高硅铝合金的半固态压铸成形技术

黄鹏

湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司柳州分公司 广西 545006

摘要：本文的主要目的为分析如何进一步利用超声振动制备半固态浆料以及流变压铸成形方法，以提高高硅铝合金制作质量。使用半固态压铸成形技术能提高高硅铝合金的产品质量，同时确保其使用性能：得到的抗拉强度相比于传统方法的高硅铝合金而言增强了30%左右，使得零件的整体性能得到改善。

关键词：高硅铝合金；半固态压铸；成形技术

引言：近几年，随着我国社会发展速度的加快，工业行业的发展也同样十分迅速，其中高硅铝合金成为了工业发展中最常见且使用频率较高的合金之一。高硅铝合金具有质量相对较轻、硬度高且耐磨性好、导热性能好等一系列的优点。目前该合金被广泛应用于各种不同的领域，例如电子封装、汽车以及航空航天等。由于在高硅铝合金中含有大量的初晶Si，并且随着Si含量的增加，会导致初晶中的Si元素颗粒变得更加的粗大，结合针状的共晶Si会直接降低其基体的性能。为此，在当前条件下如何进一步利用半固态压铸成形技术提高高硅铝合金的制作质量，增强其实用性和经济性成为了我国目前工业发展中的重点内容。

一、高硅铝合金的成分

所谓高硅铝合金是指在制造过程中，金属中含有共晶Al-Si合金，其中Si的质量分数在17%～70%的范围内，并且被大多数人认为属于金属基复合材料。在高硅铝合金中是由Si相作为硬质均匀地分布在较软的α-Al基体中。当前分析高硅铝合金时可以按照成分进行分析，将其分成两种不同的类别，第一种是Al-Si的二元合金，第二种则是以铝、硅为主要元素，并且在其中加入一定量的合金元素，进而形成了多元高硅的铝合金品相。在高硅铝合金中含有大量的元素成分，这些成分自身的特性具有一定差异，同时具备不同的用途。

二、传统铸造方法生产高硅铝合金时存在的问题

在利用传统的方式生产高硅铝合金过程中，存在以下几点问题：第一，在进行初晶硅的细化过程时其难度较高：尝试增加高硅铝合金中含有的Si含量，会导致合金中含有的初晶硅体积率增大，致使高硅铝合金的抗拉强度、屈服强度以及塑性都会在这一阶段明显的降低。第二，使用传统方法制作高硅铝合金的过程中，由于液态成形的温度过高，在进行浇注的过程中，其温度需要达到800℃左右，对高硅铝合金的铸型热冲击过大，这直接限制了高硅铝合金的使用范围。第三，近几年来，我国对高硅铝合金的使用要求越来越高：在各种不同领域中均需要使用，要求其具备更加优异的使用性能。但是传统制作方法得到的产品，其力学性能较低，无法满足客户的使用需求。

当前，如何进一步改善高硅铝合金力学性能是最重要的研究方向。使用半固态压铸成形技术在短时间内能提高产品质量，并且具有成形温度低、样品的缩孔和气孔缺陷少等一系列优点，相比于传统液态制备法，其温度低至100～150℃。如果选择使用快速凝固技术，虽然可以制造出w_Si＝25%左右的铝硅合金，但是这种方式会受到零件形状本身的限制，并且会增加经济成本。通过上述分析得出：近几年我国在高硅铝合金制作过程中，共晶Al-Si合金的半固态成形技术受到了各行各业的广泛关注，研究方向主要集中在半固态触变成形方面。

三、半固态流变压铸成形技术

1.半固态压铸成形技术的原理以及优点

本文在进行高硅铝合金制作过程中，利用半固态压铸成形技术能提高制作的整体质量。要求在制作过程中，金属液在进入到料室前需要在浇包内完成浆料的制备，或者选择将超声振动装置与成形设备紧密结合，同样可以提高浆料制备的质量，并且达成半固态浆料的直接流变铸造成形的实际需求。在大多数情况下利用半固态压铸成形技术，选择的超声振动装置都相对来说比较小，十分容易实现灵活且有效地安装及移动。采用半固态压铸成形技术相较于传统的制作方法而言，具有以下5个优点：第一，设备布置紧凑，节省占地空间；第二，投入成本低；第三，工作流程简洁；第四，维护难度低，易于控制运维成本；第五，在进行搅拌的过程中，得到的效果更好。半固态压铸成形技术主要是由换能器、超声波发生控制器、变幅杆、电炉温度控制仪等组成。在当下的技术中，超声波发生控制器的功率应该控制在1200～1800W，其中发振频率需要在20kHz以上。超声波换能器的构成是由纵向夹心式压电振子和变幅杆组成，其中振动头的材质是钛合金材料，通过起振幅放大超声的振动作用。

利用半固态压铸成形技术制作高硅铝合金过程中，其原理是超声振动在金属熔体中产生的声空化和声流的共同作用。这是因为液体内部产生了极其强烈的对流效应，会直接增强熔体的形核能力，确保高硅铝合金内部的晶粒呈现非枝晶方式生长，并且能不断进行细化，最后获得性能优良的半固态浆料以及金相组织。

2.半固态压铸成形技术的使用流程

利用半固态压铸成形技术制作高硅铝合金过程中，其主要的工作流程如下：

第一，对合金进行熔炼。即将铝合金炉料直接放入到电阻炉内的铸铁坩埚中，并且将温度提升到800～850℃进行熔化；同时利用高纯氩气旋转除气，对其进行静置以及调温处理，让温度降低至750～780℃备用。第二，保温操作过程。将高硅铝合金熔液浇入保温杯，然后把超声波振动头放入到已经预热好的特制样杯保温炉中进行预热，同时对温度进行确认，并且在流程开始之前预设好超声波发生控制器的各项参数。而保温电炉的温度控制仪应该保持在680℃左右，接着将振动头升起，把一定量的金属液体直接浇入到事先预热好并且设定了温度的保温容器中。第三，超声振动以及浆料传送。将振动头立即降下直接浸入熔体15～20mm，在这一阶段需要开启超声波振动。当超声波振动开启一定时间后，会获得一定量的半固态浆料。此时，则需要停止振动，升起振动头，将其移动到盛有半固态浆料的容器内。第四，浇入压室并压射成形。将已经形成半固态浆料的容器传送至压铸机或挤压机直接进入压射室，进行后续的压铸或挤压成形。第五，完成上述操作后就可以获得满足使用要求的铝合金压铸件或挤压件。

结语

综上所述，目前在制作高硅铝合金过程中，利用半固态压铸成形技术能够提高产品质量，并且更有利于将高硅铝合金运用在各个不同领域，确保复杂形状的零件能够快速成形。该项技术降低了制作中的成形温度要求，得到致密的金相组织，提高了整体性能，产生较高的经济效益。

参考文献

[1]袁建伟，陈翌庆，余俊超，张凯旋，周锐.高硅铝合金Al-20Si－高硅铝合金Cu热裂行为及其机理[J/OL].中国有色金属学报：1-20[2022-04-03].

[2]赵国龙,信连甲,李亮,王珉,郝秀清,何宁.高硅铝合金的金刚石涂层刀具铣削损伤机理研究[J].中国机械工程,2022,33(02):153-159.