原標題：超聲波和熱平衡復合作用對鋁合金壓鑄件優化的效果

金屬半固態成形技術具有諸多優點, 而半固態漿料或坯料的制備是其基礎和關鍵, 要求坯料的組織為均勻細小的球形非枝晶組織。圍繞半固態漿料制備, 國內外進行了大量的研究。但是由于受到容器尺寸的影響, 大體積的熔體難以同時進入過冷狀態, 液態合金各部位存在明顯的溫度差, 以至于不同部位的冷卻速率不一樣, 導致最終獲得的組織形貌不一致。鑒于此, 本課題開發了一套處理裝置 (該裝置包含不銹鋼空心吸熱圓管) , 采用一種新型的熱平衡法制漿工藝, 該工藝成本低、流程短、操作簡單, 并可迅速吸收料筒內心部熔體的過熱, 提高心部熔體的激冷效果。另外, 將熱平衡法處理裝置外接超聲振動器, 首次將超聲振動和熱平衡法復合作用于鋁合金熔體, 進一步改善了漿料的組織。前期試驗采用復合超聲振動熱平衡法與直接熱平衡法制備了A356鋁合金半固態漿料, 對其組織進行了對比分析, 發現前者所得試樣的組織優于后者。以A356鋁合金為研究對象, 分別采用超聲振動熱平衡法、直接熱平衡法以及傳統鑄造工藝制備鋁合金半固態漿料, 并以相同的澆注溫度、模具溫度、壓射壓力和壓射速度進行成形, 通過分析不同制漿工藝條件對壓鑄件金相組織及力學性能的影響, 研究超聲振動和熱平衡復合作用對合金組織的優化效果。

圖文結果

試驗采用3種漿料制備工藝: (1) 超聲振動熱平衡法:將熱平衡法處理裝置與功率為1.8kW、振動頻率為20kHz的超聲振動器相結合, 開啟超聲振動, 制備半固態漿料; (2) 直接熱平衡法:不開啟超聲振動, 用熱平衡法處理裝置制備半固態漿料; (3) 傳統壓鑄:不采用熱平衡法處理裝置, 直接壓鑄成形。

熱平衡法制漿參數, 即熔體處理溫度為630℃, 吸熱圓管外徑為φ34mm、壁厚為1.1mm。壓鑄成形工藝參數:模具預熱溫度在250℃以上, 熔體澆注溫度為620℃, 壓鑄機的壓射壓力為400kN、壓射速度為0.3m/s。漿料壓鑄成形后, 對比不同工藝條件下獲得的壓鑄件的金相組織及力學性能, 并將部分試樣進行T6熱處理 (530℃×6h固溶+80℃水淬+150℃×6h時效后空冷) 。

表1 A356鋁合金的化學成分（%）

圖1 超聲振動熱平衡法處理裝置示意圖
1.控制柜 2.超聲波換能器 3.超聲變幅桿 4.空心吸熱圓管 5.料筒 6.耐火磚 7.支撐架 8.升降電機

圖2 壓鑄試驗裝置示意圖
1.壓射室 2.小車 3.壓射桿 4.模具5.油缸 6.立柱 7.導軌

表2 J15-300型立式壓鑄機主要技術參數

圖3 模具和壓鑄件三維模型

預熱坩堝電阻爐等工具后, 將A356鋁合金鑄錠放入爐中加熱至720℃并保溫, 對熔體進行除渣、除氣, 按3種不同工藝制備合金漿料并壓鑄成形: (1) 超聲振動熱平衡法, 將預澆注熔體轉移至隨爐預熱的小坩堝中, 用熱電偶測量鋁液溫度, 當溫度降至630℃時, 將熔體澆入料筒中;開啟升降電機, 升降速度為20 mm/s, 同時打開超聲振動, 在電機的帶動下吸熱圓管進入料筒中, 待吸熱圓管到達料筒底部后靜置5s后拔出;測量料筒中的鋁液溫度, 待溫度降至620℃時將半固態漿料進行壓鑄成形; (2) 直接熱平衡法, 不開啟超聲振動, 吸熱圓管直接進入料筒中, 到達料筒底部后靜置5s后拔出。鋁液溫度降至620℃時進行壓鑄成形; (3) 傳統壓鑄, 將預澆注熔體轉移至隨爐預熱的小坩堝中, 待溫度降至620℃時直接進行壓鑄成形。

圖4 壓鑄件實物圖

圖5 T6熱處理前不同工藝條件下A356鋁合金壓鑄件的心部組織

圖6 T6熱處理前不同工藝條件下A356鋁合金壓鑄件的邊緣處組織

圖7 T6熱處理后不同工藝條件下A356鋁合金壓鑄件的心部組織

圖8 T6熱處理后不同工藝條件下A356鋁合金壓鑄件的邊緣處組織

圖9 不同工藝條件下金相組織的平均當量直徑和平均形狀因子

熱平衡法制漿工藝采用吸熱部件作為內部冷卻器, 用以吸收熱量而控制溫度, 并制得漿料。相比建立在外部冷卻思想基礎上的傳統直接制備漿料的方法, 該工藝提供了提高冷卻工藝的可控性及效率的手段。采用超聲振動熱平衡法制備半固態漿料時, 吸熱圓管對熔體吸熱的同時施加超聲振動, 超聲波在熔體中傳播時能產生力學效應, 引起微觀紊流, 促進料筒壁、吸熱圓管壁和熔體的對流傳熱, 加速熔體溫度均勻化, 從而增加了形核率, 也為均勻形核提供了條件, 使晶粒各向均勻生長, 金相組織變得均勻、細小、圓整。

圖10 拉伸試棒示意圖

表3 不同工藝條件下A356鋁合金壓鑄件的力學性能

超聲振動熱平衡法工藝條件下所得半固態壓鑄件的金相組織最好, 平均當量直徑最小, 達到41.3μm, 平均形狀因子最大, 達到0.95。傳統工藝壓鑄件的金相組織最差。超聲振動熱平衡法工藝條件下所得半固態壓鑄件的綜合力學性能最好, 傳統工藝壓鑄件的綜合力學性能最差。T6熱處理能有效提高壓鑄件的綜合力學性能。

本文作者：

李超 楊湘杰 郭洪民
南昌大學機電工程學院
江西省高性能精確成形重點實驗室

李超
南昌職業學院工程系

王家宣 李振興江西江鍛重工有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作伙伴