原標題：A356.0 鋁合金半固態制漿技術在重力鑄造中的應用研究

摘要

本文主要研究了A356.0鋁合金半固態漿料技術在重力澆注工藝中的應用。選取結構復雜的薄壁型鋁合金閥體鑄件為研究對象，分別使用通過吹氣制漿設備制備一定固相率的鋁液進行傾轉式重力澆注工藝與常規液態鋁液傾轉式重力澆注工藝試生產，制定試驗方案并采集多組工藝數據，對各組試驗中半固態、液態間流動性、金相組織及產品性能等多項數據對比分析，為半固態制漿在鋁合金重力鑄造的應用奠定了基礎。

鋁合金重力澆注是常見的鋁合金鑄造工藝方法，該方法適用于使用工況惡劣、力學性能要求高的產品，但由于其成形主要依靠重力作用，在實際應用中有一定的產品結構限制。 對于壁薄（平均壁厚不大于5 mm）、結構復雜、力學性能及承壓要求高的產品在使用重力澆注時，容易出現氣孔、縮孔、疏松及成形不良等缺陷，導致產品良品率低，制造成本上升，實現批量生產難度大。半固態制漿技術是通過專業方法使金屬在液相線附近獲得具有一定非枝晶初生固相的固-液混合漿料。半固態漿料由于其制備方法的特殊性，其晶粒更細，流動性增加，且由于一定量的液相存在，變形阻力減小，提高了重力澆注復雜零件的成形能力。本研究提出了以A356.0這種常見鋁合金澆注材料，利用半固態漿料技術與常規液態兩種金屬液狀態，在一定工藝條件下進行傾轉式重力澆注，對兩種工藝結果進行對比分析，從而改善結構復雜的薄壁型鋁合金重力澆注件的合格率和質量水平。

與常規鋁合金重力澆注工藝相比，該工藝僅需增加半固態制漿過程，且產品合格率提升、制造成本低、工藝節拍縮短，適合大規模生產，是行業內關注的課題。

1 試驗過程

本研究選取典型的結構復雜、壁薄且性能要求高的工件-汽車處理系統增壓閥閥體為研究對象，在同一套重力澆注模具中，使用相同鋁合金鑄造材料A356.0進行試驗。在使用半固態制漿技術獲得的半固態漿料進行傾轉式重力澆注與常規液態進行傾轉式重力澆注兩種生產工藝條件下進行試驗，每種生產工藝分別設計3組工藝參數進行試驗，每組生產10模（20件），產品按組分別進行對比研究。

1.1　試驗產品性能要求和結構分析

試驗閥體材質為A356.0鋁合金，其化學成分要求及力學性能要求分別見表1和表2。

表1 鑄件化學成分 wB/%

表2 鑄件力學性能要求

該閥體結構復雜，內腔有氣道及鑲嵌件，閥體形狀三維見圖1。

圖1 閥體結構三維圖

閥體為不規則形狀且有多處厚壁凸臺，管口一側為菱形法蘭，另一側為長方形法蘭且帶有凸臺。其外輪廓尺寸為179 mm×87 mm×131 mm，產品平均壁厚4.37 mm，最大壁厚23.21 mm，最小壁厚2.8 mm，壁厚分析見圖2。

圖2 零件壁厚分析

該閥體要求經過密封性測試，測試介質為水，測試壓力為0.3 MPa，且該產品外觀不允許有裂紋、氣孔及貫穿性縮孔和縮松。

1.2 產品鑄造工藝及模具設計

根據產品技術要求及結構特點，選擇傾轉式重力鑄造工藝。在進行澆注系統設計時，綜合分析形狀因素和壁厚因素結合順序凝固的原則，考慮熱節補縮效果，選擇在鑄件壁厚最厚處進料，氣道、內腔及菱形法蘭處使用殼芯輔助成形。由于產品較小，為保證模具溫度，設置一模兩腔結構。鑄造工藝設計方案見圖3，模具結構設計方案見圖4。

圖3 鑄造工藝設計方案

圖4 下模及上模的結構設計方案

1.3 CAE 模擬分析

CAE基于液態重力澆注工藝進行分析，分析結果見圖5。從充型分析、卷氣分析、凝固分析及孔隙率分析四個維度進行，可以看出，充型過程相對平穩，無明顯卷氣現象，凝固過程中內腔氣道存在孤立液相及氣壓升高現象，最薄處氣道壁由于孤立液相及困氣因素存在氣縮孔的風險概率在2%左右。模擬結果表明，鑄造工藝需著重考慮困氣及凝固溫度場的管控。

