合金在半固態(tài)時成形與普通鍛造及全液態(tài)壓鑄相比，具有近終成形，延長模具壽命，減小凝固收縮、氣孔、偏聚等缺陷，具有非枝晶結構和更小的晶粒尺寸等優(yōu)點，而成為21世紀新一代的金屬成形技術。該技術主要包括三部分內容，即半固態(tài)坯料制備、部分重熔和觸變成形。其中半固態(tài)坯料制備，即獲得非枝晶結構、能在部分重熔后恢復良好觸變性的坯錠，是整個半固態(tài)成形技術的基礎和關鍵。工業(yè)上主要采用電磁攪拌法及應變誘發(fā)熔化激活法來制備半固態(tài)坯料。該技術在美國、意大利、瑞士、德國、法國等國家已進入工業(yè)應用階段，主要采用鋁、鎂合金來進行汽車關鍵零件的制造，對其他材料如不銹鋼、工具鋼、銅合金、高硅鋁合金、鋅鋁合金及復合材料的半固態(tài)加工也進行了不少研究開發(fā)工作。本文針對東風化油器有限公司在空壓機連桿擠壓鑄造生產中存在廢品率高的問題，以及實際零件所用的材料，研究了AlSi10Cu2Mg合金的半固態(tài)坯料制備、部分重熔及空壓機連桿的觸變擠壓鑄造成形。

1　半固態(tài)坯料制備

空壓機連桿在常規(guī)液態(tài)擠壓鑄造時，易在軸套與臂的交匯處產生較為嚴重的疏松，廢品率高達20%，實際生產所用材料為ZL108鋁合金，由于其Si含量接近共晶成分，固/液溫度區(qū)間很小，這一方面造成在半固態(tài)坯料制備時難以對熔體形成充分的攪拌，同時為觸變成形所需的部分重熔工藝控制提出了更高的要求。為此在ZL108合金成分基礎上，稍稍降低了合金的Si含量，以增加平衡條件下的α相含量，研究采用成分(質量分數(shù))為10.0%的Si、1.8%的Cu、0.75%的Mg、0.60%的Mn，其余為Al的AlSi10Cu2Mg1合金，在自行研制的電磁攪拌半連續(xù)鑄造裝置上實現(xiàn)了上述合金的半固態(tài)坯料制備，鑄錠直徑80 mm，長達1 600 mm，制備工藝參數(shù)為：熔體轉注溫度，690～710 ℃；流槽預熱溫度，400～500 ℃；攪拌轉速，450～550 r/min；鑄造速度，100～120 mm/min；冷卻水量，40 L/min。與A357鋁合金的半固態(tài)坯料制備工藝相比，其連鑄牽引速度較快，提高了停止攪拌溫度，從而增加了后凝α相的體積分數(shù)。圖1為半固態(tài)AlSi10Cu2Mg合金坯料的金相組織，初生α相呈近球形，后凝α相呈細小的等軸樹枝狀。

2　部分重熔工藝及組織變化

半固態(tài)金屬坯料的部分重熔是為了使坯料組織恢復到固/液混成狀態(tài)，保證一定的液相體積分數(shù)(一般在40%～60%)，使坯料恢復良好的觸變性，為觸變成形做好組織和性能的準備。目前先進的部分重熔工藝大都采用獨立控制多段式多工位中頻感應加熱方法，但由于電磁感應加熱裝置比較昂貴，不便于大量的試驗研究，為實現(xiàn)空壓機連桿的半固態(tài)觸變成形，我們采用電阻爐加熱的方法研究了AlSi10Cu2Mg合金半固態(tài)組織恢復的部分重熔工藝及其在加熱過程中的組織變化規(guī)律。

2.1　重熔加熱時的組織演變

通過成形坯料在電阻爐連續(xù)升溫時升溫速度的快慢得知，坯料共晶組織在570 ℃左右開始熔化，為此我們研究了4 mm厚的小試樣在575 ℃及580 ℃等溫時的組織變化，加熱在控溫精度為±1℃的箱式電阻爐中進行，保溫時間以被加熱小試樣周圍溫度達到預定溫度后開始算，保溫到預定時間后立即水淬試樣，制成金相試樣進行組織觀察。

