原標(biāo)題：A356鋁合金渦旋盤半固態(tài)壓鑄工藝研究

摘要

研究了A356鋁合金渦旋盤的壓鑄成形工藝，通過數(shù)值模擬對比了液態(tài)壓鑄、半固態(tài)壓鑄工藝的缺陷控制效果。經(jīng)過優(yōu)化，采用半固態(tài)真空壓鑄工藝進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，并對鑄件進(jìn)行了金相分析及性能測試。結(jié)果表明，半固態(tài)充填過程鋁液流態(tài)比液態(tài)壓鑄更平穩(wěn)，渦旋盤螺旋齒和底面等關(guān)鍵部位產(chǎn)生的卷氣量、氧化夾雜量和縮孔更少，通過抽真空可進(jìn)一步降低缺陷數(shù)量。渦旋盤半固態(tài)真空壓鑄件組織致密，無明顯氣孔、縮孔和疏松等缺陷，其鑄態(tài)組織為圓整的等軸晶，Si相以共晶團(tuán)形式分布在Al基體中，經(jīng)T6熱處理后共晶Si相球化為均勻分布的細(xì)小顆粒，渦旋盤HB硬度由鑄態(tài)的53.1提升至93.5，高于同規(guī)格低壓鑄造渦旋盤的硬度。

渦旋式壓縮機(jī)因運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷、熱泵及生物醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。其核心部件包括動靜渦旋盤、偏心軸、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支架。靜渦旋盤固定，動渦旋盤由電機(jī)驅(qū)動做偏心轉(zhuǎn)動，兩者嚙合形成多個(gè)壓縮腔，氣體從進(jìn)氣口吸入并逐步壓縮，最終由排氣孔排出。動靜渦旋盤的螺旋齒需高精度嚙合以形成密封壓縮腔，這對加工工藝提出嚴(yán)苛要求。此外，渦旋盤在高速運(yùn)行中承受沖擊與磨損，因此材料需兼具高硬度、韌性及耐磨性，以確保長期可靠運(yùn)行。A356鋁合金作為當(dāng)前市場上廣泛應(yīng)用的渦旋盤材料，其主流鑄造成形工藝有低壓鑄造和擠壓鑄造。這兩種工藝均采用慢速充填方式，能有效減少鑄件氣孔和夾雜物，提升組織致密性。然而，低壓或慢速充填時(shí)鋁液流動性不足，易造成充不滿，需增加鑄件壁厚以確保完整充型，這既會增加后續(xù)機(jī)械加工的余量，不利于產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)，還會導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低、生產(chǎn)成本上升。

采用高壓鑄造能夠提高渦旋盤的生產(chǎn)效率，但常規(guī)的高速高壓工藝會造成鋁液嚴(yán)重卷氣，達(dá)不到渦旋盤的致密度要求。而超低速液態(tài)壓鑄和半固態(tài)壓鑄可以實(shí)現(xiàn)鋁液的層流控制，降低卷氣率。周明等通過超低速（0.05~0.9 m·s¯¹）液態(tài)壓鑄工藝制備了ADC12鋁合金樣件，其合金組織中共晶Si顆粒細(xì)小、圓整，無疏松縮孔等缺陷。劉春生等利用超低速液態(tài)壓鑄工藝開發(fā)了汽車發(fā)動機(jī)變速箱支架類零件，當(dāng)?shù)退賶荷渌俣葹?.25 m·s¯¹、高速壓射速度為0.5 m·s¯¹、內(nèi)澆道厚度為5.2 mm、澆注溫度為680~690 ℃時(shí)，獲得的鑄件質(zhì)量最好，內(nèi)部無明顯氣孔。胡玲海等研究了A319鋁合金支臂半固態(tài)壓鑄過程，發(fā)現(xiàn)金屬充型順暢平穩(wěn)，沒有飛濺，所得鑄件外觀質(zhì)量好，沒有褶皺，內(nèi)部無缺陷。Li等針對6061鋁合金支架的半固態(tài)壓鑄工藝進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在澆注溫度645 ℃、模具溫度200 ℃、壓射速度0.5 m·s¯¹的工藝條件下，能夠制備出內(nèi)部無明顯疏松縮孔、鑄件質(zhì)量較優(yōu)的鋁合金支架。

