本文主要研究了A356.0鋁合金半固態(tài)漿料技術(shù)在重力澆注工藝中的應(yīng)用。選取結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁型鋁合金閥體鑄件為研究對(duì)象，分別使用通過吹氣制漿設(shè)備制備一定固相率的鋁液進(jìn)行傾轉(zhuǎn)式重力澆注工藝與常規(guī)液態(tài)鋁液傾轉(zhuǎn)式重力澆注工藝試生產(chǎn)，制定試驗(yàn)方案并采集多組工藝數(shù)據(jù)，對(duì)各組試驗(yàn)中半固態(tài)、液態(tài)間流動(dòng)性、金相組織及產(chǎn)品性能等多項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，為半固態(tài)制漿在鋁合金重力鑄造的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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(xué)性能要求高的產(chǎn)品，但由于其成形主要依靠重力作用，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制。 對(duì)于壁薄（平均壁厚不大于5 mm）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)性能及承壓要求高的產(chǎn)品在使用重力澆注時(shí)，容易出現(xiàn)氣孔、縮孔、疏松及成形不良等缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品良品率低，制造成本上升，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)難度大。半固態(tài)制漿技術(shù)是通過專業(yè)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(tài)漿料由于其制備方法的特殊性，其晶粒更細(xì)，流動(dòng)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(fù)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(tài)漿料技術(shù)與常規(guī)液態(tài)兩種金屬液狀態(tài)，在一定工藝條件下進(jìn)行傾轉(zhuǎn)式重力澆注，對(duì)兩種工藝結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而改善結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁型鋁合金重力澆注件的合格率和質(zhì)量水平。
與常規(guī)鋁合金重力澆注工藝相比，該工藝僅需增加半固態(tài)制漿過程，且產(chǎn)品合格率提升、制造成本低、工藝節(jié)拍縮短，適合大規(guī)模生產(chǎn)，是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的課題。
1 試驗(yàn)過程
本研究選取典型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄且性能要求高的工件-汽車處理系統(tǒng)增壓閥閥體為研究對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)。在使用半固態(tài)制漿技術(shù)獲得的半固態(tài)漿料進(jìn)行傾轉(zhuǎn)式重力澆注與常規(guī)液態(tài)進(jìn)行傾轉(zhuǎn)式重力澆注兩種生產(chǎn)工藝條件下進(jìn)行試驗(yàn)，每種生產(chǎn)工藝分別設(shè)計(jì)3組工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，每組生產(chǎn)10模（20件），產(chǎn)品按組分別進(jìn)行對(duì)比研究。
1.1 試驗(yàn)產(chǎn)品性能要求和結(jié)構(gòu)分析
試驗(yàn)閥體材質(zhì)為A356.0鋁合金，其化學(xué)成分要求及力學(xué)性能要求分別見表1和表2。
該閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔有氣道及鑲嵌件，閥體形狀三維見圖1。
閥體為不規(guī)則形狀且有多處厚壁凸臺(tái)，管口一側(cè)為菱形法蘭，另一側(cè)為長(zhǎng)方形法蘭且?guī)в型古_(tái)。其外輪廓尺寸為179 mm×87 mm×131 mm，產(chǎn)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。
該閥體要求經(jīng)過密封性測(cè)試，測(cè)試介質(zhì)為水，測(cè)試壓力為0.3 MPa，且該產(chǎn)品外觀不允許有裂紋、氣孔及貫穿性縮孔和縮松。
1.2 產(chǎn)品鑄造工藝及模具設(shè)計(jì)
根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇傾轉(zhuǎn)式重力鑄造工藝。在進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合分析形狀因素和壁厚因素結(jié)合順序凝固的原則，考慮熱節(jié)補(bǔ)縮效果，選擇在鑄件壁厚最厚處進(jìn)料，氣道、內(nèi)腔及菱形法蘭處使用殼芯輔助成形。由于產(chǎn)品較小，為保證模具溫度，設(shè)置一模兩腔結(jié)構(gòu)。鑄造工藝設(shè)計(jì)方案見圖3，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖4。
1.3 CAE 模擬分析
CAE基于液態(tài)重力澆注工藝進(jìn)行分析，分析結(jié)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(gè)維度進(jìn)行，可以看出，充型過程相對(duì)平穩(wěn)，無明顯卷氣現(xiàn)象，凝固過程中內(nèi)腔氣道存在孤立液相及氣壓升高現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)概率在2%左右。模擬結(jié)果表明，鑄造工藝需著重考慮困氣及凝固溫度場(chǎng)的管控。
1.4 閥體重力澆注工藝驗(yàn)證
