrium solidification mechanism based on the freezing casting technology is not clear yet.based on the non-equilibrium solidification process of the freezing casting principle,a higher cooling rare win significantly affect the heat transfer and mass transfer behavior of the casting during solidification,and then have a significant impact on the alloy micro-component distribution and fracture morphology,and ultimately affect the service performance of the alloy material.Based on the digital precision forming technology of patternless frozen casting.this paper realized the rapid forming of frozen sand mold,the frozen casting flat castings were obtained by pouring A356 high temperature aluminum alloy.The distribution of trace elements in frozen casting and resin sand casting castings was characterized by electron probe microanalysis,and the fracture morphology of frozen casting and resin sand castings was analyzed.The results show that the solubility ement in aluminum matrix phase of freeze casting is significantly higher than that of r and casting the distr of Mg element in freeze casting is more uniform than that in resin sand casting,and there are more segregati areas of Mg element composition in resin sand casting specimens.The fracture morphology of freeze-cast specimens is a mixed fracture mode of toughness and brittleness,while the fracture morphology of resin sand casting specimens is cleavage step failure morphology and rectangular tear structure

冷冻铸造 A356 铝合金微观组织分析杨浩秦 1,3，单忠德 1,3，刘丰 2,3，王怡飞 2,3 (1.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京，210016；2.机械科学研究总院集团有限公司，北京，100044 3.先进成形技术与装备国家重点实验室，北京，100083）摘要：本文基于数字化无模冷冻铸造精密成形技术实现了冷冻砂型的快速成形，对其浇注 A356 高温铝合金获得冷冻铸造平板试件。采用电子探针显微分析技术对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件微量元素的分布进行了表征，同时对冷冻铸造和树脂砂型铸造铸件断裂形貌进行了分析。结果表明，冷冻铸造 Si 元素在铝基体相中的溶解度较树脂砂型铸造显著提高，冷冻铸造较树脂砂型铸造试件中 Mg 元素分布均匀，树脂砂型铸造试件中出现较多的 Mg 元素成分偏析区；冷冻铸造试件断口形貌为韧性和脆性的混合断裂模式，树脂砂型铸造试件的断裂形貌为解理台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，合金偏向于脆性断裂。关键词：冷冻铸造; 模成形; ；无模成形；绿色铸造; ；成分分布; ；断口形貌中图法分类号：TG146.22 文献标识码： A 文章编号： Microstructure analysis of freeze-cast A356 aluminum alloy YANG Haoqin1,3, SHAN Zhongde1,3, LIU Feng2,3, WANG Yifei2,3 (1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,College of Materials Science and Technology, Nanjing, 210016; 2.China Academy of Machinery Science and Technology