原標題：北科大&潤星泰：氣冷攪拌棒流變壓鑄工藝在高導熱與高強韌鋁合金中的應用

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

與傳統壓鑄使用的高溫液態熔體相比，半固態壓鑄使用的具有較高固相率的半固態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，不易卷氣，并且漿料凝固收縮比傳統液態金屬小，能減少或消除氣孔和縮松等缺陷，提高鑄件的力學性能。另外，由于漿料進入壓室的溫度比傳統液態金屬低，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，半固態壓鑄兼顧半固態成形和傳統壓鑄的優點，在工業化應用中有著廣闊的應用前景。半固態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加工領域的研究熱點，其工業化應用受到格外重視。

高品質半固態漿料的制備是流變壓鑄技術發展的前提和關鍵。近些年來，國內外已提出多種半固態漿料制備技術。不同研究者研發了雙螺旋剪切技術，通過一對高速旋轉的螺桿對熔體實施高剪切率攪拌來制備半固態漿料；開發了RSF制漿技術，采用熵交換材料作為冷卻介質從金屬熔體中吸收熱量從而制備半固態漿料；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，在熔體中產生有效剪切作用，抑制初生相枝晶生長，從而制備出半固態漿料；開發了GISS技術，在熔體凝固時通入惰性氣體，利用氣泡擾動來制備半固態漿料；開發出振動傾斜板工藝制備半固態漿料，認為是形核熱力學條件和振動剪切碰撞的綜合作用；開發出LSPSF制漿工藝，將合金熔體澆注到轉動輸送管入口，在重力和轉動輸送管內壁剪切/冷卻綜合作用下，合金由熔融狀態轉變為具有一定固相率的半固態漿料；開發了SCP技術，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漿料。這些工藝豐富了半固態漿料制備技術，并推動流變壓鑄工藝發展與應用。為了更加穩定、連續、高效制備出高品質半固態漿料，迎合流變壓鑄產業化推廣和突破國外制漿工藝專利保護，有必要開發出一些新型簡單、高效、實用、低成本的制漿技術。

鑒于此，提出了一種氣冷攪拌棒制漿工藝（Air-Cooled Stirring Rod，ACSR），以實現大體積半固態漿料的連續快速制備，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流變壓鑄工藝產業化現狀，同時以Al-8Si合金和Al-6Si合金（Sr變質）為原料，結合4G/5G通信基站用和新能源汽車用殼體件生產，并與傳統壓鑄進行對比，研究ACSR流變壓鑄工藝對合金組織性能的影響。

圖文結果

試驗材料為Al-6Si、Al-8Si高導熱合金以及Al-7Si-4Cu-0.2Cd高強韌鋁合金，化學成分見表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的設備示意圖和實物圖，主要由高壓供氣裝置、導氣管、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結合，實現在真空環境制備高品質半固態漿料。

表1 合金的化學成分(%)

圖1 鋁合金均勻凝固控制技術制備半固態漿料設備示意圖和實物圖

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，通信類設備正朝著超薄超輕、高散熱、高力學性能和高耐蝕性方向發展。將ACSR制漿技術結合壓鑄工藝，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線，可滿足通信設備結構件的應用要求。目前該技術已應用于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壓鑄結構件。圖3為使用該項技術生產的幾種典型的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5G通信用大型薄壁流變壓鑄件

（a）汽車電源轉換器殼體

（b）新能源汽車端蓋

（c）汽車轉向器連接管

圖4 幾款典型的高品質汽車用ACSR流變壓鑄件

表2 傳統壓鑄與流變壓鑄生產的鋁合金5G通訊殼體的表面品質和孔隙率對比

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

圖5 傳統壓鑄與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，傳統壓鑄件組織內存在較多枝晶狀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，且內部缺陷顯著減少。另外，ACSR流變壓鑄件內次生α-Al晶粒和共晶Si也得到一定程度細化。根據相關研究可知，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壓鑄合金。

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

結論

（1）開發出一種穩定、高效的半固態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線，實現了流變壓鑄高品質大型薄壁鋁合金結構件產業化。

（2）相比于傳統壓鑄，ACSR流變壓鑄工藝生產的鋁合金鑄件具有更優異的表面質量和更低的孔隙率，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）與傳統壓鑄合金相比，ACSR流變壓鑄鋁合金具有更優異的力學性能和導熱性能，其抗拉強度和伸長率分別提高了20%~22%和34%~75%，導熱系數提高了7.5%~10.1%。

本文作者：

祁明凡 朱國明 康永林
北京科技大學材料科學與工程學院
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》戰略合作伙伴