原標(biāo)題：超聲波和熱平衡復(fù)合作用對鋁合金壓鑄件優(yōu)化的效果

金屬半固態(tài)成形技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn), 而半固態(tài)漿料或坯料的制備是其基礎(chǔ)和關(guān)鍵, 要求坯料的組織為均勻細(xì)小的球形非枝晶組織。圍繞半固態(tài)漿料制備, 國內(nèi)外進(jìn)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(shí)進(jìn)入過冷狀態(tài), 液態(tài)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(dǎo)致最終獲得的組織形貌不一致。鑒于此, 本課題開發(fā)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(nèi)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(dòng)器, 首次將超聲振動(dòng)和熱平衡法復(fù)合作用于鋁合金熔體, 進(jìn)一步改善了漿料的組織。前期試驗(yàn)采用復(fù)合超聲振動(dòng)熱平衡法與直接熱平衡法制備了A356鋁合金半固態(tài)漿料, 對其組織進(jìn)行了對比分析, 發(fā)現(xiàn)前者所得試樣的組織優(yōu)于后者。以A356鋁合金為研究對象, 分別采用超聲振動(dòng)熱平衡法、直接熱平衡法以及傳統(tǒng)鑄造工藝制備鋁合金半固態(tài)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(jìn)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(xué)性能的影響, 研究超聲振動(dòng)和熱平衡復(fù)合作用對合金組織的優(yōu)化效果。

圖文結(jié)果

試驗(yàn)采用3種漿料制備工藝: (1) 超聲振動(dòng)熱平衡法:將熱平衡法處理裝置與功率為1.8kW、振動(dòng)頻率為20kHz的超聲振動(dòng)器相結(jié)合, 開啟超聲振動(dòng), 制備半固態(tài)漿料; (2) 直接熱平衡法:不開啟超聲振動(dòng), 用熱平衡法處理裝置制備半固態(tài)漿料; (3) 傳統(tǒng)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(shù), 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(shù):模具預(yù)熱溫度在250℃以上, 熔體澆注溫度為620℃, 壓鑄機(jī)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(xué)性能, 并將部分試樣進(jìn)行T6熱處理 (530℃×6h固溶+80℃水淬+150℃×6h時(shí)效后空冷) 。

表1 A356鋁合金的化學(xué)成分（%）

圖1 超聲振動(dòng)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(jī)

圖2 壓鑄試驗(yàn)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(dǎo)軌

表2 J15-300型立式壓鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖3 模具和壓鑄件三維模型

預(yù)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(jìn)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(dòng)熱平衡法, 將預(yù)澆注熔體轉(zhuǎn)移至隨爐預(yù)熱的小坩堝中, 用熱電偶測量鋁液溫度, 當(dāng)溫度降至630℃時(shí), 將熔體澆入料筒中;開啟升降電機(jī), 升降速度為20 mm/s, 同時(shí)打開超聲振動(dòng), 在電機(jī)的帶動(dòng)下吸熱圓管進(jìn)入料筒中, 待吸熱圓管到達(dá)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(shí)將半固態(tài)漿料進(jìn)行壓鑄成形; (2) 直接熱平衡法, 不開啟超聲振動(dòng), 吸熱圓管直接進(jìn)入料筒中, 到達(dá)料筒底部后靜置5s后拔出。鋁液溫度降至620℃時(shí)進(jìn)行壓鑄成形; (3) 傳統(tǒng)壓鑄, 將預(yù)澆注熔體轉(zhuǎn)移至隨爐預(yù)熱的小坩堝中, 待溫度降至620℃時(shí)直接進(jìn)行壓鑄成形。

圖4 壓鑄件實(shí)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(dāng)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(nèi)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(chǔ)上的傳統(tǒng)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(dòng)熱平衡法制備半固態(tài)漿料時(shí), 吸熱圓管對熔體吸熱的同時(shí)施加超聲振動(dòng), 超聲波在熔體中傳播時(shí)能產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng), 引起微觀紊流, 促進(jìn)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(xì)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(xué)性能

超聲振動(dòng)熱平衡法工藝條件下所得半固態(tài)壓鑄件的金相組織最好, 平均當(dāng)量直徑最小, 達(dá)到41.3μm, 平均形狀因子最大, 達(dá)到0.95。傳統(tǒng)工藝壓鑄件的金相組織最差。超聲振動(dòng)熱平衡法工藝條件下所得半固態(tài)壓鑄件的綜合力學(xué)性能最好, 傳統(tǒng)工藝壓鑄件的綜合力學(xué)性能最差。T6熱處理能有效提高壓鑄件的綜合力學(xué)性能。

本文作者：

李超 楊湘杰 郭洪民
南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院
江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

李超
南昌職業(yè)學(xué)院工程系

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本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