Group Co.Itd, Beijing ,100044; 3. State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment, Beijing ,100083) Abstract: In combination with the digital and green development needs of the foundry industry, this article innovatively proposes a digital patternless freezing casting method. The principle is that the mixed water green sand particles are frozen and transformed to a certain strength in a low temperature environment, and then directly cut through the sand mold CAD three-dimensional model. Pouring to obtain castings with dimensional accuracy that meets the requirements, it is a new technology, new process and new method in the field of casting. With the rapid development of rapid and sub-rapid solidification technology of metals, the non-equilibrium solidification theory of liquid-solid transformation during the preparation of metals and alloy materials has been developed by leaps and bounds. Using some special non-equilibrium solidification techniques to prepare metal parts, and to make the metal parts have a special structure and structure that traditional casting does not have, is a way to improve the properties of materials and structures. The non-equilibrium solidification mechanism based on the freezing casting technology is not clear yet, based on the non-equilibrium solidification process of the freezing casting principle, a higher cooling rate will significantly affect the heat transfer and mass transfer behavior of the casting during solidification, and then have a significant impact on the alloy micro-component distribution and fracture morphology, and ultimately affect the service performance of the alloy material . Based on the digital precision forming technology of patternless frozen casting, this paper realized the rapid forming of frozen sand mold, the frozen casting flat castings were obtained by pouring A356 high temperature aluminum alloy. The distribution of trace elements in frozen casting and resin sand casting castings was characterized by electron probe microanalysis, and the fracture morphology of frozen casting and resin sand castings was analyzed. The results show that the solubility of Si element in aluminum matrix phase of freeze casting is significantly higher than that of resin sand casting, the distribution of Mg element in freeze casting is more uniform than that in resin sand