圖2為AlSi10Cu2Mg合金在575 ℃時保溫不同時間后的組織，經短時間保溫后，初生α相迅速團聚和球團化，共晶Si相聚集于α相晶界，同時由于后凝等軸樹枝狀α相的聚集，在α相內包含著少量的塊狀Si相，在α相界存在少量的CuAl2相(圖2a)；保溫5 min時，塊狀Si相很快分解成十分細小的Si質點彌散分布在α相晶界和晶內， α相發(fā)生明顯的球化， 且晶粒尺寸有所下降，這時富Cu、Mg的共晶部分開始熔化(圖2b)；較長時間保溫將形成較多液相，液相中Si含量很高，但由于粒狀α相的存在，在隨后的水淬時，Si相以細小顆粒狀存在于α相晶界，α相內Si顆粒減少(圖2c)，在這種組織狀態(tài)下，坯料具有很好的觸變性。更長時間的保溫，坯料將發(fā)生明顯的變形，不利于成形時的坯料轉移。

AlSi10Cu2Mg合金在580 ℃保溫2 min后，坯料已基本熔化，原來的外形已完全改變，由于沒有α相的有效抑制作用，水淬組織中Si相呈細小的片層狀，如圖3所示。通過以上結果可知，對接近共晶成分的合金，半固態(tài)坯料的重熔加熱溫度只能稍稍高于共晶熔化溫度，且必須嚴格控制加熱時的熱輸入量和輸入速度，才能既保持坯料外形，又能滿足半固態(tài)成形時的組織要求。

2.2　半固態(tài)部分重熔工藝與觸變性

半固態(tài)觸變成形的部分重熔試驗采用直徑80 mm， 高 110 mm 的半固態(tài) AlSi10Cu2Mg 圓錠， 在斷面沿軸線鉆兩個直徑 5 mm 深 20 mm 的孔， 一個距邊緣約為5 mm編號為1，另一個在軸心編號為2。孔內插入熱電偶，加熱爐為直徑100 mm，高160 mm的電阻坩堝爐，爐溫通過改變調壓器的輸入電壓來控制。用調壓器將加熱爐爐膛溫度控制在800 ℃左右，將裝有熱電偶的合金坯料豎直放入爐中，監(jiān)測坯料升溫情況。當坯料1號位置升溫速度明顯減慢時，調低電壓，將爐膛溫度控制在700～710 ℃保溫一段時間后移開加熱爐，采用常用的刀切法進行觸變性測試，如果下切阻力小且均勻，切面呈平坦的磨砂狀，沒有裂縫，表明坯料恢復了觸變性。

試驗發(fā)現(xiàn)當保溫時間少于10 min，保溫溫度低于577 ℃時，坯料觸變性不明顯，刀切阻力大，切后坯料內產生大量裂縫。保溫溫度高于580 ℃，當保溫時間大于15 min時，坯料底部會出現(xiàn)較嚴重的墩粗甚至流淌。當保溫時間在10～15 min，保溫溫度在577～578 ℃時，坯料具有良好的觸變性。

通過觀察半固態(tài)坯料小試樣在二次加熱過程中的組織演變情況，及實際成形大塊坯料在電阻爐加熱時的坯料組織轉變情況，得到了優(yōu)化的部分重熔工藝，列于表1。在此工藝條件下坯料可獲得良好觸變性，固相顆粒的球形度很好，晶粒尺寸也很合適，液相體積分數(shù)在40%～60%范圍內。

表1　AlSi10Cu2Mg1合金半固態(tài)坯料的部分重熔工藝

3　半固態(tài)觸變壓鑄

采用自行研制的4工位電阻二次加熱爐，在東風化油器有限公司的的3 500 kN擠壓鑄造機上進行了汽車空壓機連桿的半固態(tài)觸變成形試驗。試驗采用電磁攪拌連續(xù)流變鑄造工藝下制備的φ72 mm的AlSi10Cu2Mg合金坯料，坯料加熱溫度578～580℃，模具溫度250℃，壓射速度1.63 m/s，壓射比壓86 MPa。圖4為采用半固態(tài)擠壓鑄造制備的汽車空壓機連桿及其組織照片，可見，零件充型良好，組織致密，α相呈球形。通過對擠壓鑄造零件的X射線探傷表明，采用半固態(tài)擠壓鑄造工藝生產的空壓機連桿全部合格，且疏松比常規(guī)全液態(tài)擠壓鑄造生產的零件低一個數(shù)量級。

4　結論

針對標準的ZL108合金初生α相較少，為避免在半固態(tài)組織恢復時因液相過多而發(fā)生“墩粗”和“流淌”現(xiàn)象，我們在適當減少合金Si含量以增加平衡條件下α相的同時，提高初生α相的形狀因子，以等軸輕微的樹枝狀α相取代球形α相，成功實現(xiàn)了AlSi10Cu2Mg合金半固態(tài)坯料的制備，通過兩段式電阻爐加熱的方法實現(xiàn)了其半固態(tài)組織及觸變性的恢復，并進一步在汽車零件半固態(tài)擠壓鑄造實踐中得到良好的驗證。