本課題采用超低速液態(tài)壓鑄和半固態(tài)壓鑄工藝制備鋁合金渦旋盤，對比分析鋁液充填和凝固階段可能產(chǎn)生的缺陷及原因，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化半固態(tài)壓鑄成形工藝，最終制備出低孔隙、高硬度的渦旋盤鑄件。

01 渦旋盤零件及澆排系統(tǒng)分析

1.1 渦旋盤零件分析

圖1為國內(nèi)某生物醫(yī)療設(shè)備中的渦旋盤零件圖，其材料為A356鋁合金，化學(xué)成分見表1。鑄件外形輪廓尺寸約為247 mm×270 mm×70 mm，形狀復(fù)雜、壁厚不均勻，其中螺旋齒厚度為4.50 mm，底面厚度為5.87 mm，這兩個(gè)區(qū)域?yàn)殛P(guān)鍵承載部位，要求進(jìn)行機(jī)械加工，必須確保其致密性。散熱齒厚度為3.03 mm，該區(qū)域雖無需進(jìn)行機(jī)械加工，但要保證在鑄造過程中鋁液能夠完全充滿。

圖1 渦旋盤三維結(jié)構(gòu)與尺寸圖

表1 A356合金化學(xué)成分 wB/%

1.2 澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用雙流道雙澆口的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。內(nèi)澆道截面積為780 mm²，厚度為12.92 mm。流道截面形狀為梯形，流道面積保持收斂式變化，以提高鋁液流動穩(wěn)定性。同時(shí)在壓鑄件充填末端設(shè)計(jì)多個(gè)溢流槽，以排出型腔中的氣體和氧化夾雜。

圖2 澆排系統(tǒng)三維圖

02 壓鑄數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立

設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬模型如圖3所示，主要包括帶澆排系統(tǒng)的壓鑄件、料筒及柱塞三部分。其中，料筒直徑為100 mm，長度為595 mm。在Flow-3D軟件中，通過給柱塞設(shè)置壓射速度并作用于料筒中的鋁液，從而模擬實(shí)際壓鑄生產(chǎn)過程。將鑄件剖分為螺旋齒、底面和散熱齒，以便對這三個(gè)區(qū)域的卷氣、夾雜和縮孔等缺陷分布情況進(jìn)行獨(dú)立統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為工藝評價(jià)和優(yōu)化的主要依據(jù)。

圖3 數(shù)值模擬模型

2.2 鋁液粘度模型設(shè)置

Flow-3D軟件通過設(shè)置材料的密度、粘度等熱物性參數(shù)屬性來定義流體。對于液態(tài)金屬，通常可將其視為牛頓流體，其粘度在不同剪切速率下基本保持恒定。因此，在液態(tài)壓鑄模擬過程中，將粘度設(shè)置為0.001 9 Pa·s。對于半固態(tài)壓鑄模擬過程，通常采用Carreau模型來描述非牛頓流體的流動行為，其表達(dá)式為：

式中：μ0為零剪切速率粘度；μ∞為無限剪切速率粘度，設(shè)置為0.297 Pa·s；λ1為時(shí)間常數(shù)，反映時(shí)間對粘度的影響，設(shè)置為0.298 5 s；eij為笛卡爾張量符號中的流體切變率；n為Power-law指數(shù)，是試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的參數(shù)，取-0.295。

2.3 參數(shù)設(shè)置

A356鋁合金的熱物性參數(shù)見表2。液態(tài)壓鑄方案的澆注溫度設(shè)定為650 ℃，半固態(tài)壓鑄方案的澆注溫度設(shè)定為600 ℃。模具材料選用H13鋼，其熱物性參數(shù)見表3，模具初始溫度設(shè)定為200 ℃。壓鑄過程分為兩個(gè)階段：第一階段壓射速度設(shè)置為0.1 m·s¯¹，以確保液態(tài)金屬能夠平穩(wěn)充滿料筒和流道；第二階段則提高至0.2 m·s¯¹，直至整個(gè)鑄件完全成形。

表2 A356合金的熱物性參數(shù)

表3 H13鋼的熱物性參數(shù)