casting, and there are more segregation areas of Mg element composition in resin sand casting specimens. The fracture morphology of freeze-cast specimens is a mixed fracture mode of toughness and brittleness, while the fracture morphology of resin sand casting specimens is cleavage step failure morphology and rectangular tear structure 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.16.002 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿

morphology.and the alloy tends to brittle fracture. Key words:Ereezen Casting:Patternless- ming;-Pattemless forming:Green casting;Composition distribution;Fracture morphology 与冷却速度之间呈指数函数关系，SDAS的减 0引言小引起抗拉强度和延伸率的增加环境问题的日益严重和人们环保意识的 Hs,Kobayashi T和Li采用快速凝固技术及罐逐渐增强，促进了绿色成形制造技术的发展土元素变质技术制备的A359和A357铝合金，。传统铸造工艺存在工序多、制模周期长、其基体相a-A1的二次枝晶臂间距显著减小，成本高、尺寸精度差、资源浪费大、废弃物排共晶硅相的外貌形态由粗大的片层状转变为放多等突出问题。国防军工、航空航天等领细针状，同时Mg、Si、Ti等溶质原子在AI基域重大工程与装备开发对关键零部件尺寸精体相中的溶解度显著提高以此方法制备的度、表面质量、力学性能等要求苛刻，也已成系列铝硅合金的力学性能得到显著提高为制造业亟待攻克的技术瓶颈与艰难挑战，。 7,1。Jiang采用消岁浩制备的A356 因此，开发绿色铸造新技术、新工艺和新装备铝合金在铸态和6热感杰下的微观组织一减少资源消耗，提高材料利用率，提高铸件拉仲性能以及拉伸豚行了研究，消失模品质及性能，实现传统铸造工艺绿色化突破声型铸造A3儡金拉伸断口为具有准解与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续理面和靓窝形貌混合断口，最终表现为学发展迫在眉睫1。数字化无模冷冻铸造技术面消失模铸造A356铝合金拉伸可实现多品种复杂金属结构件的绿色化、柔性的脆性断口，因此采用一些快速化及高精高效生产。冷冻铸造是一种新型的绿可以显著提升溶质固溶度和铸件断色铸造成形方法，采用水做铸造用粘接剂。深 9。本文采用冷冻铸造方法制备铝合入研究金属构件在冷冻砂型中的非平衡凝固金式件，是一种新型绿色铸造成形方法，基特性及力学行为，对促进新型铸造技术、绿色王冷冻铸造技术的非平衡邂固机制尚不洁晰。铸造理论体系的发展有着重大意义。随着金基王研究基于冷冻铸造原理的非平衡凝固过属快速、亚快速凝固技术的迅速发展，金属及程中，较高的冷却速率会显著影响铸件凝固合金材料的制备过程中固液相变的非平衡凝过程的传热及传质行为，进而对合金微观成固理论得到长足的发展。采用特殊的非平分分布及断裂形貌产生显著影响，最终影响衡凝固技术去制备金属件并且使金属件具合金材料的服役性能。A356铝合金强度高，备传统铸造不具备的特异的组织与结构，是塑性好，具有自然时效能力，适合于飞机、轮目前改善材料与组织性能的种方式。铸造船及汽车上的一些高性能复杂铸件的制造 A356铝合金力举姓能注要取决王显微组织中 2o,因此本文选用A356铝合金作为冷冻铸造各相形态、大小及街21)，A356合金快速过试验材料。采用重力铸造法在冷冻砂型、树脂程中结晶潜漤程放较快，导致高温合金熔体砂型中分别浇注A356铝合金高温熔体制备不中的A原散付程受阻，初生α-A1相的长同凝固速率下的铝合金试件，通过对比分析大得到有效物制，最终获得细小的α-AL枝晶微观元素分布及断口形貌，揭示金属件冷冻相，因此提高凝固冷却速率可显著隆低初生铸造的强韧化机理，实现冷冻铸造高性能铸 @-A1相二次枝晶臂间距(SDAS)4。Rios51采件的材料-组织-性能一体化调控。在外力的拉用快速凝固技术发现A359铝合金的初生Q-A1 伸作用下，A356铝合金的裂纹萌生与发展和相的一次枝晶臂间距显著减小。同时有研究表初生a-A1和共晶Si的形态及分布有直接关系，明，铸件a-A1相的SDAS大小直接依赖于合在不改变A356铝合金的结构特点的情况下，金的冷却速度和温度梯度，二次枝晶臂间距充分研究抗拉试样的断口断裂形貌中的基本信息，这对A356铝合金的应用具有重要意义收稿日期：2021-01-15 基金项目：国家杰出青年料学基金(51525503) 通过电子探针显微分析和扫描电镜对铝合金