圖5 CAE模擬

1.4 閥體重力澆注工藝驗證

閥體在進行重力澆注工藝驗證時，采用同一臺傾轉式重力澆注機和同一套模具進行兩種澆注工藝的驗證。兩種方案按照相同的工序流程進行：傾轉澆注→震砂→去澆注系統→去飛邊→熱處理→拋丸，其中熱處理工藝按照工藝參數為固溶（535±5）℃×6 h+時效（170±5）℃×6 h的熱處理進行。兩種方案所生產的樣件以相同的擺放方式放入同一工位裝備同時進入同一臺熱處理爐進行熱處理。

方案一使用常規液態鋁液進行傾轉式重力澆注，方案二使用半固態制漿機對液態鋁液進行半固態制漿后進行傾轉式重力澆注。

1.4.1 方案一：常規液態鋁液傾轉式重力澆注

常規液態鋁液傾轉式澆注基于CAE仿真時設定的參數條件，結合模擬結果，按照表3三組工藝參數進行工藝驗證，驗證時每組參數各生產10模（20件），分別使用針式打標機在指定位置做好組別編號，按工序流程進行生產，生產工序結束后進行外觀檢驗、X光探傷及加工氣密驗證，并對結果進行統計分析，統計結果見表4。

表3 常規液態鋁液傾轉式重力澆注工藝參數

表4 常規液態鋁液傾轉式重力澆注工藝驗證數據

根據產品檢驗結果，外觀缺陷主要為澆不足和氣紋，X光探傷結果顯示主要缺陷為氣道與內腔間壁厚組織縮松貫穿，氣密主要缺陷為內腔泄漏，泄漏位置與X光探傷缺陷位置一致。

1.4.2 方案二：半固態制漿料傾轉式重力澆注

對液態鋁液使用GISS半固態制漿機進行半固態制漿后進行傾轉式重力澆注，試驗分三組進行，按照表5試驗參數進行，驗證時每組參數各生產10模（20件），分別使用針式打標機在指定位置做好組別編號，按工序流程進行生產，生產工序結束后進行外觀檢驗、X光探傷及加工氣密驗證，并對結果進行統計分析，統計結果見表6。

表5 半固態漿料傾轉式重力澆注工藝參數

表6 半固態漿料傾轉式重力澆注工藝驗證數據

根據檢驗結果，產品外觀成形良好，極少數產品X光探傷顯示氣道與內腔間壁厚組織有輕微縮松。

1.5 閥體力學性能驗證

隨機選取第3組和第6組加工后氣密合格的零件各3件，在樣件本體指定位置進行取樣，取樣區域位置見圖6，每個樣件取1根并加工至規定尺寸要求，試棒尺寸見圖7。試驗采用WD-P4104電子萬能驗機進行，試驗機系統測量誤差±0.5%。拉伸試驗結果見表7。

圖6 力學性能測試棒取樣區域位置

圖7 試棒尺寸

表7 兩種工藝力學性能對比驗證數據

2 結果和討論

2.1 工藝數據對比分析

對比表4-表6，分析兩種方案的工藝參數及產品檢驗結果可以發現，半固態重力澆注所需的鋁液澆注溫度更低，凝固時間更短，模具溫度更高，所產出的產品綜合合格率更高。

2.2 產品力學性能對比分析

根據表7力學性能對比結果，可以發現，與常規液態鋁液重力澆注件相比，半固態制漿重力澆注件的力學性能更高。

2.3 產品質量對比分析

隨機抽取第3組及第6組兩種工藝參數生產的產品各1件分別進行外觀、內部質量對比（CT掃描法）、金相組織分析，對比結果見圖8-圖11。

圖8 外觀表面對比

圖9 成形性對比

圖10 半固態制漿澆注樣件和常規液態澆注樣件的內部質量CT掃描結果

圖11 半固態制漿澆注樣件和常規液態澆注樣件的微觀組織

從圖8-圖9可以發現，與常規液態鋁液重力澆注件相比，半固態制漿重力澆注件表面流紋和澆不足明顯減少。

從圖10 CT掃描結果可以發現，與常規液態鋁液重力澆注件相比，半固態制漿重力澆注件在壁厚區的微觀收縮較小。

從圖11金相結果可以發現，與常規液態鋁液重力澆注件相比，半固態制漿重力澆注件的晶粒尺寸更小，晶粒更細。

3 結論

（1）半固態重力澆注件更易于成形，可有效解決澆不足等鑄造缺陷。并可有效解決因困氣而產生的澆不足和氣紋等鑄造缺陷。

（2）半固態重力澆注工藝凝固過程中收縮率更低，內部組織更致密。

（3）半固態重力澆注工藝力學性能更優。

（4）半固態重力澆注工藝熔化及保溫溫度更低，噸金屬液能耗更低，可大幅降低制造成本。而重力澆注工藝澆注溫度更低，凝固時間縮短，可有效降低工藝節拍，提高生產效率。

作者：

胡立軍 朱宇驍? 張海潮

無錫貝爾機械股份有限公司

本文來自：鑄造雜志