旋转直管浇注法制备A356铝合金半固态浆料

许 明，周杰敏，段聪翀，黄佰成，孟凡纪

（1.安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036；2.合肥熠辉轻合金科技有限公司，安徽合肥 230001）

旋转直管浇注法制备A356铝合金半固态浆料

许 明1，周杰敏1，段聪翀2，黄佰成1，孟凡纪2

（1.安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036；2.合肥熠辉轻合金科技有限公司，安徽合肥 230001）

采用旋转直管浇注法制备A356铝合金半固态浆料，在不同浇注温度和转速下进行了系列试验，并与直管法进行了对比分析。结果表明，在不同转速条件下，浇注温度越低，得到的浆料凝固组织晶粒尺寸就越小，颗粒球化程度越高。与直管法相比，同一工艺参数下，旋转直管法制备的坯料的晶粒更为细小和圆整，并且随着旋转速度的增加，可得到理想浆料组织的浇铸温度区间也随之增大。本实验条件下，当转速为300r/mim时，浇注温度为670℃也能得到较理想的半固态凝固组织。

旋转式直管浇注法;A356铝合金;半固态浆料

1 引 言

上世纪70年代美国MIT研究人员提出半固态金属加工技术，经过40多年各国研究人员的不断探索和创新，使半固态金属加工技术在美国等发达国家成功用于工业生产。半固态成形技术主要分为流变成形和触变成形，其核心都是获得理想的非枝晶组织，因此浆料的制备方法和技术一直都是半固态工艺研究和开发的重点。控制形核法［1］直接从球状晶粒形核和长大的热力学、动力学条件入手，控制一定的凝固条件，调节初生相的形核和生长，从而获得球状初生相的浆料组织，如倾斜板浇注法［2］、波浪形倾斜板浇注法［3］、蛇形通道浇注法［4］、斜（转）管法［5］、阻尼冷却管法［6］、直管浇注法［7］等，它们都是通过金属液体与板面或管壁直接接触的方式，由于激冷作用而形成大量的晶核，从而得到非枝晶组织。作者根据上述浆料制备的思想，设计了一种旋转式直管浇道，并以A356作为实验材料进行了初步实验，取得了一些成果。

2 试验方法

实验选用A356铝合金作为实验材料，该铝合金的理论液相线温度为615℃，固相线温度为555℃。将A356铝合金在电阻炉内熔化，待熔液温度达到720℃时，通入氩气进行除气处理，除气时间一般为5～8min，随后保温2～3min后扒渣。在浇注前将铝合金液控制到预定的温度，通过经控制旋转速度的直管浇道（石墨）将该铝合金液浇注到不锈钢制备的坩埚（Φ76×150× 3mm）中，随后快速将坩埚和处于半固态的合金浆料浸入水中冷却。浇注温度分别设定为630，650，670℃，旋转速度分别设定为0，100，200，300r/min。旋转直管浇注工艺装置的简图如图1所示。

图1 旋转直管浇注工艺装置Fig.1 Rotating pipe casting process equipment1.熔料坩埚;2.直管浇道;3.铝合金浆料;4.旋转装置; 5.不锈钢坩埚;6.水槽

对所获得的凝固浆料沿其轴线方向从中截取约12mm厚的圆片，从中再取出一扇形块（经过圆心）作为金相试样。经过粗磨、细磨和抛光之后，用混合酸水溶液对试样进行侵蚀，利用Neuphoto光学显微镜观察试样的组织形貌。

3 实验结果与分析

3.1 旋转速度对半固态A356铝合金浆料显微组织的影响

熔液浇注温度为630℃时，直管法（转速为0）和直管转速为100，200，300r/min条件下均能制备出合格的半固态浆料，如图2所示，但直管在旋转条件下制备的半固态浆料凝固组织的晶粒度相对较小，圆整度也有所提高;在650℃浇注时，随着直管旋转速度的增加，可以发现所得到的半固态浆料的凝固组织形貌变得越来越好（如图3所示），比直管法得到的浆料组织的晶粒尺寸以及圆整度都有明显的好转;在670℃浇注时，如图4所示，随着直管旋转速度的增加，初生相的形态发生由树枝状→蔷薇状→颗粒状的明显转变，在转速为100，200，300r/min得到的金相组织和直管法对比可发现，晶粒形貌变化程度比650℃浇注条件下得到的金相组织变化更加明显;而且在浇注温度为670℃时，直管法已经无法制备出合格的半固态浆料了，但本实验条件下，直管旋转法却依然能得到较理想的半固态浆料组织。由此可以说明直管的旋转速度对坯料组织有显著影响，而且浇注温度不同时，旋转速度对组织的影响程度也不一样，对较高浇注温度组织的影响比较低温度的大，并且随着旋转速度的增加，可得到理想浆料组织的浇铸温度区间也随之增大。

