随着环境及安全意识的提高，交通运输工具轻量化及安全性已经成为一个重大课题，受到广泛关注。铝合金因具有良好的耐腐蚀性能、密度小、比强度高和导热性能好，在交通运输、航空航天等领域得到广泛应用，其中A356铸造铝合金具有优异的成形性能，能够制备各种形状复杂的零件。

金属熔液在型腔中充形及凝固的时间非常短，对铸件后续处理及性能有着重要的影响。数值模拟不仅能够直观地显示金属熔液充形流动过程及凝固顺序，而且能够预测铸造缺陷的性质、数量和分布，是研究金属凝固过程的重要手段。不同的研究者对A356铝合金构件挤压铸造过程进行研究，发现凝固是从熔体与模具的接触面开始，拐角区中心处最后凝固，浇注温度与模具温度升高，凝固时间延长，比压增加能够缩短凝固时间，并通过试验验证在最优模拟工艺参数下，成形件充型完整，表面品质高，组织致密，无铸造缺陷。半固态流变成形可以实现平稳充形，避免充形过程中气体、氧化夹杂卷入，利于压力传递与金属补缩，致密度高，后续热处理效果好。半固态流变压铸件相较于传统液态压铸件疲劳性能更好，其密度大于2.62g/cm3时，在70MPa应力下，疲劳寿命可达107次。热处理是优化合金力学性能的重要手段，不仅能够改变金属微观组织形貌，而且能够促进机体中新相的形成。研究者发现，A356铝合金经T6热处理后，合金中共晶Si棱角变得更加圆润和钝化，从而降低棱角状共晶Si颗粒对合金基体的割裂作用。发现合金元素固溶度、铸造缺陷、组织形态、尺寸和分布都对热导率有一定的影响，并讨论了合金元素、成形方式、热处理工艺对热导率的影响效果及作用机理。虽然研究者已经对挤压铸造、半固态流变成形技术、热处理工艺进行了大量研究，但关于液态挤压铸造与半固态挤压铸造的对比研究以及热处理对不同成形方式下组织及性能的影响研究鲜有报道。

本研究采用数值模拟与试验相结合的方法，考察A356铝合金液态挤压铸造与半固态挤压铸造充型及凝固过程，对金属型铸造、液态挤压铸造、半固态挤压铸造试样进行固溶时效处理，其显微硬度、抗拉强度、伸长率、热导率进行分析，研究不同成形方式下试样内部组织演化及其与性能之间的关系，为铝合金制备及性能优化提供参考。

图文结果

用SG-7.5-10电阻炉熔炼A356铝合金。当温度达到720℃时，使用C2Cl6（质量分数为1%）进行精炼，除气、除渣后静置。使用传统金属型铸造作为对比试验，分别进行液态挤压铸造与半固态挤压铸造。液态成形一般选择高于熔点80℃铸造，而半固态挤压铸造选择液相率在50%~70%，故根据图1凝固曲线选择金属型铸造与液态挤压铸造温度为700℃，半固态挤压铸造温度为590℃（液相率为61.62%）。将700℃的A356熔液浇注到预热温度为250℃的金属型中，获得金属型试样。使用700℃的熔液进行挤压铸造，其中挤压筒与模具预热温度均为250℃，压射力与比压分别为784kN和101MPa，保压15s。半固态挤压铸造过程为：将定量精炼待用的700℃铝液倒入带有电磁搅拌装置的滚筒中，在滚筒激冷作用下铝液迅速降温，同时在滚筒旋转与电磁搅拌作用下晶粒发生破碎游离，制备出具有大量圆整初生铝相的半固态浆料，然后迅速进行半固态挤压铸造，滚筒出口半固态浆料温度为590℃，挤压参数与液态挤压铸造相同。根据模拟凝固曲线结果，选择在530、540、550和560℃下对3种成形方式的试样进行4h固溶处理（T4），最后将540℃固溶4h试样在180℃下进行3、6、9、12和15h时效处理（T6）。

表1 A356铝合金的化学成分(%)

