合金在半固態(tài)時(shí)成形與普通鍛造及全液態(tài)壓鑄相比，具有近終成形，延長(zhǎng)模具壽命，減小凝固收縮、氣孔、偏聚等缺陷，具有非枝晶結(jié)構(gòu)和更小的晶粒尺寸等優(yōu)點(diǎn)，而成為21世紀(jì)新一代的金屬成形技術(shù)。該技術(shù)主要包括三部分內(nèi)容，即半固態(tài)坯料制備、部分重熔和觸變成形。其中半固態(tài)坯料制備，即獲得非枝晶結(jié)構(gòu)、能在部分重熔后恢復(fù)良好觸變性的坯錠，是整個(gè)半固態(tài)成形技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。工業(yè)上主要采用電磁攪拌法及應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法來制備半固態(tài)坯料。該技術(shù)在美國、意大利、瑞士、德國、法國等國家已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段，主要采用鋁、鎂合金來進(jìn)行汽車關(guān)鍵零件的制造，對(duì)其他材料如不銹鋼、工具鋼、銅合金、高硅鋁合金、鋅鋁合金及復(fù)合材料的半固態(tài)加工也進(jìn)行了不少研究開發(fā)工作。本文針對(duì)東風(fēng)化油器有限公司在空壓機(jī)連桿擠壓鑄造生產(chǎn)中存在廢品率高的問題，以及實(shí)際零件所用的材料，研究了AlSi10Cu2Mg合金的半固態(tài)坯料制備、部分重熔及空壓機(jī)連桿的觸變擠壓鑄造成形。

1　半固態(tài)坯料制備

空壓機(jī)連桿在常規(guī)液態(tài)擠壓鑄造時(shí)，易在軸套與臂的交匯處產(chǎn)生較為嚴(yán)重的疏松，廢品率高達(dá)20%，實(shí)際生產(chǎn)所用材料為ZL108鋁合金，由于其Si含量接近共晶成分，固/液溫度區(qū)間很小，這一方面造成在半固態(tài)坯料制備時(shí)難以對(duì)熔體形成充分的攪拌，同時(shí)為觸變成形所需的部分重熔工藝控制提出了更高的要求。為此在ZL108合金成分基礎(chǔ)上，稍稍降低了合金的Si含量，以增加平衡條件下的α相含量，研究采用成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10.0%的Si、1.8%的Cu、0.75%的Mg、0.60%的Mn，其余為Al的AlSi10Cu2Mg1合金，在自行研制的電磁攪拌半連續(xù)鑄造裝置上實(shí)現(xiàn)了上述合金的半固態(tài)坯料制備，鑄錠直徑80 mm，長(zhǎng)達(dá)1 600 mm，制備工藝參數(shù)為：熔體轉(zhuǎn)注溫度，690～710 ℃；流槽預(yù)熱溫度，400～500 ℃；攪拌轉(zhuǎn)速，450～550 r/min；鑄造速度，100～120 mm/min；冷卻水量，40 L/min。與A357鋁合金的半固態(tài)坯料制備工藝相比，其連鑄牽引速度較快，提高了停止攪拌溫度，從而增加了后凝α相的體積分?jǐn)?shù)。圖1為半固態(tài)AlSi10Cu2Mg合金坯料的金相組織，初生α相呈近球形，后凝α相呈細(xì)小的等軸樹枝狀。

2　部分重熔工藝及組織變化

半固態(tài)金屬坯料的部分重熔是為了使坯料組織恢復(fù)到固/液混成狀態(tài)，保證一定的液相體積分?jǐn)?shù)(一般在40%～60%)，使坯料恢復(fù)良好的觸變性，為觸變成形做好組織和性能的準(zhǔn)備。目前先進(jìn)的部分重熔工藝大都采用獨(dú)立控制多段式多工位中頻感應(yīng)加熱方法，但由于電磁感應(yīng)加熱裝置比較昂貴，不便于大量的試驗(yàn)研究，為實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)連桿的半固態(tài)觸變成形，我們采用電阻爐加熱的方法研究了AlSi10Cu2Mg合金半固態(tài)組織恢復(fù)的部分重熔工藝及其在加熱過程中的組織變化規(guī)律。

2.1　重熔加熱時(shí)的組織演變

通過成形坯料在電阻爐連續(xù)升溫時(shí)升溫速度的快慢得知，坯料共晶組織在570 ℃左右開始熔化，為此我們研究了4 mm厚的小試樣在575 ℃及580 ℃等溫時(shí)的組織變化，加熱在控溫精度為±1℃的箱式電阻爐中進(jìn)行，保溫時(shí)間以被加熱小試樣周圍溫度達(dá)到預(yù)定溫度后開始算，保溫到預(yù)定時(shí)間后立即水淬試樣，制成金相試樣進(jìn)行組織觀察。

