原标题：低过热度倾斜板流变压铸对ADC12组织及力学性能的影响

摘要：采用金相显微镜、X射线衍射仪和扫描电镜等手段研究了低过热度倾斜板流变压铸ADC12合金的组织演变及形成机理，并测试其力学性能。结果表明，随着与压铸机压室距离的增加，合金组织由粗大枝晶成长为球形或近球形晶粒。组织形成机理包括了枝晶的破碎和熔体爆发形核。另外，流变压铸提高了合金的力学性能，流变压铸的铝合金抗拉强度达到248 MPa，伸长率率也略优于常规压铸。

高压压铸工艺广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域的零部件生产。相较于传统铸造工艺，其具有生产率高、能耗小和成形零件复杂等特点。然而，压铸过程是在高压下将铝合金熔液注入型腔，导致金属反应和空气滞留在铸件内部，零件内部容易出现气泡和氧化物夹杂。

为了降低传统压铸过程中出现上述的缺陷问题，提高压铸产品的性能，研究者引入了半固态压铸工艺。大量的研究报道了半固态压铸改善了压铸件的性能和提高压铸件的质量。由于半固态压铸可以提供更高粘度的流体，且其充填模具的温度低，卷气量极大减少，从而减少充型过程中的气孔和氧化物夹杂，达到了提高铸件的力学性能的效果。半固态成形一般分为半固态触变成形与半固态流变成形，由于触变成形工艺流程长，半固态浆料存储和运输困难，造成了成本过高，工业化生产难度大。而具有工艺流程短、节能节材、成本低等特点的半固态流变成形工艺，成为了关注的热点。

ADC12铝合金因其铸造性能高、收缩率低、耐腐蚀好等特点，广泛应用于汽车行业。但是迄今为止，关于ADC12铝合金的流变压铸研究报道甚少。JANUDOM等用气体诱导半固态(GISS)方法成功制备了ADC12铝合金半固态浆料，并压铸成型商用零件。HU等利用机械搅拌制备浆料与高压压铸结合的方式，成功制备了ADC12半固态压铸铝合金。但是，这些方法都需要外加设备，成本也显著增加。

本课题以ADC12铝合金为研究对象，为简化成形工艺、缩短流程，对压铸机进行很小的改造，自行设计了倾斜板法半固态浆料制备与高压压铸相结合的压铸系统。并且针对铸件的浇注系统，研究了其不同位置的显微组织，并研究了流变压铸ADC12铝合金的力学性能。

1、试验材料与方法

1.1 材料

使用的材料是商用的ADC12铝合金。利用X射线荧光光谱仪（XRF）测得该合金的化学成分见表1。

表1 ADC12铝合金化学成分 wb/%

图1为试验使用的ADC12铝合金的重力铸造组织。其组织主要由白色树枝状α-Al相和黑色针片状的共晶Si相组成。

图1 ADC12铝合金重力铸造组织

1.2 半固态浆料的制备及压铸过程

倾斜板流变压铸过程见图2。试验时，首先将ADC12铸锭放于石墨坩埚中于620 ℃熔化；同时，在倾斜板表面涂上石墨涂料，其中倾斜板材质为45号钢，长度为100 cm，倾角为30°，调整支架确保金属液从倾斜板尾端准确流入压铸机浇口处；将压铸机型腔预热至200 ℃。

对熔液进行除气扒渣后，将其从倾斜板上端倒入，经过倾斜板的冷却与自身重力作用，形成半固态浆料直接流入压铸机进料口。用热电偶测量浆料的温度，待温度下降至560~570 ℃时，进行压铸成形，开模取出试样。

图2 倾斜板流变压铸ADC12铝合金原理示意图

1.3 试验仪器与检测方法

选取铸件的浇注系统部分进行取样研究，观察其不同位置的组织。在A到E处（充型顺序为E→A）各取一个样品观察显微组织。使用线切割机截取8 mm×10 mm的试样，经砂纸磨光、机械抛光后，使用0.5%的HF水溶液腐蚀磨面15 s，取出后用酒精漂洗，采用光学显微镜（OM）对试样进行金相组织形貌观察。

采用DTG-60H型差热分析仪测定DTA曲线。将直径为3 mm、高为2 mm、重19.67 mg的圆柱样品放置在氧化铝坩埚中，在气流量为50 mL/min的氩气保护气氛中以5 ℃/min的加热速率将试样从450 ℃加热至650 ℃。并利用Bruker D8 advance衍射仪，用Cu Kα辐射的X射线衍射仪(XRD)对试样进行物相分析。使用JSM-6490LV扫描电镜(SEM)进行显微结构观察和相组成鉴定。并对其进行力学性能测试，拉伸试样取样部位见图3。

