超声波和热平衡复合作用对铝合金压铸件优化的效果

原标题：超声波和热平衡复合作用对铝合金压铸件优化的效果

金属半固态成形技术具有诸多优点, 而半固态浆料或坯料的制备是其基础和关键, 要求坯料的组织为均匀细小的球形非枝晶组织。围绕半固态浆料制备, 国内外进行了大量的研究。但是由于受到容器尺寸的影响, 大体积的熔体难以同时进入过冷状态, 液态合金各部位存在明显的温度差, 以至于不同部位的冷却速率不一样, 导致最终获得的组织形貌不一致。鉴于此, 本课题开发了一套处理装置 (该装置包含不锈钢空心吸热圆管) , 采用一种新型的热平衡法制浆工艺, 该工艺成本低、流程短、操作简单, 并可迅速吸收料筒内心部熔体的过热, 提高心部熔体的激冷效果。另外, 将热平衡法处理装置外接超声振动器, 首次将超声振动和热平衡法复合作用于铝合金熔体, 进一步改善了浆料的组织。前期试验采用复合超声振动热平衡法与直接热平衡法制备了A356铝合金半固态浆料, 对其组织进行了对比分析, 发现前者所得试样的组织优于后者。以A356铝合金为研究对象, 分别采用超声振动热平衡法、直接热平衡法以及传统铸造工艺制备铝合金半固态浆料, 并以相同的浇注温度、模具温度、压射压力和压射速度进行成形, 通过分析不同制浆工艺条件对压铸件金相组织及力学性能的影响, 研究超声振动和热平衡复合作用对合金组织的优化效果。

图文结果

试验采用3种浆料制备工艺: (1) 超声振动热平衡法:将热平衡法处理装置与功率为1.8kW、振动频率为20kHz的超声振动器相结合, 开启超声振动, 制备半固态浆料; (2) 直接热平衡法:不开启超声振动, 用热平衡法处理装置制备半固态浆料; (3) 传统压铸:不采用热平衡法处理装置, 直接压铸成形。

热平衡法制浆参数, 即熔体处理温度为630℃, 吸热圆管外径为φ34mm、壁厚为1.1mm。压铸成形工艺参数:模具预热温度在250℃以上, 熔体浇注温度为620℃, 压铸机的压射压力为400kN、压射速度为0.3m/s。浆料压铸成形后, 对比不同工艺条件下获得的压铸件的金相组织及力学性能, 并将部分试样进行T6热处理 (530℃×6h固溶+80℃水淬+150℃×6h时效后空冷) 。

表1 A356铝合金的化学成分（%）

图1 超声振动热平衡法处理装置示意图1.控制柜 2.超声波换能器 3.超声变幅杆 4.空心吸热圆管 5.料筒 6.耐火砖 7.支撑架 8.升降电机

图2 压铸试验装置示意图1.压射室 2.小车 3.压射杆 4.模具5.油缸 6.立柱 7.导轨

表2 J15-300型立式压铸机主要技术参数

图3 模具和压铸件三维模型

预热坩埚电阻炉等工具后, 将A356铝合金铸锭放入炉中加热至720℃并保温, 对熔体进行除渣、除气, 按3种不同工艺制备合金浆料并压铸成形: (1) 超声振动热平衡法, 将预浇注熔体转移至随炉预热的小坩埚中, 用热电偶测量铝液温度, 当温度降至630℃时, 将熔体浇入料筒中;开启升降电机, 升降速度为20 mm/s, 同时打开超声振动, 在电机的带动下吸热圆管进入料筒中, 待吸热圆管到达料筒底部后静置5s后拔出;测量料筒中的铝液温度, 待温度降至620℃时将半固态浆料进行压铸成形; (2) 直接热平衡法, 不开启超声振动, 吸热圆管直接进入料筒中, 到达料筒底部后静置5s后拔出。铝液温度降至620℃时进行压铸成形; (3) 传统压铸, 将预浇注熔体转移至随炉预热的小坩埚中, 待温度降至620℃时直接进行压铸成形。

图4 压铸件实物图

图5 T6热处理前不同工艺条件下A356铝合金压铸件的心部组织

图6 T6热处理前不同工艺条件下A356铝合金压铸件的边缘处组织

图7 T6热处理后不同工艺条件下A356铝合金压铸件的心部组织

图8 T6热处理后不同工艺条件下A356铝合金压铸件的边缘处组织

图9 不同工艺条件下金相组织的平均当量直径和平均形状因子

热平衡法制浆工艺采用吸热部件作为内部冷却器, 用以吸收热量而控制温度, 并制得浆料。相比建立在外部冷却思想基础上的传统直接制备浆料的方法, 该工艺提供了提高冷却工艺的可控性及效率的手段。采用超声振动热平衡法制备半固态浆料时, 吸热圆管对熔体吸热的同时施加超声振动, 超声波在熔体中传播时能产生力学效应, 引起微观紊流, 促进料筒壁、吸热圆管壁和熔体的对流传热, 加速熔体温度均匀化, 从而增加了形核率, 也为均匀形核提供了条件, 使晶粒各向均匀生长, 金相组织变得均匀、细小、圆整。

图10 拉伸试棒示意图

表3 不同工艺条件下A356铝合金压铸件的力学性能

超声振动热平衡法工艺条件下所得半固态压铸件的金相组织最好, 平均当量直径最小, 达到41.3μm, 平均形状因子最大, 达到0.95。传统工艺压铸件的金相组织最差。超声振动热平衡法工艺条件下所得半固态压铸件的综合力学性能最好, 传统工艺压铸件的综合力学性能最差。T6热处理能有效提高压铸件的综合力学性能。

本文作者：

李超 杨湘杰 郭洪民南昌大学机电工程学院江西省高性能精确成形重点实验室

李超南昌职业学院工程系

王家宣 李振兴江西江锻重工有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