原標(biāo)題：北科大&潤星泰：氣冷攪拌棒流變壓鑄工藝在高導(dǎo)熱與高強韌鋁合金中的應(yīng)用

壓鑄作為一種高生產(chǎn)率、低成本的近凈成形工藝，在通訊、汽車、3C等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。有研究者認(rèn)為，目前制約壓鑄技術(shù)進一步擴大應(yīng)用的主要問題是鑄件的多孔性及其帶來的強度問題。在傳統(tǒng)壓鑄過程中，液態(tài)熔體會以紊流狀態(tài)充填型腔，使得型腔內(nèi)氣體無法及時排出而卷入合金內(nèi)部，形成氣孔缺陷，減少了鑄件有效承載面積并造成應(yīng)力集中，從而降低鑄件的力學(xué)性能。也有人認(rèn)為內(nèi)部氣孔是產(chǎn)品服役時突然失效的嚴(yán)重隱患。

與傳統(tǒng)壓鑄使用的高溫液態(tài)熔體相比，半固態(tài)壓鑄使用的具有較高固相率的半固態(tài)漿料擁有較高的表觀黏度和層流特性，在高速充型過程中流動平穩(wěn)，不易卷氣，并且漿料凝固收縮比傳統(tǒng)液態(tài)金屬小，能減少或消除氣孔和縮松等缺陷，提高鑄件的力學(xué)性能。另外，由于漿料進入壓室的溫度比傳統(tǒng)液態(tài)金屬低，大幅減少了對壓鑄模型腔的熱沖擊，延長模具使用壽命。因此，半固態(tài)壓鑄兼顧半固態(tài)成形和傳統(tǒng)壓鑄的優(yōu)點，在工業(yè)化應(yīng)用中有著廣闊的應(yīng)用前景。半固態(tài)壓鑄主要分為觸變壓鑄和流變壓鑄，觸變壓鑄由于二次加熱效率低，因此流變壓鑄成為半固態(tài)加工領(lǐng)域的研究熱點，其工業(yè)化應(yīng)用受到格外重視。

高品質(zhì)半固態(tài)漿料的制備是流變壓鑄技術(shù)發(fā)展的前提和關(guān)鍵。近些年來，國內(nèi)外已提出多種半固態(tài)漿料制備技術(shù)。不同研究者研發(fā)了雙螺旋剪切技術(shù)，通過一對高速旋轉(zhuǎn)的螺桿對熔體實施高剪切率攪拌來制備半固態(tài)漿料；開發(fā)了RSF制漿技術(shù)，采用熵交換材料作為冷卻介質(zhì)從金屬熔體中吸收熱量從而制備半固態(tài)漿料；提出了SEED制漿工藝，在低過熱度澆注條件下，使制備坩堝偏心旋轉(zhuǎn)，在熔體中產(chǎn)生有效剪切作用，抑制初生相枝晶生長，從而制備出半固態(tài)漿料；開發(fā)了GISS技術(shù)，在熔體凝固時通入惰性氣體，利用氣泡擾動來制備半固態(tài)漿料；開發(fā)出振動傾斜板工藝制備半固態(tài)漿料，認(rèn)為是形核熱力學(xué)條件和振動剪切碰撞的綜合作用；開發(fā)出LSPSF制漿工藝，將合金熔體澆注到轉(zhuǎn)動輸送管入口，在重力和轉(zhuǎn)動輸送管內(nèi)壁剪切/冷卻綜合作用下，合金由熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ü滔嗦实陌牍虘B(tài)漿料；開發(fā)了SCP技術(shù)，將過熱熔體澆入立式蛇形通道中降溫，利用自身重力引起的擾動來制備半固態(tài)漿料。這些工藝豐富了半固態(tài)漿料制備技術(shù)，并推動流變壓鑄工藝發(fā)展與應(yīng)用。為了更加穩(wěn)定、連續(xù)、高效制備出高品質(zhì)半固態(tài)漿料，迎合流變壓鑄產(chǎn)業(yè)化推廣和突破國外制漿工藝專利保護，有必要開發(fā)出一些新型簡單、高效、實用、低成本的制漿技術(shù)。

鑒于此，提出了一種氣冷攪拌棒制漿工藝（Air-Cooled Stirring Rod，ACSR），以實現(xiàn)大體積半固態(tài)漿料的連續(xù)快速制備，并與壓鑄機緊密銜接，形成集漿料制備-輸送-成形于一體的流變壓鑄工藝。本研究主要介紹ACSR流變壓鑄工藝產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，同時以Al-8Si合金和Al-6Si合金（Sr變質(zhì)）為原料，結(jié)合4G/5G通信基站用和新能源汽車用殼體件生產(chǎn)，并與傳統(tǒng)壓鑄進行對比，研究ACSR流變壓鑄工藝對合金組織性能的影響。