03 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 液態(tài)與半固態(tài)壓鑄模擬結(jié)果對比

渦旋盤液態(tài)與半固態(tài)壓鑄模擬結(jié)果如圖4~6所示。從流態(tài)來看，液態(tài)壓鑄在充填階段末期出現(xiàn)鋁液湍流、飛濺現(xiàn)象，而半固態(tài)壓鑄在整個(gè)充填階段鋁液保持層流狀態(tài)，無飛濺，見圖4。從氧化夾雜分布看，半固態(tài)壓鑄渦旋盤的氧化夾雜主要分布在鑄件左右兩側(cè)，中間區(qū)域基本無氧化夾雜，而液態(tài)壓鑄件的中心區(qū)域有零星氧化夾雜存在，見圖5。兩種壓鑄方式下鑄件縮孔均較少，見圖6，表明流道設(shè)計(jì)合理，鋁液可通過流道充分發(fā)揮補(bǔ)縮作用。

圖4 鋁液充填過程模擬

圖5 氧化夾雜模擬結(jié)果

圖6 縮孔模擬結(jié)果

渦旋盤各主要區(qū)域模擬缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖7。可以看出，采用液態(tài)壓鑄時(shí)，整個(gè)渦旋盤的中心到頂部都存在較多卷氣，螺旋齒區(qū)域卷氣質(zhì)量為0.335 g，底面區(qū)域的卷氣質(zhì)量為0.16 g；而半固態(tài)壓鑄方案僅在渦旋盤頂部產(chǎn)生部分卷氣，螺旋齒區(qū)域的卷氣質(zhì)量為0.267 g，底面區(qū)域的卷氣質(zhì)量為0.058 g，兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域的卷氣量明顯低于液態(tài)壓鑄，但散熱齒的卷氣量較高。此外，半固態(tài)壓鑄的氧化夾雜和縮孔缺陷也略優(yōu)于液態(tài)壓鑄，其中底面氧化夾雜質(zhì)量最小，約為2.7 g，這有利于提高后續(xù)底面機(jī)加工的表面光潔度。可見，半固態(tài)壓鑄方案在螺旋齒和底面兩個(gè)關(guān)鍵承載部位產(chǎn)生的鑄造缺陷明顯低于液態(tài)壓鑄方案。

圖7 渦旋盤各部位缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 半固態(tài)壓鑄工藝改進(jìn)與數(shù)值模擬

為進(jìn)一步降低渦旋盤鑄造缺陷，對半固態(tài)壓鑄方案進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，在渣包處增設(shè)排氣道并添加真空閥門，將排氣閥出口的壓力調(diào)為1×104 Pa，即實(shí)現(xiàn)鋁液充填過程的實(shí)時(shí)抽真空工藝，如圖8所示。優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果見圖9，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，半固態(tài)真空壓鑄方案在螺旋齒產(chǎn)生的卷氣質(zhì)量為6.09×10¯4 g，氧化夾雜質(zhì)量為9.7 g，縮孔率為1.30%；在底面產(chǎn)生的卷氣質(zhì)量為2.36×10¯4 g，氧化夾雜質(zhì)量為2.4 g，縮孔率為1.37%；在散熱齒產(chǎn)生的卷氣質(zhì)量為4.23×10¯³ g，氧化夾雜質(zhì)量為6 g，縮孔率為1.32%。由圖7對比結(jié)果可知，采用優(yōu)化方案后螺旋齒和底面的卷氣質(zhì)量大幅降低，氧化夾雜和縮孔也有一定程度減少，說明該方案能夠有效解決渦旋盤鑄件缺陷問題。

圖8 排氣道和真空閥門增設(shè)處

圖9 半固態(tài)真空壓鑄模擬結(jié)果

04 渦旋盤生產(chǎn)驗(yàn)證與分析

結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果和企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件，通過布勒840 T壓鑄機(jī)進(jìn)行渦旋盤壓鑄。采用機(jī)械攪拌方式制備半固態(tài)漿料。壓鑄溫度為600 ℃，壓射速度為0.1~0.2 m·s¯¹，模具溫度為200 ℃。采用保溫脫模劑防止慢速壓射時(shí)鋁液降溫過快。圖10為鑄件實(shí)物圖，可以看出鑄件品質(zhì)良好，無明顯表面缺陷。X射線檢測結(jié)果顯示，鑄件中無明顯氣孔、縮孔和疏松等缺陷，如圖11所示。

