大體積流變漿料制備與壓鑄成形一體化工藝及其應(yīng)用

祁明凡，李靜媛，康永林，李谷南，王繼成，劉愛森，陳俊臣

（1.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.珠海市潤星泰電器有限公司，廣東珠海 519000；3.森特士興集團股份有限公司，北京 100176）

壓鑄作為一種高生產(chǎn)率、低成本的近凈成形工藝，在通訊、汽車、3C 等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Dong 等[1]認為目前制約壓鑄技術(shù)進一步擴大應(yīng)用的主要問題是鑄件的多孔性以及由此帶來的強度問題。在傳統(tǒng)壓鑄過程中，液態(tài)熔體會以紊流狀態(tài)充填型腔，使得型腔內(nèi)氣體無法及時排出而卷入合金內(nèi)部，形成氣孔缺陷。氣孔減少了鑄件的有效承載面積，造成應(yīng)力集中，從而降低鑄件力學(xué)性能。Li 等[2]認為難以發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部氣孔是產(chǎn)品工作時突然失效的嚴重隱患。

為了改善壓鑄件的氣孔缺陷，半固態(tài)壓鑄技術(shù)得到了關(guān)注。與傳統(tǒng)壓鑄使用的高溫液態(tài)熔體相比，半固態(tài)壓鑄使用的具有較高固相率的半固態(tài)漿料擁有較高的表觀粘度和層流特性，在高速充型過程中流動平穩(wěn)，不易卷氣，并且漿料凝固收縮比傳統(tǒng)液態(tài)金屬小，這樣能減少或消除氣孔和疏松等缺陷，提高鑄件力學(xué)性能[3—4]。另外，由于漿料進入壓室的溫度比傳統(tǒng)液態(tài)金屬低，這樣大大減少了對壓鑄模型腔的熱沖擊，延長模具使用壽命[5]，因此，半固態(tài)壓鑄兼顧半固態(tài)成形和傳統(tǒng)壓鑄的優(yōu)點，在工業(yè)化應(yīng)用中有著光明前景。半固態(tài)壓鑄主要分為觸變壓鑄和流變壓鑄，觸變壓鑄由于二次加熱效率低的缺點，使得近年來流變壓鑄成為半固態(tài)加工領(lǐng)域研究熱點，這樣也使得流變壓鑄的工業(yè)化應(yīng)用格外受到重視和關(guān)注。

高品質(zhì)半固態(tài)漿料的制備是流變壓鑄技術(shù)發(fā)展的前提和關(guān)鍵。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者已提出多種半固態(tài)漿料制備技術(shù)。英國布魯內(nèi)爾大學(xué)Fan[6]等研發(fā)的雙螺旋剪切技術(shù)，通過一對高速旋轉(zhuǎn)的螺桿對熔體實施高剪切率攪拌來制備半固態(tài)漿料；瑞典Jonkoping 大學(xué)Mostafa[7]等開發(fā)出RSF 制漿技術(shù)，采用熵交換材料作為冷卻介質(zhì)從金屬熔體中吸收熱量從而制備半固態(tài)漿料；加拿大Alcan 鋁公司Doutre 等[8]提出了SEED 制漿工藝，在低過熱度澆注條件下，使制備坩堝偏心旋轉(zhuǎn)，在熔體中產(chǎn)生有效剪切作用，抑制初生相枝晶生長，從而制備出半固態(tài)漿料；泰國宋卡王子大學(xué)的Thanabumrungkul 等[9]開發(fā)的GISS 技術(shù)，在熔體凝固時通入惰性氣體，利用氣泡擾動來制備半固態(tài)漿料；西北工業(yè)大學(xué)管仁國[10]等開發(fā)出振動傾斜板工藝制備半固態(tài)漿料，認為是形核熱力學(xué)條件和振動剪切碰撞的綜合作用；南昌大學(xué)楊湘杰[11]等開發(fā)出LSPSF 制漿工藝，該工藝是將合金熔體澆注到轉(zhuǎn)動輸送管入口，在重力和轉(zhuǎn)動輸送管內(nèi)壁剪切/冷卻綜合作用下，合金由熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ü滔嗦实陌牍虘B(tài)漿料；Zhu[12]等開發(fā)的SCP 技術(shù)，將過熱熔體澆入立式蛇形通道中降溫，利用自身重力引起的擾動來制備半固態(tài)漿料。這些工藝大大豐富了半固態(tài)漿料制備技術(shù)，并推動了流變壓鑄工藝的發(fā)展與應(yīng)用，但為了更加穩(wěn)定、連續(xù)、高效制備出高品質(zhì)半固態(tài)漿料，迎合流變壓鑄產(chǎn)業(yè)化推廣和突破國外制漿工藝專利保護，非常有必要再開發(fā)出一些新的簡單、高效、實用的制漿技術(shù)。