閥體在進(jìn)行重力澆注工藝驗(yàn)證時(shí)，采用同一臺(tái)傾轉(zhuǎn)式重力澆注機(jī)和同一套模具進(jìn)行兩種澆注工藝的驗(yàn)證。兩種方案按照相同的工序流程進(jìn)行：傾轉(zhuǎn)澆注→震砂→去澆注系統(tǒng)→去飛邊→熱處理→拋丸，其中熱處理工藝按照工藝參數(shù)為固溶（535±5）℃×6 h+時(shí)效（170±5）℃×6 h的熱處理進(jìn)行。兩種方案所生產(chǎn)的樣件以相同的擺放方式放入同一工位裝備同時(shí)進(jìn)入同一臺(tái)熱處理爐進(jìn)行熱處理。
方案一使用常規(guī)液態(tài)鋁液進(jìn)行傾轉(zhuǎn)式重力澆注，方案二使用半固態(tài)制漿機(jī)對(duì)液態(tài)鋁液進(jìn)行半固態(tài)制漿后進(jìn)行傾轉(zhuǎn)式重力澆注。
1.4.1 方案一：常規(guī)液態(tài)鋁液傾轉(zhuǎn)式重力澆注
常規(guī)液態(tài)鋁液傾轉(zhuǎn)式澆注基于CAE仿真時(shí)設(shè)定的參數(shù)條件，結(jié)合模擬結(jié)果，按照表3三組工藝參數(shù)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，驗(yàn)證時(shí)每組參數(shù)各生產(chǎn)10模（20件），分別使用針式打標(biāo)機(jī)在指定位置做好組別編號(hào)，按工序流程進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)工序結(jié)束后進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、X光探傷及加工氣密驗(yàn)證，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。
根據(jù)產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果，外觀缺陷主要為澆不足和氣紋，X光探傷結(jié)果顯示主要缺陷為氣道與內(nèi)腔間壁厚組織縮松貫穿，氣密主要缺陷為內(nèi)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(tài)制漿料傾轉(zhuǎn)式重力澆注
對(duì)液態(tài)鋁液使用GISS半固態(tài)制漿機(jī)進(jìn)行半固態(tài)制漿后進(jìn)行傾轉(zhuǎn)式重力澆注，試驗(yàn)分三組進(jìn)行，按照表5試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行，驗(yàn)證時(shí)每組參數(shù)各生產(chǎn)10模（20件），分別使用針式打標(biāo)機(jī)在指定位置做好組別編號(hào)，按工序流程進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)工序結(jié)束后進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、X光探傷及加工氣密驗(yàn)證，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。
根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)品外觀成形良好，極少數(shù)產(chǎn)品X光探傷顯示氣道與內(nèi)腔間壁厚組織有輕微縮松。
1.5 閥體力學(xué)性能驗(yàn)證
隨機(jī)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(jìn)行取樣，取樣區(qū)域位置見圖6，每個(gè)樣件取1根并加工至規(guī)定尺寸要求，試棒尺寸見圖7。試驗(yàn)采用WD-P4104電子萬能驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)測(cè)量誤差±0.5%。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表7。
2 結(jié)果和討論
2.1 工藝數(shù)據(jù)對(duì)比分析
對(duì)比表4-表6，分析兩種方案的工藝參數(shù)及產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)重力澆注所需的鋁液澆注溫度更低，凝固時(shí)間更短，模具溫度更高，所產(chǎn)出的產(chǎn)品綜合合格率更高。
2.2 產(chǎn)品力學(xué)性能對(duì)比分析
根據(jù)表7力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)液態(tài)鋁液重力澆注件相比，半固態(tài)制漿重力澆注件的力學(xué)性能更高。
2.3 產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比分析
隨機(jī)抽取第3組及第6組兩種工藝參數(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品各1件分別進(jìn)行外觀、內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比（CT掃描法）、金相組織分析，對(duì)比結(jié)果見圖8-圖11。
從圖8-圖9可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)液態(tài)鋁液重力澆注件相比，半固態(tài)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(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)液態(tài)鋁液重力澆注件相比，半固態(tài)制漿重力澆注件在壁厚區(qū)的微觀收縮較小。
從圖11金相結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)液態(tài)鋁液重力澆注件相比，半固態(tài)制漿重力澆注件的晶粒尺寸更小，晶粒更細(xì)。
3 結(jié)論
（1）半固態(tài)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(chǎn)生的澆不足和氣紋等鑄造缺陷。
（2）半固態(tài)重力澆注工藝凝固過程中收縮率更低，內(nèi)部組織更致密。
（3）半固態(tài)重力澆注工藝力學(xué)性能更優(yōu)。
（4）半固態(tài)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(shí)間縮短，可有效降低工藝節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。
作者：
胡立軍 朱宇驍? 張海潮
無錫貝爾機(jī)械股份有限公司
本文來自：鑄造雜志