圖文結(jié)果

試驗材料為Al-6Si、Al-8Si高導(dǎo)熱合金以及Al-7Si-4Cu-0.2Cd高強韌鋁合金，化學(xué)成分見表1。利用SETARAM TGA-92高溫綜合熱分析儀對合金的加熱過程進行差熱分析，可得到Al-8Si合金的液相線溫度和固相線溫度分別為623℃和565℃，Al-6Si合金的液相線和固相線溫度分別為635℃和570℃，Al-7Si-4Cu-0.2Cd合金的液相線和固相線溫度分別為607℃和518℃。圖1為鋁合金均勻凝固控制技術(shù)的設(shè)備示意圖和實物圖，主要由高壓供氣裝置、導(dǎo)氣管、攪拌桿、鋁合金熔體、坩堝和熱電偶等組成。攪拌桿尺寸依據(jù)鋁合金熔體體積和舀料勺尺寸而定，目前鋁合金ACSR制漿裝置已與多種噸位壓鑄機相銜接，具體配套壓鑄機鎖模力為4000、8500、12500、16000、20000、30000和40000kN。另外，ACSR制漿裝置可與真空機構(gòu)結(jié)合，實現(xiàn)在真空環(huán)境制備高品質(zhì)半固態(tài)漿料。

表1 合金的化學(xué)成分(%)

圖1 鋁合金均勻凝固控制技術(shù)制備半固態(tài)漿料設(shè)備示意圖和實物圖

圖2 鋁合金ACSR流變壓鑄流程

隨著5G無線基站信號電器件集成化程度的提高，通信類設(shè)備正朝著超薄超輕、高散熱、高力學(xué)性能和高耐蝕性方向發(fā)展。將ACSR制漿技術(shù)結(jié)合壓鑄工藝，建立了全新的鋁合金均勻凝固控制處理、輸送、壓鑄及取件一體化、全自動、高效的高性能大型薄壁壓鑄件生產(chǎn)線，可滿足通信設(shè)備結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用要求。目前該技術(shù)已應(yīng)用于4G/5G無線基站散熱殼體、濾波器、屏蔽盒體和安裝支架等重要高品質(zhì)壓鑄結(jié)構(gòu)件。圖3為使用該項技術(shù)生產(chǎn)的幾種典型的Al-8Si和Al-6Si鋁合金高性能通信用大型薄壁壓鑄件。

（a）5G通信散熱殼體1 Al-8Si

（b）5G通信散熱殼體2 Al-6Si

（c）5G通信散熱殼體3 Al-6Si

圖3 幾種典型的Al-8Si和Al-6Si鋁合金高品質(zhì)5G通信用大型薄壁流變壓鑄件

（a）汽車電源轉(zhuǎn)換器殼體

（b）新能源汽車端蓋

（c）汽車轉(zhuǎn)向器連接管

圖4 幾款典型的高品質(zhì)汽車用ACSR流變壓鑄件

表2 傳統(tǒng)壓鑄與流變壓鑄生產(chǎn)的鋁合金5G通訊殼體的表面品質(zhì)和孔隙率對比

（a）Al-8Si合金       （b）Al-8Si合金,
,傳統(tǒng)壓鑄                ACSR流變壓鑄

圖5 傳統(tǒng)壓鑄與ACSR流變壓鑄Al-8Si、Al-6Si和Al-7Si-4Cu-0.2Cd合金試樣的顯微組織

可以看出，傳統(tǒng)壓鑄件組織內(nèi)存在較多枝晶狀α-Al且可觀察到較多縮孔、縮松缺陷。然而，ACSR流變壓鑄件組織中可觀察到大量細小近球狀初生α-Al晶粒，且內(nèi)部缺陷顯著減少。另外，ACSR流變壓鑄件內(nèi)次生α-Al晶粒和共晶Si也得到一定程度細化。根據(jù)相關(guān)研究可知，ACSR流變壓鑄鋁合金中的富Fe相均勻分布于共晶組織中，且平均尺寸要小于傳統(tǒng)壓鑄合金。

表3 ACSR流變壓鑄和傳統(tǒng)壓鑄Al-8Si、Al-6Si和Al-7Si-4Cu-0.2Cd合金的力學(xué)性能與熱學(xué)性能

結(jié)論

（1）開發(fā)出一種穩(wěn)定、高效的半固態(tài)漿料制備與壓鑄成形一體化工藝，即ACSR流變壓鑄工藝，建立了多條全新的鋁合金均勻凝固控制制漿、輸送、壓鑄及取件一體化、全自動、高效的高性能流變壓鑄件生產(chǎn)線，實現(xiàn)了流變壓鑄高品質(zhì)大型薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)件產(chǎn)業(yè)化。

（2）相比于傳統(tǒng)壓鑄，ACSR流變壓鑄工藝生產(chǎn)的鋁合金鑄件具有更優(yōu)異的表面質(zhì)量和更低的孔隙率，平面度僅為0.20~0.25mm，表面粗糙度降到3.2μm，且氣孔率下降到0.9%。

（3）與傳統(tǒng)壓鑄合金相比，ACSR流變壓鑄鋁合金具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，其抗拉強度和伸長率分別提高了20%~22%和34%~75%，導(dǎo)熱系數(shù)提高了7.5%~10.1%。

本文作者：

祁明凡 朱國明 康永林
北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
王繼成 張瑩 李谷南
珠海市潤星泰電器有限公司
張光金
山東德泰機械制造集團有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