圖2為AlSi10Cu2Mg合金在575 ℃時(shí)保溫不同時(shí)間后的組織，經(jīng)短時(shí)間保溫后，初生α相迅速團(tuán)聚和球團(tuán)化，共晶Si相聚集于α相晶界，同時(shí)由于后凝等軸樹枝狀α相的聚集，在α相內(nèi)包含著少量的塊狀Si相，在α相界存在少量的CuAl2相(圖2a)；保溫5 min時(shí)，塊狀Si相很快分解成十分細(xì)小的Si質(zhì)點(diǎn)彌散分布在α相晶界和晶內(nèi)， α相發(fā)生明顯的球化， 且晶粒尺寸有所下降，這時(shí)富Cu、Mg的共晶部分開始熔化(圖2b)；較長(zhǎng)時(shí)間保溫將形成較多液相，液相中Si含量很高，但由于粒狀α相的存在，在隨后的水淬時(shí)，Si相以細(xì)小顆粒狀存在于α相晶界，α相內(nèi)Si顆粒減少(圖2c)，在這種組織狀態(tài)下，坯料具有很好的觸變性。更長(zhǎng)時(shí)間的保溫，坯料將發(fā)生明顯的變形，不利于成形時(shí)的坯料轉(zhuǎn)移。

AlSi10Cu2Mg合金在580 ℃保溫2 min后，坯料已基本熔化，原來的外形已完全改變，由于沒有α相的有效抑制作用，水淬組織中Si相呈細(xì)小的片層狀，如圖3所示。通過以上結(jié)果可知，對(duì)接近共晶成分的合金，半固態(tài)坯料的重熔加熱溫度只能稍稍高于共晶熔化溫度，且必須嚴(yán)格控制加熱時(shí)的熱輸入量和輸入速度，才能既保持坯料外形，又能滿足半固態(tài)成形時(shí)的組織要求。

2.2　半固態(tài)部分重熔工藝與觸變性

半固態(tài)觸變成形的部分重熔試驗(yàn)采用直徑80 mm， 高 110 mm 的半固態(tài) AlSi10Cu2Mg 圓錠， 在斷面沿軸線鉆兩個(gè)直徑 5 mm 深 20 mm 的孔， 一個(gè)距邊緣約為5 mm編號(hào)為1，另一個(gè)在軸心編號(hào)為2?？變?nèi)插入熱電偶，加熱爐為直徑100 mm，高160 mm的電阻坩堝爐，爐溫通過改變調(diào)壓器的輸入電壓來控制。用調(diào)壓器將加熱爐爐膛溫度控制在800 ℃左右，將裝有熱電偶的合金坯料豎直放入爐中，監(jiān)測(cè)坯料升溫情況。當(dāng)坯料1號(hào)位置升溫速度明顯減慢時(shí)，調(diào)低電壓，將爐膛溫度控制在700～710 ℃保溫一段時(shí)間后移開加熱爐，采用常用的刀切法進(jìn)行觸變性測(cè)試，如果下切阻力小且均勻，切面呈平坦的磨砂狀，沒有裂縫，表明坯料恢復(fù)了觸變性。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)保溫時(shí)間少于10 min，保溫溫度低于577 ℃時(shí)，坯料觸變性不明顯，刀切阻力大，切后坯料內(nèi)產(chǎn)生大量裂縫。保溫溫度高于580 ℃，當(dāng)保溫時(shí)間大于15 min時(shí)，坯料底部會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的墩粗甚至流淌。當(dāng)保溫時(shí)間在10～15 min，保溫溫度在577～578 ℃時(shí)，坯料具有良好的觸變性。

通過觀察半固態(tài)坯料小試樣在二次加熱過程中的組織演變情況，及實(shí)際成形大塊坯料在電阻爐加熱時(shí)的坯料組織轉(zhuǎn)變情況，得到了優(yōu)化的部分重熔工藝，列于表1。在此工藝條件下坯料可獲得良好觸變性，固相顆粒的球形度很好，晶粒尺寸也很合適，液相體積分?jǐn)?shù)在40%～60%范圍內(nèi)。

表1　AlSi10Cu2Mg1合金半固態(tài)坯料的部分重熔工藝

3　半固態(tài)觸變壓鑄

采用自行研制的4工位電阻二次加熱爐，在東風(fēng)化油器有限公司的的3 500 kN擠壓鑄造機(jī)上進(jìn)行了汽車空壓機(jī)連桿的半固態(tài)觸變成形試驗(yàn)。試驗(yàn)采用電磁攪拌連續(xù)流變鑄造工藝下制備的φ72 mm的AlSi10Cu2Mg合金坯料，坯料加熱溫度578～580℃，模具溫度250℃，壓射速度1.63 m/s，壓射比壓86 MPa。圖4為采用半固態(tài)擠壓鑄造制備的汽車空壓機(jī)連桿及其組織照片，可見，零件充型良好，組織致密，α相呈球形。通過對(duì)擠壓鑄造零件的X射線探傷表明，采用半固態(tài)擠壓鑄造工藝生產(chǎn)的空壓機(jī)連桿全部合格，且疏松比常規(guī)全液態(tài)擠壓鑄造生產(chǎn)的零件低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4　結(jié)論

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的ZL108合金初生α相較少，為避免在半固態(tài)組織恢復(fù)時(shí)因液相過多而發(fā)生“墩粗”和“流淌”現(xiàn)象，我們?cè)谶m當(dāng)減少合金Si含量以增加平衡條件下α相的同時(shí)，提高初生α相的形狀因子，以等軸輕微的樹枝狀α相取代球形α相，成功實(shí)現(xiàn)了AlSi10Cu2Mg合金半固態(tài)坯料的制備，通過兩段式電阻爐加熱的方法實(shí)現(xiàn)了其半固態(tài)組織及觸變性的恢復(fù)，并進(jìn)一步在汽車零件半固態(tài)擠壓鑄造實(shí)踐中得到良好的驗(yàn)證。