原標題：A356鋁合金渦旋盤半固態壓鑄工藝研究

摘要

研究了A356鋁合金渦旋盤的壓鑄成形工藝，通過數值模擬對比了液態壓鑄、半固態壓鑄工藝的缺陷控制效果。經過優化，采用半固態真空壓鑄工藝進行了生產驗證，并對鑄件進行了金相分析及性能測試。結果表明，半固態充填過程鋁液流態比液態壓鑄更平穩，渦旋盤螺旋齒和底面等關鍵部位產生的卷氣量、氧化夾雜量和縮孔更少，通過抽真空可進一步降低缺陷數量。渦旋盤半固態真空壓鑄件組織致密，無明顯氣孔、縮孔和疏松等缺陷，其鑄態組織為圓整的等軸晶，Si相以共晶團形式分布在Al基體中，經T6熱處理后共晶Si相球化為均勻分布的細小顆粒，渦旋盤HB硬度由鑄態的53.1提升至93.5，高于同規格低壓鑄造渦旋盤的硬度。

渦旋式壓縮機因運行平穩、噪聲低等特點，廣泛應用于空調制冷、熱泵及生物醫療設備等領域。其核心部件包括動靜渦旋盤、偏心軸、防自轉機構和支架。靜渦旋盤固定，動渦旋盤由電機驅動做偏心轉動，兩者嚙合形成多個壓縮腔，氣體從進氣口吸入并逐步壓縮，最終由排氣孔排出。動靜渦旋盤的螺旋齒需高精度嚙合以形成密封壓縮腔，這對加工工藝提出嚴苛要求。此外，渦旋盤在高速運行中承受沖擊與磨損，因此材料需兼具高硬度、韌性及耐磨性，以確保長期可靠運行。A356鋁合金作為當前市場上廣泛應用的渦旋盤材料，其主流鑄造成形工藝有低壓鑄造和擠壓鑄造。這兩種工藝均采用慢速充填方式，能有效減少鑄件氣孔和夾雜物，提升組織致密性。然而，低壓或慢速充填時鋁液流動性不足，易造成充不滿，需增加鑄件壁厚以確保完整充型，這既會增加后續機械加工的余量，不利于產品輕量化設計，還會導致生產效率降低、生產成本上升。

采用高壓鑄造能夠提高渦旋盤的生產效率，但常規的高速高壓工藝會造成鋁液嚴重卷氣，達不到渦旋盤的致密度要求。而超低速液態壓鑄和半固態壓鑄可以實現鋁液的層流控制，降低卷氣率。周明等通過超低速（0.05~0.9 m·s¯¹）液態壓鑄工藝制備了ADC12鋁合金樣件，其合金組織中共晶Si顆粒細小、圓整，無疏松縮孔等缺陷。劉春生等利用超低速液態壓鑄工藝開發了汽車發動機變速箱支架類零件，當低速壓射速度為0.25 m·s¯¹、高速壓射速度為0.5 m·s¯¹、內澆道厚度為5.2 mm、澆注溫度為680~690 ℃時，獲得的鑄件質量最好，內部無明顯氣孔。胡玲海等研究了A319鋁合金支臂半固態壓鑄過程，發現金屬充型順暢平穩，沒有飛濺，所得鑄件外觀質量好，沒有褶皺，內部無缺陷。Li等針對6061鋁合金支架的半固態壓鑄工藝進行研究，結果表明，在澆注溫度645 ℃、模具溫度200 ℃、壓射速度0.5 m·s¯¹的工藝條件下，能夠制備出內部無明顯疏松縮孔、鑄件質量較優的鋁合金支架。

本課題采用超低速液態壓鑄和半固態壓鑄工藝制備鋁合金渦旋盤，對比分析鋁液充填和凝固階段可能產生的缺陷及原因，在此基礎上優化半固態壓鑄成形工藝，最終制備出低孔隙、高硬度的渦旋盤鑄件。

01 渦旋盤零件及澆排系統分析

1.1 渦旋盤零件分析

圖1為國內某生物醫療設備中的渦旋盤零件圖，其材料為A356鋁合金，化學成分見表1。鑄件外形輪廓尺寸約為247 mm×270 mm×70 mm，形狀復雜、壁厚不均勻，其中螺旋齒厚度為4.50 mm，底面厚度為5.87 mm，這兩個區域為關鍵承載部位，要求進行機械加工，必須確保其致密性。散熱齒厚度為3.03 mm，該區域雖無需進行機械加工，但要保證在鑄造過程中鋁液能夠完全充滿。