morphology, , and the alloy tends to brittle fracture. Key words: Freezen Casting;Patternless forming; Patternless forming; Green casting; Composition distribution; Fracture morphology 0 引言 环境问题的日益严重和人们环保意识的逐渐增强，促进了绿色成形制造技术的发展 [1,2]。传统铸造工艺存在工序多、制模周期长、成本高、尺寸精度差、资源浪费大、废弃物排放多等突出问题[3-6]。国防军工、航空航天等领域重大工程与装备开发对关键零部件尺寸精度、表面质量、力学性能等要求苛刻，也已成为制造业亟待攻克的技术瓶颈与艰难挑战[7,8]。因此，开发绿色铸造新技术、新工艺和新装备减少资源消耗，提高材料利用率，提高铸件品质及性能，实现传统铸造工艺绿色化突破与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续发展迫在眉睫[9,10]。数字化无模冷冻铸造技术可实现多品种复杂金属结构件的绿色化、柔性化及高精高效生产。冷冻铸造是一种新型的绿色铸造成形方法，采用水做铸造用粘接剂。深入研究金属构件在冷冻砂型中的非平衡凝固特性及力学行为，对促进新型铸造技术、绿色铸造理论体系的发展有着重大意义[11]。随着金属快速、亚快速凝固技术的迅速发展，金属及合金材料的制备过程中固液相变的非平衡凝固理论得到长足的发展。采用一些特殊的非平衡凝固技术去制备金属件，并且使金属件具备传统铸造不具备的特异的组织与结构，是目前改善材料与组织性能的一种方式。铸造 A356 铝合金力学性能主要取决于显微组织中各相形态、大小及分布[1 2 ,1 3 ]。A356 合金快速过程中结晶潜热释放较快，导致高温合金熔体中的 Al 原子扩散过程受阻，初生 ɑ-Al 相的长大得到有效抑制，最终获得细小的 ɑ-Al 枝晶相，因此提高凝固冷却速率可显著降低初生 ɑ-Al 相二次枝晶臂间距（SDAS）[1 4 ]。Rios[1 5 ]采用快速凝固技术发现 A359 铝合金的初生 α-Al 相的二次枝晶臂间距显著减小。同时有研究表明，铸件 ɑ-Al 相的 SDAS 大小直接依赖于合金的冷却速度和温度梯度，二次枝晶臂间距 收稿日期：2021-01-15 基金项目：国家杰出青年科学基金（51525503）与冷却速度之间呈指数函数关系，SDAS 的减小引起抗拉强度和延伸率的增加 [1 6 ]。Kobayashi T 和 Li 采用快速凝固技术及稀土元素变质技术制备的 A359 和 A357 铝合金，其基体相 α-Al 的二次枝晶臂间距显著减小，共晶硅相的外貌形态由粗大的片层状转变为细针状，同时 Mg、Si、Ti 等溶质原子在 Al 基体相中的溶解度显著提高，以此方法制备的系列铝硅合金的力学性能得到显著提高 [127 ,138 ]。Jiang 采用消失模壳型铸造制备的 A356 铝合金在铸态和 T6 热处理态下的微观组织、拉伸性能以及拉伸断口进行了研究，消失模壳型铸造 A356 铝合金拉伸断口为具有准解理面和韧窝形貌的混合断口，最终表现为穿晶断裂模式。而消失模铸造 A356 铝合金拉伸断口为明显的脆性断口，。因此采用一些快速凝固技术可以显著提升溶质固溶度和铸件断口形貌[1 4 9 ]。本文采用冷冻铸造方法制备铝合金试件，是一种新型绿色铸造成形方法，基于冷冻铸造技术的非平衡凝固机制尚不清晰。基于研究基于冷冻铸造原理的非平衡凝固过程中，较高的冷却速率会显著影响铸件凝固过程的传热及传质行为，进而对合金微观成分分布及断裂形貌产生显著影响，最终影响合金材料的服役性能。A356 铝合金强度高，塑性好，具有自然时效能力，适合于飞机、轮船及汽车上的一些高性能复杂铸件的制造 [20 ]，因此本文选用 A356 铝合金作为冷冻铸造试验材料。采用重力铸造法在冷冻砂型、树脂砂型中分别浇注 A356 铝合金高温熔体制备不同凝固速率下的铝合金试件，通过对比分析微观元素分布及断口形貌，揭示金属件冷冻铸造的强韧化机理，实现冷冻铸造高性能铸件的材料-组织-性能一体化调控。在外力的拉伸作用下，A356 铝合金的裂纹萌生与发展和初生 α-Al 和共晶 Si 的形态及分布有直接关系，在不改变 A356 铝合金的结构特点的情况下，充分研究抗拉试样的断口断裂形貌中的基本信息，这对 A356 铝合金的应用具有重要意义通过电子探针显微分析和扫描电镜对铝合金录用稿件，非最终出版稿

微观成分分布和断裂形貌进行研究，表征不 frozen sand mold 同凝固速率下的断口形貌，推断其断裂方式， 1.2试验方法为该材料的应用提供一定的参考数据和设计对A356铝合金高温熔体采用精炼除气工依据。艺（包括未除气精炼）浇注的薄板试件进行 1试验材料及方法切割、打磨、抛光，并采用激光共聚焦表征不 1.1试验材料同精炼温度条件下的气孔缺陷的多少，研究本次实验所测试的冷冻砂坯是预混4M. 不同精炼温度对A356铝合金试件内部气孔缺 %水的100目普通硅砂颗粒在-20℃下冻结后陷的影响规律，确定合适精炼工艺。铝合金高制备的。树脂砂型铸造型砂颗粒采用100目硅温熔体的精炼过程可以有效排除铸件内部的砂颗粒，同时混合2w%的酚醛树脂制备树气孔、杂质等缺陷，本研究采用C,CL。精炼剂脂砂坯，通过数字化无模铸造精密成形机对对A356铝合金的熔炼过程进行化学除气及精冷冻砂型和树脂砂型进行加工，对数字化无炼处理，采用0.56C⊙分别在模铣削加工的冷冻砂型和树脂砂型进行A356 750℃、720℃和690℃三个精陈温度下对A356 铝合金轮毅平板件浇注试验。冷冻砂型数字化铝合金高温熔体进行C6除气精炼处理，在无模成形过程如图1所示，制备的冷冻砂型 650℃的浇注温度下制备测试铸件气孔密度的和树脂砂型尺寸为120×60x20mm。A356铝合试样，然后根据浇注试样中气孔缺陷密度大金化学成分如表1所示。