摘 要 结合汽车零件所用的材质，研究了AlSi10Cu2Mg合金的半固态坯料制备、部分重熔及空压机连杆的半固态触变挤压铸造成形，显示了该技术在铝合金汽车零件生产中的优越性。
关键词：半固态 AlSi10Cu2Mg1合金 部分重熔 触变挤压铸造
合金在半固态时成形与普通锻造及全液态压铸相比，具有近终成形，延长模具寿命，减小凝固收缩、气孔、偏聚等缺陷，具有非枝晶结构和更小的晶粒尺寸等优点，而成为21世纪新一代的金属成形技术［1～3］。该技术主要包括三部分内容，即半固态坯料制备、部分重熔和触变成形。其中半固态坯料制备，即获得非枝晶结构、能在部分重熔后恢复良好触变性的坯锭，是整个半固态成形技术的基础和关键。工业上主要采用电磁搅拌法及应变诱发熔化激活法来制备半固态坯料［4～5］。该技术在美国、意大利、瑞士、德国、法国等国家已进入工业应用阶段，主要采用铝、镁合金来进行汽车关键零件的制造，对其他材料如不锈钢、工具钢、铜合金、高硅铝合金、锌铝合金及复合材料的半固态加工也进行了不少研究开发工作［6～10］。本文针对东风化油器有限公司在空压机连杆挤压铸造生产中存在废品率高的问题，以及实际零件所用的材料，研究了AlSi10Cu2Mg合金的半固态坯料制备、部分重熔及空压机连杆的触变挤压铸造成形。
1 半固态坯料制备
空压机连杆在常规液态挤压铸造时，易在轴套与臂的交汇处产生较为严重的疏松，废品率高达20%，实际生产所用材料为ZL108铝合金，由于其Si含量接近共晶成分，固/液温度区间很小，这一方面造成在半固态坯料制备时难以对熔体形成充分的搅拌，同时为触变成形所需的部分重熔工艺控制提出了更高的要求。为此在ZL108合金成分基础上，稍稍降低了合金的Si含量，以增加平衡条件下的α相含量，研究采用成分(质量分数)为10.0%的Si、1.8%的Cu、0.75%的Mg、0.60%的Mn，其余为Al的AlSi10Cu2Mg1合金，在自行研制的电磁搅拌半连续铸造装置上实现了上述合金的半固态坯料制备，铸锭直径80 mm，长达1 600 mm，制备工艺参数为：熔体转注温度，690～710 ℃；流槽预热温度，400～500 ℃；搅拌转速，450～550 r/min；铸造速度，100～120 mm/min；冷却水量，40 L/min。与A357铝合金的半固态坯料制备工艺相比［11］，其连铸牵引速度较快，提高了停止搅拌温度，从而增加了后凝α相的体积分数。图1为半固态AlSi10Cu2Mg合金坯料的金相组织，初生α相呈近球形，后凝α相呈细小的等轴树枝状。
图1 AlSi10Cu2Mg合金的半固态铸锭组织
2 部分重熔工艺及组织变化
半固态金属坯料的部分重熔是为了使坯料组织恢复到固/液混成状态，保证一定的液相体积分数(一般在40%～60%)，使坯料恢复良好的触变性，为触变成形做好组织和性能的准备。目前先进的部分重熔工艺大都采用独立控制多段式多工位中频感应加热方法，但由于电磁感应加热装置比较昂贵，不便于大量的试验研究，为实现空压机连杆的半固态触变成形，我们采用电阻炉加热的方法研究了AlSi10Cu2Mg合金半固态组织恢复的部分重熔工艺及其在加热过程中的组织变化规律。
2.1 重熔加热时的组织演变
通过成形坯料在电阻炉连续升温时升温速度的快慢得知，坯料共晶组织在570 ℃左右开始熔化，为此我们研究了4 mm厚的小试样在575 ℃及580 ℃等温时的组织变化，加热在控温精度为±1℃的箱式电阻炉中进行，保温时间以被加热小试样周围温度达到预定温度后开始算，保温到预定时间后立即水淬试样，制成金相试样进行组织观察。
图2为AlSi10Cu2Mg合金在575 ℃时保温不同时间后的组织，经短时间保温后，初生α相迅速团聚和球团化，共晶Si相聚集于α相晶界，同时由于后凝等轴树枝状α相的聚集，在α相内包含着少量的块状Si相，在α相界存在少量的CuAl2相(图2a)；保温5 min时，块状Si相很快分解成十分细小的Si质点弥散分布在α相晶界和晶内， α相发生明显的球化， 且晶粒尺寸有所下降，这时富Cu、Mg的共晶部分开始熔化(图2b)；较长时间保温将形成较多液相，液相中Si含量很高，但由于粒状α相的存在，在随后的水淬时，Si相以细小颗粒状存在于α相晶界，α相内Si颗粒减少(图2c)，在这种组织状态下，坯料具有很好的触变性。更长时间的保温，坯料将发生明显的变形，不利于成形时的坯料转移。  
a.2 min b.5 min c.10 min
图2 AlSi10Cu2Mg合金半固态坯料在750 ℃保温不同时间的组织
AlSi10Cu2Mg合金在580 ℃保温2 min后，坯料已基本熔化，原来的外形已完全改变，由于没有α相的有效抑制作用，水淬组织中Si相呈细小的片层状，如图3所示。通过以上结果可知，对接近共晶成分的合金，半固态坯料的重熔加热温度只能稍稍高于共晶熔化温度，且必须严格控制加热时的热输入量和输入速度，才能既保持坯料外形，又能满足半固态成形时的组织要求。
2.2 半固态部分重熔工艺与触变性
半固态触变成形的部分重熔试验采用直径80 mm， 高 110 mm 的半固态 AlSi10Cu2Mg 圆锭， 在断面沿轴线钻两个直径 5 mm 深 20 mm 的孔， 一个距边缘约为5 mm编号为1，另一个在轴心编号为2。孔内插入热电偶，加热炉为直径100 mm，高160 mm的电阻坩埚炉，炉温通过改变调压器的输入电压来控制。用调压器将加热炉炉膛温度控制在800 ℃左右，将装有热电偶的合金坯料竖直放入炉中，监测坯料升温情况。当坯料1号位置升温速度明显减慢时，调低电压，将炉膛温度控制在700～710 ℃保温一段时间后移开加热炉，采用常用的刀切法［1］进行触变性测试，如果下切阻力小且均匀，切面呈平坦的磨砂状，没有裂缝，表明坯料恢复了触变性。