圖10 渦旋盤鑄件實(shí)物圖

圖11 渦旋盤鑄件X射線無損檢測結(jié)果

在圖10所示螺旋齒部位取樣進(jìn)行金相分析，對比低壓鑄造（澆注溫度720 ℃，模具溫度300 ℃，比壓0.12 MPa，保壓時(shí)間50 s）和半固態(tài)真空壓鑄件的鑄態(tài)和 T6 態(tài)顯 微 組 織 。T6熱處理工藝為先固溶處理535 ℃×6 h，后時(shí)效處理180 ℃×3 h。采用華銀HB-3000B 型布氏硬度計(jì)測定試樣的硬度，鋼球直徑10 mm，載荷為1 000 kgf，保載時(shí)間30 s，每個(gè)試樣測定三次并取平均值。

金相分析結(jié)果如圖12所示，布氏硬度測試結(jié)果如圖13所示。可以看出，低壓鑄造渦旋盤鑄態(tài)組織中存在發(fā)達(dá)的樹枝晶，共晶Si為較粗大的層片狀，見圖12（a），試樣硬度為HB76.3；半固態(tài)真空壓鑄渦旋盤鑄態(tài)組織為圓整的等軸晶，共晶Si相呈團(tuán)狀聚集，見圖12（c），因此硬度較低，為HB53.1。經(jīng)T6熱處理后，低壓鑄造試樣中共晶Si因形態(tài)粗大而固溶量較少，故呈較大顆粒狀，見圖12（b），硬度為HB86.3；半固態(tài)真空壓鑄試樣中共晶Si為細(xì)小團(tuán)狀，固溶量較多，因此熱處理后呈細(xì)小顆粒狀，見圖12（d），其時(shí)效析出強(qiáng)化更顯著，硬度達(dá)到HB93.5，產(chǎn)品具有更高的耐磨性。

圖12 渦旋盤金相組織

圖13 渦旋盤布氏硬度

05 結(jié)論

（1）采用半固態(tài)壓鑄成形工藝時(shí)鋁液流態(tài)更平穩(wěn)，在螺旋齒和底面兩個(gè)關(guān)鍵部位產(chǎn)生的卷氣質(zhì)量、氧化夾雜質(zhì)量和縮孔率均低于液態(tài)壓鑄。其中，半固態(tài)壓鑄在螺旋齒產(chǎn)生的卷氣質(zhì)量為0.267 g，明顯低于液態(tài)壓鑄產(chǎn)生的0.335 g，半固態(tài)真空壓鑄下進(jìn)一步大幅降低為6.09×10¯4 g；半固態(tài)壓鑄在底面產(chǎn)生的卷氣質(zhì)量為0.058 g，明顯低于液態(tài)壓鑄產(chǎn)生的0.16 g，半固態(tài)真空壓鑄下進(jìn)一步大幅降低為2.36×10¯4 g。半固態(tài)壓鑄成形工藝可有效確保渦旋盤關(guān)鍵區(qū)域的冶金質(zhì)量，為后續(xù)機(jī)械加工奠定基礎(chǔ)。

（2）采用澆注溫度600 ℃、壓射速度0.1~0.2 m·s¯¹、模具溫度200 ℃的半固態(tài)真空壓鑄工藝進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，所制備的渦旋盤鑄件無明顯表面缺陷，內(nèi)部無明顯氣孔、縮孔和疏松等缺陷。鑄件鑄態(tài)組織為圓整的等軸晶，共晶Si團(tuán)分布在Al基體中，硬度為HB53.1，經(jīng)T6熱處理后共晶Si團(tuán)球化為均勻分布的細(xì)小顆粒，硬度提升至HB93.5，高于低壓鑄造鑄件硬度，具備更好的耐磨性能。

作者
林承杉，王火生，張　榮，廖　亮，陳運(yùn)銓
福建理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院

本文轉(zhuǎn)載自：鑄造雜志