鑒于此，同時結(jié)合流變壓鑄行業(yè)現(xiàn)狀，一種氣冷攪拌棒制漿工藝（Air-Cooled Stirring Rod，簡稱ACSR）應(yīng)運而生，以實現(xiàn)大體積半固態(tài)漿料的連續(xù)快速制備，并與壓鑄機緊密銜接，形成集漿料制備-輸送-成形于一體的流變壓鑄工藝。文中主要介紹ACSR 流變壓鑄工藝特點，同時以Sr 變質(zhì)的Al-Si-Fe 合金為原料，結(jié)合一款大型薄壁5G 通信基站殼體研究ACSR 工藝參數(shù)（氣體流量）對流變壓鑄合金組織的影響，同時對比流變壓鑄與傳統(tǒng)壓鑄合金的組織性能。

1 實驗

1.1 材料

實驗材料為一種Sr 變質(zhì)Al-Si-Fe 合金，其中Si，F(xiàn)e，Sr 的質(zhì)量分數(shù)分別為8.1%，0.7%，0.015%，其余為Al。利用SETARAM TGA-92 高溫綜合熱分析儀進行合金加熱過程的差熱分析，結(jié)果見圖1a，可得到該合金的液相線和固相線溫度分別為 633 ℃和569 ℃。對差熱分析曲線進行小步長面積積分，計算面積比[13—14]，得到合金溫度與固相率關(guān)系曲線，如圖1b所示，可以看出，該合金的固液相溫度區(qū)間寬，且固相率隨溫度下降均勻提高，表明該合金適合流變壓鑄。

圖1 Al-Si-Fe 合金差熱分析曲線及溫度和固相率對應(yīng)關(guān)系曲線Fig.1 DSC and relationship curves between temperature and solid fraction for the Al-Si-Fe alloy

1.2 ACSR 流變壓鑄工藝

ACSR 流變壓鑄工藝具體流程如圖2 所示。首先，將合金錠放入鋁合金熔化爐內(nèi)升溫到720 ℃至完全熔化，采用旋轉(zhuǎn)噴吹氬氣技術(shù)精煉鋁合金熔體，噴氣20 min 后除氣、扒渣，然后將熔體溫度調(diào)整到660 ℃。舀料勺舀取合金熔體（見圖2a），接著，石墨攪拌棒移動并深入到舀料勺內(nèi)部開始對熔體進行強制均勻凝固處理（見圖2b），即在合金熔體凝固過程中，對熔體攪拌的同時將壓縮空氣通過導(dǎo)氣管噴入攪拌棒的內(nèi)腔帶走大量熱量，從而達到加速熔體冷卻并促進熔體形核的效果，快速獲得晶粒細小圓整的半固態(tài)漿料（見圖2c）。具體ACSR 制漿工藝參數(shù)為熔體溫度為660 ℃，攪拌速度為800 r/min，氣體流量為0～6 L/s，攪拌時間為28 s。將制備好的漿料倒入DCC3000壓鑄機壓室（見圖2d）進行壓鑄成形（見圖2e），制備出大型薄壁5G 通信基站殼體，具體實物如圖3 所示。ACSR 流變壓鑄工藝結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、穩(wěn)定連續(xù)、效率高，特別適合于大體積半固態(tài)漿料的快速制備和高品質(zhì)大型薄壁件的生產(chǎn)。為了對比，文中傳統(tǒng)壓鑄的澆注溫度為660 ℃，壓鑄工藝參數(shù)與流變壓鑄一致，均為鑄造壓力為60 N/cm2，慢壓射速度為0.3 m/s，快壓射速度為3.5 m/s，模具溫度為200 ℃。

圖2 ACSR 流變壓鑄工藝具體流程Fig.2 Specific process of ACSR Rheo-HPDC technology

圖3 流變壓鑄大型薄壁5G 通信基站殼體實物Fig.3 Physical picture of large thin-walled 5G communication base station shell by Rheo-HPDC