图1 A356合金的DSC和凝固曲线

图2 A356合金的充形过程模拟

图3 不同成形方式下A356合金的缺陷预测及铸件模型

图4为挤压铸造件不同位置的金相组织。从图4a可知，液态挤压铸造组织主要由树枝晶组成，a、b处晶粒平均尺寸约为44.51μm，c处晶粒平均尺寸约为40.32μm，d处晶粒平均尺寸为38.21μm，e、f处晶粒平均尺寸约为36.64μm。晶粒尺寸变化主要由充型及凝固过程决定。由于a、b处充型距离远，熔液与模具接触会形成激冷晶并不断长大，且凝固过程受压力作用较小，因此晶粒尺寸最大。e、f处充形距离短，当熔液充满型腔后开始凝固，凝固阶段压力大，故晶粒尺寸最小。从图4b发现，半固态挤压铸造组织主要由球状晶粒或者蔷薇状晶组成，同样a、b处晶粒尺寸最大，约为78.32μm，d处稍小，约为72.68μm，c处次之，约为64.28μm，e、f处最小，为61.62μm。

                             (a)液态挤压铸造                          (b)半固态挤压铸造

图4  A356合金挤压件不同位置金相组织

图5 不同成形方式制备A356铝合金的密度及孔隙率

图6 不同固溶温度和工艺下A356合金的金相组织

在固溶处理过程中，因存在残余应力，造成晶粒热稳定性较差，因此出现少量晶粒长大现象。液态挤压铸造残余应力大、原始晶粒尺寸小，故增长率最大，而金属型铸造原始晶粒尺寸大、残余应力小，所以增长率最小。对比铸态组织可知，固溶处理对共晶Si的细化和球化效果十分显著。从图7c发现，固溶处理后Mg2Si峰完全消失，这主要是因为固溶处理过程中Mg元素完全溶解在铝基体中，快速冷却后短时间的常温放置，不满足Mg2Si析出的动力学与热力学条件，因此检测不到Mg2Si相。

图7 540℃固溶温度下A356合金共晶Si尺寸、形貌及相组成

图8 不同固溶温度下A356合金的力学性能

图9 不同固溶温度下A356合金的热导率与热扩散系数

图10 180℃不同时效时间下A356合金的金相组织

图11 180℃×12h时效后A356合金中共晶Si相的形貌

图12 不同时效时间下A356合金中共晶Si尺寸分布、形貌及合金相组成

经固溶处理后A356铝合金保留了高温下溶质与空位浓度，溶质和空位的双过饱和状态为第二相析出提供了动力学条件，充分时效后能够提高合金的力学性能，见图13和图14。由于第二相阻碍位错滑移，因此随着抗拉强度与显微硬度的增加，合金的伸长率不断下降。从图13a可以看出，不同于液态挤压铸造与半固态挤压铸造，金属型铸造没有出现明显的强度与硬度峰值，伸长率保持稳定。这主要是因为金属型铸造冷却速度小、晶粒尺寸大、时效过程相对缓慢，且金属型铸造缺陷多，伸长率主要受铸造缺陷影响，对第二相敏感度低。金属型铸造试样在时效3h硬度略微下降。这可能是因为时效时间短，强化相析出量较少而残余应力被释放导致的。

图13  不同时效时间下A356合金的力学性能

图14 不同时效时间下A356合金的热导率及热扩散系数

结论

（1）通过数值模拟，发现液态挤压铸造时，合金液沿压力方向快速充型，部分A356合金液从上向下回流，心部最后充型，68.06s后完全凝固。半固态挤压铸造时，合金液在压力作用下自下而上平稳充型，有利于排气和补缩，凝固时间仅为34.46s。模拟结果与试验结果一致。挤压铸造致密度远远高于金属型铸造，半固态挤压铸造孔隙率仅为0.49%。

（2）经固溶处理后A356合金中α-Al基体晶粒形貌不变，尺寸稍微长大，共晶Si尺寸明显减小并球化。随着固溶温度升高，A356铝合金的抗拉强度、显微硬度、伸长率和热导率均呈先增加后减小的趋势，但是半固态挤压铸造力学性能无明显下降。

（3）在时效过程中共晶Si进一步球化、粗化，并析出弥散分布的Mg2Si强化相，随着时效时间延长，A356合金抗拉强度、显微硬度、伸长率和热导率先增加后减小，在9h时性能最优，而金属型铸造试样的热导率在时效过程中基本保持不变。

（4）在540℃×4h固溶+180℃×9h时效后半固态挤压铸造A356合金性能最佳，抗拉强度、显微硬度（HV）、伸长率和热导率分别为283.65MPa、95.0、13.2%和191.82W/（m∙K）。

本文作者：

邱谨 曹杨婧 罗晓梅 周宏伟 曹驰 毕广利 李元东

兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室

周宏伟 毕广利 李元东兰

州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室

曹驰

兰州理工大学温州泵阀工程研究院

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