小，优选出适宜的貂合金除气精炼温度，最大限度减少铸件凝固缺陷。滚用电子探针显微分析(EPMA)对冷冻铸造和树脂砂型铸造的A356铝合金的微观成分分布进行扫描分析。EPMA的原理是用聚焦电子束照射到A356铝合金表面，将产生的 X射线的特征谱线进行波长和强度测试，然后对其照射区域内元素类别进行测试。图1冷冻砂型数字化无模切削过程采用Quanta FEG扫描电镜(SEM)对冷 Fig.1 Digital Patternless cutting process of 冻铸造和树脂砂型铸造A356铝合金试样的抗拉断裂断口形貌进行观察。。一用稿 A356铝合金主要化学成分(wt%) Chemical Composition of A356 Aluminum Alloy(wt%) Si Fe Cu n A 724 0.324 0.192 0.154 0.007 0.012 The Rest 724 0324 0192 0-154 0.007 0.012 The Rest 2实验结果及讨论 2.1A356铝合金熔体精炼及气孔分析

微观成分分布和断裂形貌进行研究，表征不同凝固速率下的断口形貌，推断其断裂方式，为该材料的应用提供一定的参考数据和设计依据。 1 试验材料及方法 1.1 试验材料本次实验所测试的冷冻砂坯是预混 4wt. %水的 100 目普通硅砂颗粒在-20℃下冻结后制备的。树脂砂型铸造型砂颗粒采用 100 目硅砂颗粒，同时混合 2wt.%的酚醛树脂制备树脂砂坯，通过数字化无模铸造精密成形机对冷冻砂型和树脂砂型进行加工，对数字化无模铣削加工的冷冻砂型和树脂砂型进行 A356 铝合金轮毂平板件浇注试验。冷冻砂型数字化无模成形过程如图 1 所示，制备的冷冻砂型和树脂砂型尺寸为 120×60×20mm。A356 铝合金化学成分如表 1 所示。图 1 冷冻砂型数字化无模切削过程 Fig.1 Digital Patternless cutting process of frozen sand mold 1.2 试验方法对 A356 铝合金高温熔体采用精炼除气工艺（包括未除气精炼）浇注的薄板试件进行切割、打磨、抛光，并采用激光共聚焦表征不同精炼温度条件下的气孔缺陷的多少，研究不同精炼温度对 A356 铝合金试件内部气孔缺陷的影响规律，确定合适精炼工艺。铝合金高温熔体的精炼过程可以有效排除铸件内部的气孔、杂质等缺陷，本研究采用 C2Cl6精炼剂对 A356 铝合金的熔炼过程进行化学除气及精炼处理，采用 0.5wt.%C2Cl6 分别在 750℃、720℃和 690℃三个精炼温度下对 A356 铝合金高温熔体进行 C2Cl6除气精炼处理，在 650℃的浇注温度下制备测试铸件气孔密度的试样，然后根据浇注试样中气孔缺陷密度大小，优选出适宜的铝合金除气精炼温度，最大限度减少铸件凝固缺陷。采用电子探针显微分析（EPMA）对冷冻铸造和树脂砂型铸造的 A356 铝合金的微观成分分布进行扫描分析。EPMA 的原理是用聚焦电子束照射到 A356 铝合金表面，将产生的 X 射线的特征谱线进行波长和强度测试，然后对其照射区域内元素类别进行测试。采用 Quanta FEG 扫描电镜（SEM）对冷冻铸造和树脂砂型铸造 A356 铝合金试样的抗拉断裂断口形貌进行观察。。表 1 A356 铝合金主要化学成分（wt.%） Tab.1 Chemical Composition of A356 Aluminum Alloy(wt.%) Si Mg Ti Fe Cu Zn Al 7.24 0.324 0.192 0.154 0.007 0.012 The Rest 2 实验结果及讨论 2.1 A356 铝合金熔体精炼及气孔分析 Si Mg Ti Fe Cu Zn Al 录用稿件，非最终出版稿 7.24 0.324 0.192 0.154 0.007 0.012 The Rest

铝合金高温熔体净化处理技术可显著提高 A356 铝合金铸件的整体质量和铸造性能 [145 21 ,156 2 2 ]。铝合金铸件的铸态组织中易产生气孔缺陷，其中绝大部分（约 80-90%）为氢气孔导致的缺陷，这是因为氢原子在液固固液两相中溶解度分别为 0.65ml/100g（液相）和 0.034ml/100g（固相），可以看出氢原子在液相中的溶解度约为在固相中的 19.1 倍，氢原子在高温液态铝合金熔体中的溶解度非常大，因此氢原子在铝合金的液固固液转变过程中有较强的析出倾向，造成大量的气孔缺陷 [167 2 3 ,2 4 ]。图 2 所示铝合金在冷冻砂型中的凝固过程及获得的 A356 铝合金薄板件。在浇注过程中，接触冷冻砂型的高温金属熔体瞬间凝固成试件表层，铸件尺寸精度可达 CT8。图 3 为不同精炼温度下 A356 铝合金的气孔密度，蓝色斑点为铝合金中的气孔，绿色及红色部分为 A356 铝合金基体（红色代表铝基体中突出部位），不同颜色表示铝基体不同高度。对不同精炼温度下任选五处试样的气孔数量进行统计可以看出，未精炼处理的 A356 铝合金中的气孔尺寸较大，并且数量最多，在约 160mm2 的视场范围内，气孔密度达到 0.28 个/mm2；高温合金熔体在 750℃精炼除气时，气孔密度达到 0.21 个/mm2；高温合金熔体在 720℃精炼除气时，精炼处理后试样中的气孔密度显著降低；当高温合金熔体的精炼温度下降到到 690℃时，精炼处理后试样中的针孔密度上升，气孔密度达到 0.30 个/mm2，而且气孔缺陷的尺寸重新变大，精炼效果变差。因此本实验选用 0.5wt.% 的 C2Cl6 精炼剂在 720℃ 对 A356 铝合金高温熔体进行精炼处理，可使气孔缺陷最少，铸件性能最优。图 2 A356 铝合金冷冻铸造薄板件 Fig.2 A356 Aluminum Alloy Freeze Casting Sheet Parts 5mm 5mm (a) (b) Stomatal defect 录用稿件，非最终出版稿 Aluminum alloy substrate