1.3 組織觀察與性能測試

從基站殼體不同位置切取試樣用于微觀組織觀察，具體位置如圖3 中位置A 和B 所示。試樣經(jīng)粗磨、細磨和拋光后用體積分數(shù)為0.5%的氫氟酸溶液侵蝕。采用Neophot 21 型金相顯微鏡觀察試樣組織，拉伸件的斷口形貌采用ZEISS-SUPRA40 型掃描電鏡進行觀察。電子探針顯微分析（EPMA,JXA8100）用于元素分布和相特征分析。采用專業(yè)圖像分析軟件Image-Pro Plus 對初生晶粒α1-Al 的平均直徑D和形狀因子F進行計算，其計算見式（1—2）。

式中：A為晶粒面積；P為晶粒界面周長。形狀因子F的平均值越接近于1，表示初生晶粒越圓整。

根據(jù)ASTM E8 M，從鑄件位置C 處切取橫截面為矩形的拉伸試樣。拉伸試樣的寬度、厚度和標(biāo)距分別為12.5，1.3，50 mm，拉伸測試采用MTS810 電子萬能實驗機，應(yīng)變速率為1 mm/min，拉伸結(jié)果取5 根拉伸試樣測試平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體流量對流變壓鑄合金組織影響

圖4 為在澆注溫度為660 ℃，攪拌速度為800 r/min，攪拌時間為28 s，氣體流量為0～6 L/s 的工藝條件下制備的流變壓鑄件在位置A 處的顯微組織。圖5 統(tǒng)計了不同氣體流量下制備的鑄件組織中α1-Al 的平均晶粒尺寸和形狀因子?？梢钥闯?，隨著空氣流量由0 提高到4 L/s，流變壓鑄件固相率由體積分數(shù)為21%增加到33%，α1-Al 晶粒的平均尺寸由35.6 μm 下降到24.1 μm，形狀因子由0.71 提高到0.80。當(dāng)空氣流量增加到4 L/s 后，大量細小的近球狀α1-Al顆粒（平均晶粒尺寸小于25 μm 且形狀因子高于0.80）存在于流變壓鑄件中。在相同的澆注溫度、攪拌速度和攪拌時間條件下，氣體流量越大，合金熔體在舀料勺內(nèi)的冷卻速度越大，合金熔體的過冷度越大，穩(wěn)定形核的臨界功和臨界半徑減小，形核率相應(yīng)提高，有利于獲得大量細小的α1-Al 晶粒。另外，流變漿料中固相率的提高使初生固相α1-Al 之間的距離減小，強制攪拌過程中固相顆粒的碰撞、摩擦更加頻繁，有利于初生固相變得更加細小、圓整和分布均勻，但并不是氣體流量越大越好，對于此款大型薄壁件來說由于齒高大，氣體流量達到6 L/s 時固相率達到43%，會引起在散熱齒頂產(chǎn)生欠鑄缺陷的可能（見圖4d），導(dǎo)致良品率下降，因此對于這款5G 通信基站殼體來說，在保證鑄件完整充型、高良品率的基礎(chǔ)上，結(jié)合鑄件顯微組織，生產(chǎn)時將氣體流量設(shè)定為4 L/s。

圖4 不同氣體流量條件下制備的流變壓鑄件在位置A 處的顯微組織Fig.4 Microstructure of the Rheo-HPDC parts prepared under different gas flow at position A

2.2 流變壓鑄和傳統(tǒng)壓鑄合金組織比較

圖6 為ACSR 流變壓鑄（澆注溫度為660 ℃、攪拌速度為800 r/min、氣體流量為4 L/s 和攪拌時間為28 s）與傳統(tǒng)壓鑄（澆注溫度為660 ℃）通信殼體在位置A 和B 處的顯微組織?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)壓鑄件組織內(nèi)存在較多枝晶狀α-Al 且可觀察到較多縮孔縮松缺陷（見圖6a—b）。對于ACSR 流變壓鑄件，可觀察到組織中有大量細小近球狀α1-Al 晶粒且鑄件內(nèi)部缺陷顯著減少（見圖6d—e）。與傳統(tǒng)壓鑄合金組織相比，ACSR 流變壓鑄件內(nèi)次生α-Al(α2-Al)晶粒也得到明顯細化（見圖6c 和f）。另外，通過EPMA 探針檢測分析發(fā)現(xiàn)流變壓鑄Al-Si-Fe 合金中的富鐵相均勻分布于共晶組織中，且平均尺寸要小于傳統(tǒng)壓鑄合金，如圖7 所示。