圖1 渦旋盤三維結構與尺寸圖

表1 A356合金化學成分 wB/%

1.2 澆排系統設計

采用雙流道雙澆口的設計方案，如圖2所示。內澆道截面積為780 mm²，厚度為12.92 mm。流道截面形狀為梯形，流道面積保持收斂式變化，以提高鋁液流動穩定性。同時在壓鑄件充填末端設計多個溢流槽，以排出型腔中的氣體和氧化夾雜。

圖2 澆排系統三維圖

02 壓鑄數值模擬方案

2.1 模型建立

設計的數值模擬模型如圖3所示，主要包括帶澆排系統的壓鑄件、料筒及柱塞三部分。其中，料筒直徑為100 mm，長度為595 mm。在Flow-3D軟件中，通過給柱塞設置壓射速度并作用于料筒中的鋁液，從而模擬實際壓鑄生產過程。將鑄件剖分為螺旋齒、底面和散熱齒，以便對這三個區域的卷氣、夾雜和縮孔等缺陷分布情況進行獨立統計，并將統計結果作為工藝評價和優化的主要依據。

圖3 數值模擬模型

2.2 鋁液粘度模型設置

Flow-3D軟件通過設置材料的密度、粘度等熱物性參數屬性來定義流體。對于液態金屬，通?？蓪⑵湟暈榕ｎD流體，其粘度在不同剪切速率下基本保持恒定。因此，在液態壓鑄模擬過程中，將粘度設置為0.001 9 Pa·s。對于半固態壓鑄模擬過程，通常采用Carreau模型來描述非牛頓流體的流動行為，其表達式為：

式中：μ0為零剪切速率粘度；μ∞為無限剪切速率粘度，設置為0.297 Pa·s；λ1為時間常數，反映時間對粘度的影響，設置為0.298 5 s；eij為笛卡爾張量符號中的流體切變率；n為Power-law指數，是試驗數據擬合的參數，取-0.295。

2.3 參數設置

A356鋁合金的熱物性參數見表2。液態壓鑄方案的澆注溫度設定為650 ℃，半固態壓鑄方案的澆注溫度設定為600 ℃。模具材料選用H13鋼，其熱物性參數見表3，模具初始溫度設定為200 ℃。壓鑄過程分為兩個階段：第一階段壓射速度設置為0.1 m·s¯¹，以確保液態金屬能夠平穩充滿料筒和流道；第二階段則提高至0.2 m·s¯¹，直至整個鑄件完全成形。

表2 A356合金的熱物性參數

表3 H13鋼的熱物性參數

03 數值模擬結果與分析

3.1 液態與半固態壓鑄模擬結果對比

渦旋盤液態與半固態壓鑄模擬結果如圖4~6所示。從流態來看，液態壓鑄在充填階段末期出現鋁液湍流、飛濺現象，而半固態壓鑄在整個充填階段鋁液保持層流狀態，無飛濺，見圖4。從氧化夾雜分布看，半固態壓鑄渦旋盤的氧化夾雜主要分布在鑄件左右兩側，中間區域基本無氧化夾雜，而液態壓鑄件的中心區域有零星氧化夾雜存在，見圖5。兩種壓鑄方式下鑄件縮孔均較少，見圖6，表明流道設計合理，鋁液可通過流道充分發揮補縮作用。

圖4 鋁液充填過程模擬

圖5 氧化夾雜模擬結果

圖6 縮孔模擬結果

渦旋盤各主要區域模擬缺陷統計結果見圖7?？梢钥闯?，采用液態壓鑄時，整個渦旋盤的中心到頂部都存在較多卷氣，螺旋齒區域卷氣質量為0.335 g，底面區域的卷氣質量為0.16 g；而半固態壓鑄方案僅在渦旋盤頂部產生部分卷氣，螺旋齒區域的卷氣質量為0.267 g，底面區域的卷氣質量為0.058 g，兩個關鍵區域的卷氣量明顯低于液態壓鑄，但散熱齒的卷氣量較高。此外，半固態壓鑄的氧化夾雜和縮孔缺陷也略優于液態壓鑄，其中底面氧化夾雜質量最小，約為2.7 g，這有利于提高后續底面機加工的表面光潔度?？梢?，半固態壓鑄方案在螺旋齒和底面兩個關鍵承載部位產生的鑄造缺陷明顯低于液態壓鑄方案。