图3 AlSi10Cu2Mg1合金半固态坯料在580 ℃保温2 min后的组织
 
a.空压机连杆 b.内部组织
图4 半固态挤压铸造的空压机连杆及其内部组织
试验发现当保温时间少于10 min，保温温度低于577 ℃时，坯料触变性不明显，刀切阻力大，切后坯料内产生大量裂缝。保温温度高于580 ℃，当保温时间大于15 min时，坯料底部会出现较严重的墩粗甚至流淌。当保温时间在10～15 min，保温温度在577～578 ℃时，坯料具有良好的触变性。
通过观察半固态坯料小试样在二次加热过程中的组织演变情况，及实际成形大块坯料在电阻炉加热时的坯料组织转变情况，得到了优化的部分重熔工艺，列于表1。在此工艺条件下坯料可获得良好触变性，固相颗粒的球形度很好，晶粒尺寸也很合适，液相体积分数在40%～60%范围内。表1 AlSi10Cu2Mg1合金半固态坯料的部分重熔工艺
| 快速加热阶段 | 保温阶段 | | 炉膛温度/℃ | 时间/min | 坯料温度/℃ | 炉膛温度/℃ | 时间/min | 坯料温度/℃ | | 内 | 外 | 内 | 外 | | 800±5 | 15 | 556±1 | 562±1 | 700±5 | 10～15 | 577±0.5 | 578±0.5 |
3 半固态触变压铸
采用自行研制的4工位电阻二次加热炉，在东风化油器有限公司的的3 500 kN挤压铸造机上进行了汽车空压机连杆的半固态触变成形试验。试验采用电磁搅拌连续流变铸造工艺下制备的φ72 mm的AlSi10Cu2Mg合金坯料，坯料加热温度578～580℃，模具温度250℃，压射速度1.63 m/s，压射比压86 MPa。图4为采用半固态挤压铸造制备的汽车空压机连杆及其组织照片，可见，零件充型良好，组织致密，α相呈球形。通过对挤压铸造零件的X射线探伤表明，采用半固态挤压铸造工艺生产的空压机连杆全部合格，且疏松比常规全液态挤压铸造生产的零件低一个数量级。
4 结论
针对标准的ZL108合金初生α相较少，为避免在半固态组织恢复时因液相过多而发生“墩粗”和“流淌”现象，我们在适当减少合金Si含量以增加平衡条件下α相的同时，提高初生α相的形状因子，以等轴轻微的树枝状α相取代球形α相，成功实现了AlSi10Cu2Mg合金半固态坯料的制备，通过两段式电阻炉加热的方法实现了其半固态组织及触变性的恢复，并进一步在汽车零件半固态挤压铸造实践中得到良好的验证。
*国家863计划项目(715-009-0120)
作者简介:张永忠,男,1970年出生,工程师,北京新街口外大街2号(100088)
作者单位：北京有色金属研究总院
参考文献
1 Flemings M C.Behavior of Metal Alloys in the Semi-solid State.Metall.Trans.,1991,22B(6):269～293
2 Kirkwood D H.Semisolid Metal Processing.Int.Met.Rev.,1994,39(5):173～189
3 毛卫民，赵爱民，钟雪友.半固态金属成形应用的新进展与前景展望.特种铸造及有色合金，1998(6)：33～36
4 Vives C. Elaboration of Semisolid Alloys by Means of New Electromagnetic Rheocasting Processes. Metall.Trans.,1992,23B(2):189～205
5 Loue W R,Suery M.Microstructural Evolution during Partilal Remelting of Al-Si7Mg Alloys.Mater.Sci.Eng.,1995,A203:1～13
6 Kattamis T Z,Piccone T J.Rheology of Semi-Solid Al-4.5%Cu-1.5%Mg Alloy.Mater.Sci.Eng.,1991,A131:265～272
7 Nussbaum A I.Semi-Solid Forming of Aluminum and Magnesium.Light Metal Age,1996,54(5/6):6～22
8 Ward P J,Atkinson H V,Anderson P R G et al. Semi-Solid Processing of Novel MMCs Based on Hypereutectic Aluminum-Silicon Alloys Acta.Metall.Mater.,1996,44(5):1 717～1 727
9 Lehuy H,Masounave J,Blain J.Rheological Behavio and Microstructure of Stir-Casting Zinc-Aluminum Alloys.J.Mater.Sci.,1985,20:105～113
10 Chen C P,Tsao Y A.Response of Aluminum/Graphite Composite in the Semi-Solid State.J.Mater.Sci.,1996,31:5 027～5 031
11 刘国钧，张奎，张永忠等.半固态铝合金的连续制备试验与研究.金属学报，1999，35(2)：141～143(end)
|