图3 ADC12铝合金流变压铸铸件的浇注系统及剖面图

2、试验结果与分析

2.1 固液区间测定和物相分析

ADC12铝合金的DTA曲线见图4。可观察到一个红色区域，为吸热峰，即Al - Si二元反应。这一区域为固液区间。合金从539 ℃开始熔化，在578 ℃时完全熔化，590 ℃时合金开始凝固，故固液区间为539~590 ℃。

图4 ADC12铝合金的DTA曲线

铸件不同取样位置的XRD谱图见图5。谱图表明，其主要由Al、Si和Al2Cu 3种相组成。对于ADC12铝合金，最初结晶出α-Al 相与α-Al+Si 的共晶相，又由于合金中的Cu 含量较高，会产生 L→α-Al+Si+Al2Cu 共晶反应，故最终的组织主要由α-Al、Si、Al2Cu 三相组成。

图5 不同取样部位的ADC12铝合金的XRD谱图

2.2 显微组织及形成机理

图6 50倍光学显微镜下不同位置的金相组织(图a-e对应位置A-E)

图6为不同位置的金相组织。可以看出，浇注系统各个位置的组织具有显著差异，A处与B处具有较多分布均匀且圆整的初生α-Al，C处与D处的初生α-Al含量较少，而距离压室最近的料柄E处初生α-Al为白色粗大枝晶形态，且固相率最高。分析认为，造成这种组织差异的原因主要为冷却速率和充型过程的影响。压室温度为560~570 ℃，而模具预热温度为200 ℃，距离压室越近，冷却速率越小。料柄E处离压室最近，且厚度最大，冷却速率最慢，因此E处α-Al为粗大枝晶形态。又由于E处连接D处的浇口尺寸较小，对初生的粗大树枝晶的流动起到了阻碍作用，仅细小的初生α-Al和液相能通过，故在E处的固相最多。随着充型距离增加，位置D→位置A处冷却速率逐渐增大，白色初生α-Al晶粒总体数量增加，其中位置C处的初生α-Al含量最少。这与李明等研究中距离压室越远，固相含量越少的现象不符。究其原因，一方面充型过程浆料中液相裹挟细小初生α-Al晶粒产生了液相偏析，使得A和B处固相较多，C及D处固相较少；另一方面由于A和B处冷却速率大，液相形核长大成细小圆整的初生α-Al晶粒。

除此之外，从图6还能观察到，在组织中存在一些明显的黑色孔洞，为微气孔。在压铸过程中，合金浆料高速充填型腔，使得型腔内未及时排出的气体被合金熔液裹挟，随着合金液的凝固残留在试件中形成了气孔，即形成黑色孔洞。除此之外，造成微气孔的原因还可能是由于在合金熔炼过程中形成了金属夹杂物。

图7为高倍显微镜下不同位置的金相组织。可观察到组织中粗大枝晶消失，演变形成不同大小与形状的初生α-Al，形态主要为球状、近球状、破碎枝晶状。而在图7e中，初生α-Al表现为粗大枝晶形态，和图6e一致。图7a~图7d中观察到的初生α-Al一般可分为3种类型：一种是大球形和近球形颗粒，标记为α1-Al；另一种为较小的球形或近球形颗粒，标记为α2-Al；除这两种类型外，还有最后凝固的细小枝晶，标记为α3-Al。其中，α1-Al与α2-Al在图7a， 图7b中数量众多，图7c，图7d中则分布很少，主要为细小枝晶α3-Al。

图7 200倍光学显微镜下不同位置的金相组织(图a-e对应位置A-E)

目前，半固态显微组织形成机理有两种：一种认为是枝晶在外力的作用下发生破碎，破碎枝晶最终演变成球形晶粒[18]；另一种认为在激冷状态下熔体产生了大量晶核，这些晶核抑制了枝晶的长大，直接以球形长大。