图2 浇注温度为630℃时不同旋转速度直管条件下的A356微观组织（a）直管法（0r/min）;（b）100r/min;（c）200r/min;（d）300r/minFig.2 Microstructure of A356 alloys under differentrotating pipe’s speed，pouring temperature of 630℃

图3 浇注温度为650℃时不同旋转速度直管条件下的A356微观组织（a）直管法（0r/min）;（b）100r/min;（c）200r/min;（d）300r/minFig.3 Microstructure of A356 alloys under different rotating pipe’s speed，pouring temperature of 650℃

图4 浇注温度为670℃时不同旋转速度直管条件下的A356微观组织（a）直管法（0r/min）;（b）100r/min;（c）200r/min;（d）300r/minFig.4 Microstructure of A356 alloys under different rotating pipe’s speed，pouring temperature of 670

3.2 浇注温度对半固态A356铝合金浆料显微组织的影响

图2（a）、图3（a）、图4（a）是直管法在630℃、650℃、670℃浇注温度条件下获得的A356铝合金半固态的微观组织。在630℃浇注时，凝固浆料组织都是由颗粒状和球状的细小初生相均匀地分布在共晶基体中构成的，如图2（a）所示，这是非常理想的半固态组织;图3（a）是650℃时的凝固浆料组织形貌，从图中可看到，其中大都是球状或椭球状的初生相，还有少量的蔷薇晶，虽然未出现树枝晶，但晶粒尺寸变大;在670℃时，凝固浆料组织几乎都是发达的树枝晶，如图4（a）所示，该组织与前两种温度相比有明显的恶化，所以，本实验条件下，670℃浇注时已经无法制备出合格的半固态浆料。

在直管旋转速度为100r/min时，630℃浇注得到的凝固浆料组织都是由颗粒状和球状的细小初生相构成;在650℃浇注温度时，凝固浆料组织依然由颗粒状和球状细小的初生相为主，同时出现少量的蔷薇晶，但其仍然是较理想的半固态组织;在670℃浇注时得到的浆料组织见图4（b），是由颗粒状初生相、蔷薇晶和小树枝晶组成，该形貌与前两种温度相比有所恶化，但并未出现粗大的树枝晶。

在直管旋转速度为200r/min时，630℃浇注得到的凝固浆料组织主要由颗粒状和球状的细小初生相构成，是较理想的半固态组织;图3（c）是650℃浇注时的金相组织，可看到其初生相大都是颗粒状和球状，以及少量的蔷薇晶，但组织形貌明显优于图3（a）所显示的金相组织;在670℃浇注时，从图4（c）中可看到，其是由颗粒状和球状初生相、少量细小蔷薇晶和极少小树枝晶组成，其组织形貌较图4（a）有明显好转。

在直管旋转速度为300r/min时，在630，650℃浇注时，凝固浆料组织均由颗粒状和球状的细小初生相构成，都是理想的浆料组织;在670℃浇注时，凝固浆料组织是由颗粒状和球状的细小初生相以及少量细小蔷薇晶组成，其组织形貌较图4（a）晶粒的尺寸和圆整度有明显变化，是较理想的半固态浆料组织。

上述结果表明，浇注温度对于直管静态浇铸制备半固态浆料的可行性具有显著影响。譬如在650℃时凝固浆料组织中就出现了蔷薇晶和晶粒尺寸粗大的现象（图3（a）），由于温度的苛刻要求，增加了实际工业生产的难度。但是，采用直管旋转方式制备半固态浆料，可以显著降低金相组织的合格性对温度的依赖。通过图2和图4的对比可以看出，即使浇注温度为670℃时，只要直管转速达到200r/min以上，依然能得到较理想的半固态浆料组织。与静态直管法相比，旋转直管法可得到理想浆料组织的浇铸温度区间显著增大。