图 3 不同精炼除气温度对铝合金中气孔密度的影响规律(a)未精炼处理（b）750℃精炼处理（c）720℃精炼处理（d）690℃精炼处理 Fig. 3 Effect of different refining degassing temperatures on porosity density in aluminum alloy (a) unrefined treatment (b) 750℃ refining treatment (c) 720℃ refining treatment (d) 690℃ refining treatment 2.2 冷冻铸造 A356 铝合金成分分布图 4 是冷冻铸造和树脂砂型铸造铝合金试件凝固曲线，通过对液固转变区间的试件凝固曲线的斜率进行计算，分别获得冷冻砂型和树脂砂型中 A356 铝合金的凝固速率为 10.87℃/min 和 5.43℃/min。在薄板试件凝固过程中，冷冻砂型较树脂砂型凝固速率提高约 50.5%。采用电子探针显微分析分别对冷冻铸造和树脂砂型铸造平板状试样的 A356 铝合金中微量元素的分布进行扫描分析，图 45 是冷冻铸造和树脂砂型铸造的试件中的 Si、Mg 元素的面扫成分分布。通过对液固转变区间的试件凝固曲线的斜率进行计算，分别获得冷冻砂型和树脂砂型中 A356 铝合金的凝固速率为 10.87℃/min 和 5.43℃/min。在薄板试件凝固过程中，冷冻砂型较树脂砂型凝固速率提高约 50.5%。从图 45（a）和 45（b）中可以看出，大量的浅蓝色斑点代表 Si 元素，由于冷冻砂型具有较高的凝固速率，使得 Si 元素在铝基体相中的溶解度显著提高，冷冻铸造试件铝基体中 Si 元素有较高的溶解度。相对来说，树脂砂型铸造试件的铝基体中 Si 元素的溶解度明显较小，Si 元素更多的集中于共晶 Si 相中，如图 45（b）所示。从图 45（c）和 45（d）中可以看出，冷冻铸造较树脂砂型铸造试件中 Mg 元素分布均匀，仅出现微量的 Mg 元素成分偏析区，树脂砂型铸造试件中出现较多的 Mg 元素成分偏析区，元素的成分偏析显著地降低铸件的力学性能，同时导致合金的塑性下降[178 22 ]。 5mm 5mm (a) (b) 气孔缺陷 5mm 5mm (c) (d) 录用稿件，非最终出版稿

Mg元素 500μm 共晶S引基体 (c) Mg Conc.% 34.1 29.8 Mg元 25.6 21.3 17.0 12.8 85 4.3 500μm 500pm. 0.0 Ave 0.5 图45冷冻砂型和树脂砂型铸造试件微观成分面扫结果()冷冻铸造允素面扫分布 (b)树脂砂型铸造Si元素面扫分布(c)冷冻砂型铸造Mg元素面扫分d 树脂砂型铸造Mg元素面扫分布 Fig.45 Micro-composition surface scanning results of frozen sand and resin sand casting specimens(a)Si element surface scanning distribution of frozen casting (b)Si element surface nning distribution of resin sand casting(c) Mg element surface scanning distribution of frozen sand casting element surface scanning distribution of resin sand casting 2.3冷冻铸造A356铝合金断口扫描分析模式逐渐转变为高冷却速率下的韧性和脆性 500μ鬼文对A356铸造铝合金不同铸造方式的混令断裂模式。不同凝固速率下试样拉伸断 (凝固速率)下的试件断口断裂形貌进行分形貌特征也表明合金的强度随金属件冷却析。图6为冷冻砂型和树脂砂型铸造铝合金速率的提高而显著提高，主要原因是较高的抗拉强度，从图中可以看出，A356铝合金轮凝固速率使Si、Mg等合金元素可以更加均匀毅平板件冷冻铸造抗拉强度可达223.73MPa, 地溶解到初生a-A!相的基体中，减弱了合金树脂砂型铸件抗拉强度为20399MPa,冷冻中成分偏析现象，同时晶粒细化导致断裂时铸造较传统树脂砂型铸造的铸件坑拉强度显裂纹通过的小尺寸晶粒晶界的长度显著增长，著提高。图6工为冷冻铸造和树脂砂型铸造的裂纹扩展的能量被逐渐耗损减弱而导致抗拉试样拉伸断口在1000X00x时的断口形貌强度升高川。从图6(d)中可以看出，在树特征。从图1(a)和觳6)中可以明显看脂砂型铸造的A356铝合金试样扫栅断日中，出，在冷冻铸造的A356铝含金试样中，试样共晶S存在明显的断裂痕迹，在冷冻砂型铸的断口形貌中出现沃量的形状规则的韧窝状造的A356铝合金试样扫描断日中，较少的共和少量的脆性状断裂形貌，表明冷冻铸造晶S与州基体发生脱粘现象，可见共晶S A356铝合金试样受抗拉破坏时发生了较为明的尺寸、形貌较夫决定子A356铝合金强度的显的韧性断裂和脆性断裂的混合断裂模式。在大小。树脂砂型铸造的A356铝合金试样中，A356 铝合金受抗拉破坏时试样的断口中存在微量的韧窝断裂结构，大部分断裂结构为不规则的解理台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，表明该试样的破坏过程发生的是明显的脆性断裂模式，如图67(c)和图67(d)所示。随着试件的凝固速率的提高，试样受外力破坏时的断裂模式由低冷却速率下的脆性断裂