在本课题中，低过热度倾斜板流变压铸的显微组织中球形晶粒的形成机理两者均有之。首先，合金熔液受到倾斜板内壁的激冷作用，使紧靠内壁的熔体中产生大量的初生α-Al晶核，这些晶核随着熔体进入压铸机充型，充型过程晶核继续长大，最终长大为球形或近球形α1-Al或α2-Al。除此之外，合金熔体在倾斜板受重力的作用不断向下流动，对熔体形成了剪切作用。熔体中的枝晶被剪切破坏，形成断裂的枝晶臂，同时由于倾斜板的激冷作用，这些破碎细小的枝晶臂得以保留。

在压铸过程中，从倾斜板流入压室的熔体在压射充型时，受到激冷与高压的双重作用，一方面流经倾斜板形成的大量的初生α-Al晶核继续长大成为球形或近球形α1-Al或α2-Al；另一方面，在高压高速情况下，对熔体产生一个类似于强力搅拌的作用，熔体内残留的枝晶继续被剪切破坏，这些细小的枝晶臂最终凝固为球形或近球形晶粒。然而，压铸过程冷却速度大，但由于各位置冷却速率不同，位置E离压室最近，冷却速度最慢，枝晶得以长大，而位置A至位置D处由于冷却速度大，枝晶来不及长大，凝固为细小均匀的α3-Al。

综上所述，低过热度倾斜板法流变压铸可以破坏熔体内枝晶的成长，在受到流经倾斜板的剪切作用和压铸充型过程的搅拌作用，初生α-Al最终成长为球形或近球形晶粒。

2.3 金属间化合物分析

图8 合金中金属间化合物的SEM图(图a-e对应位置A-E)

图8为合金中金属间化合物的SEM图。由XRD及金相组织可以确定，流变压铸ADC12铝合金主要由α-Al、Si、Al2Cu相组成。但从图8可以看出，除此之外还存在一些不同形貌的未知金属间化合物。图8中各处的EDS点分析结果见表2。可以根据摩尔比来确定不同形貌的化合物：白色多边形的为α-Al15(Fe,Mn)3Si2，白色汉字状的为Al2Cu，深灰色块状或条状的为富Si相，少量白色粗针状为β-Al5FeSi。其中点11处Al2Cu混杂了部分β-Al5FeSi。

在图8中，不同位置的Al2Cu数量最多，为强化相。一般认为粗针状β-Al5FeSi对基体起到割裂作用，会降低力学性能。而图中绝大多数铁相表现为白色多边形的α-Al15(Fe,Mn)3Si2，改善了少量β-Al5FeSi带来的破坏作用。

表2 金属间化合物的EDS点分析

2.4 力学性能

图9为ADC12常规压铸与流变压铸试样在相同位置取样的力学性能。可以看出，流变压铸的铝合金抗拉强度 为248 MPa，明显优于常规压铸的铝合金的210.7 MPa。同时，屈服强度变化相对较小，两者的屈服强度比较接近。还可以看出，流变压铸的伸长率为2.05%，也略优于常规压铸的1.46%。

图9 ADC12常规压铸与流变压铸的力学性能

图10为常规压铸与流变压铸试样在B处的显微组织对比。可以看出，常规压铸状态下表现为均匀细小枝晶及激冷态晶粒，其中存在较多的黑色微气孔，而流变压铸的组织中存在大量的球形或近球形α-Al，且固相含量高。研究表明，半固态压铸件的力学性能随着固相率提高而随之提高，而常规压铸在充型过程中容易发生卷气和夹杂，使得力学性能降低。究其原因，流变压铸使得试样内部气孔等缺陷减少，组织致密均匀, 故其强度和塑性均优于常规压铸。

图10 浇注系统B处的显微组织对比：(a)常规压铸;(b)流变压铸

3、结论

（1）测定了ADC12铝合金的固液区间为539~590 ℃，流变压铸ADC12铝合金成分主要由Al、Si和Al2Cu相组成。

（2）流变压铸过程中，随着与压铸机压室距离的增加，合金组织由粗大枝晶向球形或近球形晶粒演变，组织形成机理包括了枝晶的破碎和熔体爆发形核。

（3）确定了不同形貌的金属化合物的成分：白色多边形的为α-Al15(Fe,Mn)3Si2，白色汉字状的为Al2Cu，深灰色块状或条状的为富Si相，少量白色粗针状为β-Al5FeSi。

（4）流变压铸的铝合金抗拉强度为248 MPa，优于常规压铸的铝合金的210.7 MPa。两者的屈服强度比较接近，流变压铸的伸长率也略优于常规压铸。

作者：

汪鹏程 柳飞洪 闫赛飞 张龙
安徽工业大学冶金工程学院

本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志2022年第42卷第05期