4 讨 论

静态直管法主要利用型壁结晶机理和浇注过程中的搅拌来制备细小的半固态浆料组织［8］，但当温度升高时，直管不能及时地将热量散发出去，使管壁附近的过冷度减小，造成管壁附近形核数量减少，致使形核密度减小，晶核间距增大，晶核间的相互抑制作用减小，晶粒可能长大。旋转式直管浇注工艺是在静态直管法的基础上增加了旋转装置，直管的高速旋转使流经管壁的熔体在离心力的作用下充分与管壁接触，由管壁的碰撞、剪切和激冷作用产生大量的非匀质晶核。旋转直管内的熔体在重力和转管管壁黏附力的双重作用下向下掉落，这种方式一定程度上增加了熔体与管壁碰撞剪切的时间;且熔体能够与管壁充分紧密接触，从而管壁能够更加充分地吸收熔体的热量，同时旋转的直管提高了散热速度，当熔体温度较高时亦能具有较高的形核率。直管旋转的速度越快，熔体与管壁接触的时间越长，异质形核越多;同时高速旋转产生的剪切力随转速的增加对熔体进行更加充分的搅拌，使正在生长的枝晶臂熔断，当掉落到铸型里时，这些破碎的枝晶臂起到了晶核的增殖作用，熔体中均匀分散的晶核和熔断的枝晶臂，使熔体热流梯度相对较小，且整体趋于一致，因此合金固相晶粒比较容易发生细化和球化，因此在较高转速条件下，即使浇注温度较高也能得到细小球形的半固态合金组织。

5 结 论

1.采用旋转直管浇铸法有利于晶核的增殖作用，有助于合金固相晶粒的细化和球化，在一定的转速条件下，温度较高时依然能够获得较理想的A356铝合金半固态坯料。

2.直管的旋转速度对坯料的组织形态影响显著。浇注温度不同时，影响程度也不一样，对较高温度的影响要比较低温度的大，并且随着旋转速度的增加，可得到理想浆料组织的浇铸温度区间也随之增大。本实验条件下，当直管转速达到200r/min以上，在670℃依然能得到较理想的半固态浆料组织。与常规的静态直管法相比，旋转直管法可得到理想浆料组织的浇铸温度区间显著增大。

［1］王浩.半固态材料制备的研究现状和发展趋势［J］.特种铸造及有色合金，2003，（增刊）：332～334.

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［8］杨小容，毛卫民，裴胜，直管浇注法制备半固态坯料的研究［J］.特种铸造及有色金属，2008，28（3）：186～188.

preparation of Semi-solid A356 Aluminum Alloy with Alloy Slurry by Rotary Straight pipe Casting

XU Ming1，ZHOU Jie-min1，DUAN Cong-chong2，HUANG Bai-cheng1，MENG Fan-ji2
（1.Anhui Agriculture University Institute of Technology，Heifei 230001，China; 2.Hefei YiHui Light Alloy Technology Co.，Ltd.，HeFei 230001，China）

Comparing with the straight pipe pouring，the semisolid A356 aluminum alloy slurry manufactured by rotary straight pipe casting was investigated in different pouring temperature and rotation speed.The experimental results show that，with the decrease of the pouring temperature，the grain of the slurry solidification structure is smaller and the rounded degree of the grain ball is increased in different rotational speed.More importantly，all results show that the smaller and more rounded grain can be obtained by rotary straight pipe casting under the same process parameters.It is also demonstrated that there is a visible enlargement of the casting temperature interval to manufacture the ideal slurry when the rotational speed is increase.With the rotating speed reaching 300r/min，ideal structure can be obtained successfully in spite of the pouring temperature increasing to the 670℃.

rotary straight pipe casting;semi-solid A356 aluminum alloy;semi-solid slurry

TG146.2+1

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.029

1673-2812（2016）03-0478-04

2015-05-29;

2015-07-14

许 明（1988-），男，硕士，主要从事半固态金属成形研究。E-mail：945408943@.com。

周杰敏，女，副教授，E-mail：zjmjmh@163.com。