大體積流變漿料制備與壓鑄成形一體化工藝及其應用

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 材料科學與工程學院，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)域得到了廣泛應用。Dong 等[1]認為目前制約壓鑄技術(shù)進一步擴大應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，造成應力集中，從而降低鑄件力學性能。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，認為是形核熱力學條件和振動剪切碰撞的綜合作用；南昌大學楊湘杰[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。可以看出，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、高良品率的基礎上，結(jié)合鑄件顯微組織，生產(chǎn)時將氣體流量設定為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。可以看出，傳統(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合金的應力應變曲線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 合金的應力應變曲線。可以看出，流變壓鑄合金具有更優(yōu)異的力學性能，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。可以看出，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