图 45 冷冻砂型和树脂砂型铸造试件微观成分面扫结果（a）冷冻铸造 Si 元素面扫分布（b）树脂砂型铸造 Si 元素面扫分布（c）冷冻砂型铸造 Mg 元素面扫分布（d）树脂砂型铸造 Mg 元素面扫分布 Fig. 45 Micro-composition surface scanning results of frozen sand and resin sand casting specimens (a) Si element surface scanning distribution of frozen casting (b) Si element surface scanning distribution of resin sand casting (c) Mg element surface scanning distribution of frozen sand casting (d) Mg element surface scanning distribution of resin sand casting 2.3 冷冻铸造 A356 铝合金断口扫描分析本文对 A356 铸造铝合金不同铸造方式（凝固速率）下的试件断口断裂形貌进行分析。图 56 为冷冻砂型和树脂砂型铸造铝合金抗拉强度，从图中可以看出，A356 铝合金轮毂平板件冷冻铸造抗拉强度可达 223.73MPa, 树脂砂型铸件抗拉强度为 203.90MPa，冷冻铸造较传统树脂砂型铸造的铸件抗拉强度显著提高。图 67 为冷冻铸造和树脂砂型铸造的试样拉伸断口在 1000×，2000×时的断口形貌特征。从图 67（a）和 67（b）中可以明显看出，在冷冻铸造的 A356 铝合金试样中，试样的断口形貌中出现大量的形状规则的韧窝状和少量的脆性状断裂形貌，表明冷冻铸造 A356 铝合金试样受抗拉破坏时发生了较为明显的韧性断裂和脆性断裂的混合断裂模式。在树脂砂型铸造的 A356 铝合金试样中，A356 铝合金受抗拉破坏时试样的断口中存在微量的韧窝断裂结构，大部分断裂结构为不规则的解理台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，表明该试样的破坏过程发生的是明显的脆性断裂模式,如图 67（c）和图 67（d）所示。随着试件的凝固速率的提高，试样受外力破坏时的断裂模式由低冷却速率下的脆性断裂模式逐渐转变为高冷却速率下的韧性和脆性的混合断裂模式。不同凝固速率下试样拉伸断口形貌特征也表明合金的强度随金属件冷却速率的提高而显著提高，主要原因是较高的凝固速率使 Si、Mg 等合金元素可以更加均匀地溶解到初生 α-Al 相的基体中，减弱了合金中成分偏析现象，同时晶粒细化导致断裂时裂纹通过的小尺寸晶粒晶界的长度显著增长，裂纹扩展的能量被逐渐耗损减弱而导致抗拉强度升高[11] 。从图 6（d）中可以看出，在树脂砂型铸造的 A356 铝合金试样扫描断口中，共晶 Si 存在明显的断裂痕迹，在冷冻砂型铸造的 A356 铝合金试样扫描断口中，较少的共晶 Si 与 Al 基体发生脱粘现象，可见共晶 Si 的尺寸、形貌较大决定了 A356 铝合金强度的大小。 500μm Mg 元素 Mg 元素 Mg 元素、Al 基体 (c) (d) 500μm 500μm ) (d) 500μm 共晶 Si 基体 Mg 元素共晶 Si 基体录用稿件，非最终出版稿

d 图断裂 WD 图Z冷冻铸造和树脂砂型铸造A356铝合金断口形貌(a)冷冻铸造试件断口1000×(b) 冷冻铸造试件断口2000×(c)树脂砂型铸造试件断口1000×(d)树脂砂型铸造试件断口 2000× Fig.6 Fracture morphology of A356 aluminum alloy cast by freezing and resin sand mold_(a) fracture of frozen casting specimen is 1000x(b)fracture of frozen casting specimen is 2000x (c) fracture of resin sand mold casting specimen is 1000x fracture of resin sand mold casting specimen is 2000 3结论能精谁调控，通过冷冻铸造材料、成形工艺、分析了冷冻铸造和树脂砂型铸造的A356 数字化装备的联合创新，促进冷冻砂型的数铝合金面扫描成分分布和断口形貌。结果表明，字化无模铸造成形技术从基础研究走向实际冷冻铸造试件中Si元素在AI基体中的固溶度应用。较高，固溶强化效果明显，可以产生明显的 4参考文献：固溶强化现象。同时树脂砂型铸造试件中Mg [1]Shan Z D,Qin S Y,Liu Q,et al.Key 元素分布不均匀，易产生成分偏析现象，冷 manufacturing technology equipment for 冻铸造试件中Mg元素分布均匀，冷冻铸造 energy saving and emissions reduction in 试件中Mg元素不易产生无素偏析现象。