圖5 不同氣體流量下制備流變壓鑄件組織中α1-Al 的平均晶粒尺寸和形狀因子及固相率Fig.5 Average grain size,shape factor and solid fraction of α1-Al in the Rheo-HPDC parts prepared under different gas flow

圖6 傳統(tǒng)壓鑄與流變壓鑄件在位置A 和B 處顯微組織比較Fig.6 Comparison of microstructures between traditional HPDC and Rheo-HPDC parts at positions A and B

2.3 流變壓鑄和傳統(tǒng)壓鑄合金力學(xué)性能比較

圖7 ACSR 流變壓鑄和傳統(tǒng)壓鑄工藝制備的Al-Si-Fe 合金的EPMA 結(jié)果Fig.7 EPMA results of Al-Si-Fe alloy prepared by ACSR Rheo-HPDC and traditional HPDC

圖8 傳統(tǒng)壓鑄與流變壓鑄工藝制備Al-Si-Fe合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of Al-Si-Fe alloys prepared by traditional HPDC and Rheo-HPDC

圖8 列出了傳統(tǒng)壓鑄與流變壓鑄工藝制備Al-Si-Fe 合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯髯儔鸿T合金具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強度和伸長率分別為232 MPa 和10.5%，與傳統(tǒng)壓鑄合金相比，流變壓鑄合金的抗拉強度和伸長率分別提高了15%和75%。流變壓鑄合金力學(xué)性能的強化主要歸納于以下幾個方面：①組織細小、圓整且分布均勻，晶粒尺寸對合金力學(xué)性能影響可用 hall-petch 公式描述[15]：σs=σ0+kd-1/2，其中σs為屈服強度，d為晶粒尺寸，σ0和k為常數(shù)，流變壓鑄合金的晶粒細化對其力學(xué)性能有利；② 流變漿料充型時穩(wěn)態(tài)流動，保證合金具有高致密度[16]；③流變壓鑄合金組織內(nèi)的富鐵相有所細化，降低富鐵相本身發(fā)生斷裂可能性，并提高富鐵相與基體之間的結(jié)合力[17—18]。

圖9 為傳統(tǒng)壓鑄與流變壓鑄Al-Si-Fe 合金拉伸后的斷口形貌?？梢钥闯?，對于傳統(tǒng)壓鑄合金，一些尺寸較大的氣孔和縮孔縮松出現(xiàn)在拉伸試樣的斷口上，如圖9a 所示，這些缺陷在拉伸過程中成為斷裂源。圖9b 為傳統(tǒng)壓鑄合金斷口內(nèi)非缺陷區(qū)域形貌，在其斷口中可觀察到撕裂棱、解理面、二次裂紋和少量韌窩，表明拉伸試樣斷裂模式為準解理斷裂。與傳統(tǒng)壓鑄合金的斷口相比，流變壓鑄合金拉伸斷口內(nèi)的氣孔和縮孔縮松缺陷顯著改善；在流變壓鑄合金斷口內(nèi)觀察到一些河流花樣和二次裂紋，并觀察到大量韌窩和撕裂棱（見圖9c—d），表現(xiàn)出典型的局部塑性斷裂特征，因此，流變壓鑄合金具有更優(yōu)的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1）開發(fā)出一種穩(wěn)定、高效大體積流變漿料制備與壓鑄成形一體化工藝——ACSR 流變壓鑄工藝，通過與壓鑄工藝結(jié)合制備出高品質(zhì)大型薄壁5G 通信殼體。

2）對于ACSR 工藝制備流變漿料，增大氣體流量有利于獲得大量細小近球狀的α1-Al 晶粒。

3）與傳統(tǒng)壓鑄Al-Si-Fe 合金相比，ACSR 流變壓鑄合金的抗拉強度和伸長率分別提高了 15%和75%。

圖9 傳統(tǒng)壓鑄與流變壓鑄Al-Si-Fe 合金拉伸后的斷口形貌Fig.9 Fracture morphologies of Al-Si-Fe alloy after stretched by traditional HPDC and Rheo-HPDC