圖7 渦旋盤各部位缺陷統計結果

3.2 半固態壓鑄工藝改進與數值模擬

為進一步降低渦旋盤鑄造缺陷，對半固態壓鑄方案進行優化。根據上述數值模擬結果，在渣包處增設排氣道并添加真空閥門，將排氣閥出口的壓力調為1×104 Pa，即實現鋁液充填過程的實時抽真空工藝，如圖8所示。優化后的數值模擬結果見圖9，經統計，半固態真空壓鑄方案在螺旋齒產生的卷氣質量為6.09×10¯4 g，氧化夾雜質量為9.7 g，縮孔率為1.30%；在底面產生的卷氣質量為2.36×10¯4 g，氧化夾雜質量為2.4 g，縮孔率為1.37%；在散熱齒產生的卷氣質量為4.23×10¯³ g，氧化夾雜質量為6 g，縮孔率為1.32%。由圖7對比結果可知，采用優化方案后螺旋齒和底面的卷氣質量大幅降低，氧化夾雜和縮孔也有一定程度減少，說明該方案能夠有效解決渦旋盤鑄件缺陷問題。

圖8 排氣道和真空閥門增設處

圖9 半固態真空壓鑄模擬結果

04 渦旋盤生產驗證與分析

結合數值模擬分析結果和企業實際生產條件，通過布勒840 T壓鑄機進行渦旋盤壓鑄。采用機械攪拌方式制備半固態漿料。壓鑄溫度為600 ℃，壓射速度為0.1~0.2 m·s¯¹，模具溫度為200 ℃。采用保溫脫模劑防止慢速壓射時鋁液降溫過快。圖10為鑄件實物圖，可以看出鑄件品質良好，無明顯表面缺陷。X射線檢測結果顯示，鑄件中無明顯氣孔、縮孔和疏松等缺陷，如圖11所示。

圖10 渦旋盤鑄件實物圖

圖11 渦旋盤鑄件X射線無損檢測結果

在圖10所示螺旋齒部位取樣進行金相分析，對比低壓鑄造（澆注溫度720 ℃，模具溫度300 ℃，比壓0.12 MPa，保壓時間50 s）和半固態真空壓鑄件的鑄態和 T6 態顯 微 組 織 。T6熱處理工藝為先固溶處理535 ℃×6 h，后時效處理180 ℃×3 h。采用華銀HB-3000B 型布氏硬度計測定試樣的硬度，鋼球直徑10 mm，載荷為1 000 kgf，保載時間30 s，每個試樣測定三次并取平均值。

金相分析結果如圖12所示，布氏硬度測試結果如圖13所示?？梢钥闯觯蛪鸿T造渦旋盤鑄態組織中存在發達的樹枝晶，共晶Si為較粗大的層片狀，見圖12（a），試樣硬度為HB76.3；半固態真空壓鑄渦旋盤鑄態組織為圓整的等軸晶，共晶Si相呈團狀聚集，見圖12（c），因此硬度較低，為HB53.1。經T6熱處理后，低壓鑄造試樣中共晶Si因形態粗大而固溶量較少，故呈較大顆粒狀，見圖12（b），硬度為HB86.3；半固態真空壓鑄試樣中共晶Si為細小團狀，固溶量較多，因此熱處理后呈細小顆粒狀，見圖12（d），其時效析出強化更顯著，硬度達到HB93.5，產品具有更高的耐磨性。

圖12 渦旋盤金相組織

圖13 渦旋盤布氏硬度

05 結論

（1）采用半固態壓鑄成形工藝時鋁液流態更平穩，在螺旋齒和底面兩個關鍵部位產生的卷氣質量、氧化夾雜質量和縮孔率均低于液態壓鑄。其中，半固態壓鑄在螺旋齒產生的卷氣質量為0.267 g，明顯低于液態壓鑄產生的0.335 g，半固態真空壓鑄下進一步大幅降低為6.09×10¯4 g；半固態壓鑄在底面產生的卷氣質量為0.058 g，明顯低于液態壓鑄產生的0.16 g，半固態真空壓鑄下進一步大幅降低為2.36×10¯4 g。半固態壓鑄成形工藝可有效確保渦旋盤關鍵區域的冶金質量，為后續機械加工奠定基礎。

（2）采用澆注溫度600 ℃、壓射速度0.1~0.2 m·s¯¹、模具溫度200 ℃的半固態真空壓鑄工藝進行實際生產驗證，所制備的渦旋盤鑄件無明顯表面缺陷，內部無明顯氣孔、縮孔和疏松等缺陷。鑄件鑄態組織為圓整的等軸晶，共晶Si團分布在Al基體中，硬度為HB53.1，經T6熱處理后共晶Si團球化為均勻分布的細小顆粒，硬度提升至HB93.5，高于低壓鑄造鑄件硬度，具備更好的耐磨性能。

作者
林承杉，王火生，張　榮，廖　亮，陳運銓
福建理工大學 材料科學與工程學院

本文轉載自：鑄造雜志