A356 mechanical equipment industry[J].International 铝合金轮毂平圾件冷冻铸造抗拉强度可达 Journal of Precision Engineering and 223.73MPa,树脂以型铸件抗拉强度为 Manufacturing,2012,13(7):1095-1100. 203.90MP。冷冻铸造较传统树脂砂型铸造的 [2]Torielli R M,Abrahams R A,Smillie R W,et 铸件抗捡强度显著提高，冷冻铸造试件的断 al.Using lean methodologies for economically 裂模式为明显的韧性断裂和脆性断裂的混合 and environmentally sustainable foundries[J. 断裂，树脂砂型铸造试件的断裂形貌为解理 China Foundry,2011,8(1):74-88. 台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，合 [3]单忠德，朱福先.应用PCD刀具铣削砂型的刀具磨损机理和预测模型[刀机械工程学报金偏向于脆性断裂。数字化无模冷冻铸造成形技术是一项秉 2018,54(17):124-132 持可持续发展理念的绿色制造技术，今后应 Shan Z D,Zhu F X.Wear Mechanism and 扩展适用于冷冻铸造技术的铸件材料体系， Prediction Model of Polycrystalline Diamond 实现大尺度多品种复杂铸件冷冻铸造的精确 Tool in Milling Sand Mould[J].Journal of 凝固成形，进行微观组织性能和宏观力学性 mechanical Engineering.2018,54(17):124-

图 67 冷冻铸造和树脂砂型铸造 A356 铝合金断口形貌（a）冷冻铸造试件断口 1000×（b）冷冻铸造试件断口 2000×（c）树脂砂型铸造试件断口 1000×（d）树脂砂型铸造试件断口 2000× Fig. 6 Fracture morphology of A356 aluminum alloy cast by freezing and resin sand mold (a) fracture of frozen casting specimen is 1000× (b) fracture of frozen casting specimen is 2000× (c) fracture of resin sand mold casting specimen is 1000× (d) fracture of resin sand mold casting specimen is 2000× 3 结论分析了冷冻铸造和树脂砂型铸造的 A356 铝合金面扫描成分分布和断口形貌。结果表明，冷冻铸造试件中 Si 元素在 Al 基体中的固溶度较高，固溶强化效果明显，可以产生明显的固溶强化现象。同时树脂砂型铸造试件中 Mg 元素分布不均匀，易产生成分偏析现象，冷冻铸造试件中 Mg 元素分布均匀，冷冻铸造试件中 Mg 元素不易产生元素偏析现象。A356 铝合金轮毂平板件冷冻铸造抗拉强度可达 223.73MPa, 树脂砂型铸件抗拉强度为 203.90MPa。冷冻铸造较传统树脂砂型铸造的铸件抗拉强度显著提高，冷冻铸造试件的断裂模式为明显的韧性断裂和脆性断裂的混合断裂，树脂砂型铸造试件的断裂形貌为解理台阶破坏形貌和长方状的撕裂结构形貌，合金偏向于脆性断裂。数字化无模冷冻铸造成形技术是一项秉持可持续发展理念的绿色制造技术，今后应扩展适用于冷冻铸造技术的铸件材料体系，实现大尺度多品种复杂铸件冷冻铸造的精确凝固成形，进行微观组织性能和宏观力学性能精准调控，通过冷冻铸造材料、成形工艺、数字化装备的联合创新，促进冷冻砂型的数字化无模铸造成形技术从基础研究走向实际应用。 4 参考文献： [1] Shan Z D ， Qin S Y ， Liu Q, et al.Key manufacturing technology & equipment for energy saving and emissions reduction in mechanical equipment industry[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2012, 13(7):1095-1100. [2] Torielli R M,Abrahams R A, Smillie R W,et al. Using lean methodologies for economically and environmentally sustainable foundries[J]. China Foundry,2011,8(1):74-88. [3] 单忠德，朱福先.应用 PCD 刀具铣削砂型的刀具磨损机理和预测模型[J]. 机械工程学报. 2018，54(17)：124-132. Shan Z D, Zhu F X.Wear Mechanism and Prediction Model of Polycrystalline Diamond Tool in Milling Sand Mould[J]. Journal of mechanical Engineering.2018 ， 54(17) ： 124- Brittle frature 脆性断裂 Brittle frature 脆性断裂 (c) (d) 录用稿件，非最终出版稿