原标题：宁波合力：Al-7Si-Mg铝合金挤压铸造过程热-力行为的研究

挤压铸造是在外挤压力下凝固的近净成形工艺。外挤压力可以促使凝固的铸件与模具紧密接触，增加了铸件/模具间的传热，从而得到组织细化和枝晶间距较小的凝固组织，使铸件具有良好的力学性能。因此，该工艺也特别适用于高品质的安全结构件的生产。在挤压过程中，外挤压力不仅改变了铸件/模具界面的接触情况，而且改变了液相线温度，从而改变了铸件的传热与温度分布。同时，固相形成和凝固收缩对来自冲头的压力传递也具有重要影响。因此，热力相互作用行为是挤压铸造的本质问题之一。对此，一些研究者利用数值模拟方法进行了研究，但是，由于高温和外力作用下型腔内压力测试的难度与复杂性，仅压铸过程压力变化的测试与分析有少量报道，而挤压铸造相关研究工作尚未见报道。因此, 已有数值模拟研究只能通过缩孔缺陷进行间接验证, 缺少试验压力测试的直接对比。

进行了不同挤压力下Al-7Si-Mg合金的直接挤压铸造，对铸型内温度和压力进行了测试, 探讨了两者之间的关系, 以及压力对收缩缺陷最终形成的影响，并计算和分析了凝固过程铸件和模具界面摩擦力的变化。

✦图文结果✦

温度和压力是影响挤压铸造过程及铸件凝固热-力行为的重要参数。试验采用的直接挤压铸造及热力测试过程示意图见图1，热电偶放置在75和150mm的高度，用于测量模具温度TM1、TM2和铸件温度TC1、TC2;在铸件底部放置一个压力传感器，以记录底部的压力变化。挤压铸造具有冷却速度快、凝固时间短等优点，但在挤压过程中，铸件的温度高、受到的挤压力大，故要求试验用的仪器和设备反应速度快、灵敏度高和精度高，因此选用K型热电偶测量铸件和模具的温度。铸件底部压力由6175A2型压力传感器测得，其具体参数见表1。顶杆安装有压力传感器，传感器的前端与顶杆端面平齐，承受与顶杆相同的压力。数据收集系统由多个测温热电偶和压力传感器组成，可同时采集试验过程的温度和压力数据。数据收集系统与PC端通过以太网连接，可进行实时数据传输。

图1 挤压铸造热-力测试方案示意图
1.压力传感器 2.顶杆 3.铸件 4.模具 5.冲头 6.压力

表1 6175A2型号压力传感器参数列表

原材料为Al-7Si-Mg (ZL101A) 铸造铝合金，将称好的铝合金放入坩埚中，升温至200℃左右，并保温30min以烘干坩埚的水分。熔炼过程采用多级升温，分别设置为第1阶段加热到400℃，保温30min；第2阶段加热到600℃，保温40min;第3阶段加热到730℃，保温120min。在铝合金熔化后，加入除渣剂进行除渣，然后静置铝液，在720℃下挤压。直接挤压铸造工艺参数：模具温度为250℃，浇注温度为720℃，挤压压力分别为0.1、50、75、100MPa。试验过程:接通各类仪器并测试热电偶和压力传感器的工作状态；将模具的型腔内壁均匀喷涂脱模剂;并预热至250℃, 以防止铸件凝固过快;数据采集系统开始采集温度和压力的变化数据；保压至200s后结束数据采集；松开测温镶块，冲头上升，模具开模，顶杆顶出铸件。

图2 不同挤压力下Al-7Si-Mg合金挤压铸件

图3 不同挤压力下铸件的微观组织

图4 不同挤压力下的温度与压力变化曲线

铸件的温度 (见图4中TC1、TC2) 在充型结束后迅速降至液相线温度，凝固过程首先析出初生α-Al相，然后发生共晶转变。凝固结束后，TC1、TC2都呈现下降的趋势，由于TC1位置离下模板更近，热量扩散的速率比TC2快, 所以TC1较TC2下降更快。模具温度TM1、TM2在经历初始的迅速上升阶段后缓慢升高，这是由于铸件在凝固过程中冷却收缩，而型腔受热膨胀，铸件/铸型界面产生的空气间隙阻碍了热量从铸件向铸型的传递。

表2 不同挤压力下的凝固时间

图5 铸件/模具间的摩擦力变化曲线

随着挤压力增加，由于铸件与模具接触改善，铸件冷却速度增加, Al-7Si-Mg合金共晶转变时间缩短。在50和75MPa挤压力下，型腔内压力先降低，其后由于铸件与模具接触情况降低，两者间摩擦力下降，压力传递增加。对于100MPa挤压力，由于挤压力较大，铸件发生持续变形，保证了铸件与模具的紧密接触，两者间摩擦力始终较大，使得底部压力不断下降。研究表明，挤压铸造过程中铸件和模具间摩擦力对压力传递和衰减具有重要影响，是热-力模拟不可忽略的重要因素。

本文作者：

王春涛1 姚杰1 赵海东2 李俊文2 邓德杰2

1.宁波合力模具科技股份有限公司；

2.华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社，《压铸周刊》战略合作伙伴