原标题：北科大&润星泰：气冷搅拌棒流变压铸工艺在高导热与高强韧铝合金中的应用

压铸作为一种高生产率、低成本的近净成形工艺，在通讯、汽车、3C等领域得到广泛应用。有研究者认为，目前制约压铸技术进一步扩大应用的主要问题是铸件的多孔性及其带来的强度问题。在传统压铸过程中，液态熔体会以紊流状态充填型腔，使得型腔内气体无法及时排出而卷入合金内部，形成气孔缺陷，减少了铸件有效承载面积并造成应力集中，从而降低铸件的力学性能。也有人认为内部气孔是产品服役时突然失效的严重隐患。

与传统压铸使用的高温液态熔体相比，半固态压铸使用的具有较高固相率的半固态浆料拥有较高的表观黏度和层流特性，在高速充型过程中流动平稳，不易卷气，并且浆料凝固收缩比传统液态金属小，能减少或消除气孔和缩松等缺陷，提高铸件的力学性能。另外，由于浆料进入压室的温度比传统液态金属低，大幅减少了对压铸模型腔的热冲击，延长模具使用寿命。因此，半固态压铸兼顾半固态成形和传统压铸的优点，在工业化应用中有着广阔的应用前景。半固态压铸主要分为触变压铸和流变压铸，触变压铸由于二次加热效率低，因此流变压铸成为半固态加工领域的研究热点，其工业化应用受到格外重视。

高品质半固态浆料的制备是流变压铸技术发展的前提和关键。近些年来，国内外已提出多种半固态浆料制备技术。不同研究者研发了双螺旋剪切技术，通过一对高速旋转的螺杆对熔体实施高剪切率搅拌来制备半固态浆料；开发了RSF制浆技术，采用熵交换材料作为冷却介质从金属熔体中吸收热量从而制备半固态浆料；提出了SEED制浆工艺，在低过热度浇注条件下，使制备坩埚偏心旋转，在熔体中产生有效剪切作用，抑制初生相枝晶生长，从而制备出半固态浆料；开发了GISS技术，在熔体凝固时通入惰性气体，利用气泡扰动来制备半固态浆料；开发出振动倾斜板工艺制备半固态浆料，认为是形核热力学条件和振动剪切碰撞的综合作用；开发出LSPSF制浆工艺，将合金熔体浇注到转动输送管入口，在重力和转动输送管内壁剪切/冷却综合作用下，合金由熔融状态转变为具有一定固相率的半固态浆料；开发了SCP技术，将过热熔体浇入立式蛇形通道中降温，利用自身重力引起的扰动来制备半固态浆料。这些工艺丰富了半固态浆料制备技术，并推动流变压铸工艺发展与应用。为了更加稳定、连续、高效制备出高品质半固态浆料，迎合流变压铸产业化推广和突破国外制浆工艺专利保护，有必要开发出一些新型简单、高效、实用、低成本的制浆技术。

鉴于此，提出了一种气冷搅拌棒制浆工艺（Air-Cooled Stirring Rod，ACSR），以实现大体积半固态浆料的连续快速制备，并与压铸机紧密衔接，形成集浆料制备-输送-成形于一体的流变压铸工艺。本研究主要介绍ACSR流变压铸工艺产业化现状，同时以Al-8Si合金和Al-6Si合金（Sr变质）为原料，结合4G/5G通信基站用和新能源汽车用壳体件生产，并与传统压铸进行对比，研究ACSR流变压铸工艺对合金组织性能的影响。

图文结果

试验材料为Al-6Si、Al-8Si高导热合金以及Al-7Si-4Cu-0.2Cd高强韧铝合金，化学成分见表1。利用SETARAM TGA-92高温综合热分析仪对合金的加热过程进行差热分析，可得到Al-8Si合金的液相线温度和固相线温度分别为623℃和565℃，Al-6Si合金的液相线和固相线温度分别为635℃和570℃，Al-7Si-4Cu-0.2Cd合金的液相线和固相线温度分别为607℃和518℃。图1为铝合金均匀凝固控制技术的设备示意图和实物图，主要由高压供气装置、导气管、搅拌杆、铝合金熔体、坩埚和热电偶等组成。搅拌杆尺寸依据铝合金熔体体积和舀料勺尺寸而定，目前铝合金ACSR制浆装置已与多种吨位压铸机相衔接，具体配套压铸机锁模力为4000、8500、12500、16000、20000、30000和40000kN。另外，ACSR制浆装置可与真空机构结合，实现在真空环境制备高品质半固态浆料。

表1 合金的化学成分(%)

图1 铝合金均匀凝固控制技术制备半固态浆料设备示意图和实物图

图2 铝合金ACSR流变压铸流程

随着5G无线基站信号电器件集成化程度的提高，通信类设备正朝着超薄超轻、高散热、高力学性能和高耐蚀性方向发展。将ACSR制浆技术结合压铸工艺，建立了全新的铝合金均匀凝固控制处理、输送、压铸及取件一体化、全自动、高效的高性能大型薄壁压铸件生产线，可满足通信设备结构件的应用要求。目前该技术已应用于4G/5G无线基站散热壳体、滤波器、屏蔽盒体和安装支架等重要高品质压铸结构件。图3为使用该项技术生产的几种典型的Al-8Si和Al-6Si铝合金高性能通信用大型薄壁压铸件。

（a）5G通信散热壳体1 Al-8Si

（b）5G通信散热壳体2 Al-6Si

（c）5G通信散热壳体3 Al-6Si

图3 几种典型的Al-8Si和Al-6Si铝合金高品质5G通信用大型薄壁流变压铸件

（a）汽车电源转换器壳体

（b）新能源汽车端盖

（c）汽车转向器连接管

图4 几款典型的高品质汽车用ACSR流变压铸件

表2 传统压铸与流变压铸生产的铝合金5G通讯壳体的表面品质和孔隙率对比

（a）Al-8Si合金       （b）Al-8Si合金,
,传统压铸                ACSR流变压铸

图5 传统压铸与ACSR流变压铸Al-8Si、Al-6Si和Al-7Si-4Cu-0.2Cd合金试样的显微组织

可以看出，传统压铸件组织内存在较多枝晶状α-Al且可观察到较多缩孔、缩松缺陷。然而，ACSR流变压铸件组织中可观察到大量细小近球状初生α-Al晶粒，且内部缺陷显著减少。另外，ACSR流变压铸件内次生α-Al晶粒和共晶Si也得到一定程度细化。根据相关研究可知，ACSR流变压铸铝合金中的富Fe相均匀分布于共晶组织中，且平均尺寸要小于传统压铸合金。

表3 ACSR流变压铸和传统压铸Al-8Si、Al-6Si和Al-7Si-4Cu-0.2Cd合金的力学性能与热学性能

结论

（1）开发出一种稳定、高效的半固态浆料制备与压铸成形一体化工艺，即ACSR流变压铸工艺，建立了多条全新的铝合金均匀凝固控制制浆、输送、压铸及取件一体化、全自动、高效的高性能流变压铸件生产线，实现了流变压铸高品质大型薄壁铝合金结构件产业化。

（2）相比于传统压铸，ACSR流变压铸工艺生产的铝合金铸件具有更优异的表面质量和更低的孔隙率，平面度仅为0.20~0.25mm，表面粗糙度降到3.2μm，且气孔率下降到0.9%。

（3）与传统压铸合金相比，ACSR流变压铸铝合金具有更优异的力学性能和导热性能，其抗拉强度和伸长率分别提高了20%~22%和34%~75%，导热系数提高了7.5%~10.1%。

本文作者：

祁明凡 朱国明 康永林
北京科技大学材料科学与工程学院
王继成 张莹 李谷南
珠海市润星泰电器有限公司
张光金
山东德泰机械制造集团有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