【专题系列】东北大学&大连交通大学管仁国教授：半固态挤压铸造Al-Si-Mg-Fe合金的组织与性能

挤压铸造技术兼具铸造成形和锻造加工的特点，受到国内外广泛关注。液态金属挤压铸造过程中易出现卷气现象，导致铸件力学性能降低。随着“双碳”政策的实施，各领域对高性能轻量化零部件的需求越来越高，半固态挤压铸造技术在高性能铝合金近净成形方面极具发展潜力。

半固态挤压铸造技术的关键在于制备具有球状晶的半固态浆料。目前，国内外学者在半固态浆料的制备技术方面已进行了大量研究，开发出了机械搅拌技术、电磁搅拌技术和蛇形流道技术等，能够制备具有球状晶的半固态浆料，但粘料现象以及制浆效率低仍是亟需解决的问题。将剪切、振动耦合亚快速凝固制浆技术应用于半固态浆料的制备,不仅可以有效解决粘料问题，还会影响溶质的扩散和临界形核功，促进冷却板表面晶核的游离、增殖，进而提高形核率、改变晶粒大小、提升晶粒的圆整度。

(资料图)

A356合金因具有较宽的半固态温度区间而被广泛应用于半固态加工领域。通讯领域的发展，对铸件性能的要求日益增长。合金化对力学性能的提升有重要作用。添加Mg可以通过固溶强化以及第二相强化作用来提高合金的力学性能,而Fe的添加则可以提高铸件的脱模能力。

大连交通大学管仁国教授研究团队以Al-Si-Mg-Fe合金为对象，采用剪切、振动耦合亚快速凝固制浆与挤压铸造技术，制备了半固态挤压铸件，并重点研究了浇注温度和挤压压力对其组织与性能的影响规律，以确定优化的工艺参数。

作者简介

[ 管仁国 ]

管仁国，山东莒县人，大连交通大学二级教授、博导、碳中和研究院院长、连续挤压教育部工程研究中心主任，中国有色金属学会常务理事。入选国家“万人计划”科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，担任国家重点研发计划项目首席科学家，是首届国家优秀青年科学基金获得者，首届辽宁省“兴辽英才”创新领军人才，获辽宁省青年科技奖十大英才、教育部新世纪优秀人才、霍英东青年教师基金、大连市尖端与领军人才、大连市优秀专家等。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家863计划等省部级以上项目30余项。以第一完成人获辽宁省技术发明一等奖、日内瓦国际发明金奖、冶金科学技术二等奖等省部级以上科技奖7项。在Acta Mater 等期刊发表SCI论文150余篇，主编专著1部，授权国家发明专利30余件，参与制定国家标准1项。担任《金属学报》(英文版)、《中国有色金属学报》中英文版与《精密成形工程》期刊编委，《特种铸造及有色合金》青年编委会副主任等6个期刊编委。

作者简介

[ 高民强 ]

高民强，近五年，以第一/第一通讯作者在J. Mater. Sci. Technol.、Mater. Des.、Mater. Sci. Eng. A、J. Alloy. Compd.、Mater. Charact.、Mater. Lett.等金属材料领域重要期刊上发表与本项目相关的SCI论文22篇，获中国有色金属工业科学技术一等奖1项，创新东莞科技进步一等奖1项，授权国家发明专利1件，主持中国人民解放军装甲兵工程学院重点实验室基金项目1项、辽宁省教育厅基本科研项目青年项目1项、辽宁省博士科研启动基金计划项目1项，参与了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大仪器专项项目等项目的研究。担任Compos. B. Eng.、Mater. Sci. Eng. A、J. Mater. Sci.等期刊的审稿人。

【图文内容】

采用工业纯铝(%质量分数，下同)、纯镁(%)、Al-30Si和Al-10Fe中间合金作为原材料制备Al-Si-Mg-Fe合金。使用化学分析方法对合金的实际成分进行分析，实测成分见表1。图1为350T半固态挤压铸造装置及铸件，采用350T半固态挤压铸造机进行生产。首先将工业纯铝在坩埚中加热到750 ℃保温熔化后，加入Al-30Si中间合金。待熔体温度降低至720 ℃时，先后加入纯镁和Al-10Fe中间合金。当熔体完全熔化后，对熔体进行除气、除渣处理，并保温30 min。当熔体温度降低至目标温度时，给汤勺取料，将熔体浇注到剪切、振动耦合亚快速凝固制浆机的冷却板表面上，熔体沿着冷却板流入挤压铸造机的入料口，调整挤压铸造机参数，进行挤压铸造成形，获得半固态挤压铸造通讯部件，其轮廓尺寸为240 mm×100 mm×40 mm。半固态挤压铸造试验的工艺参数见表2。对半固态挤压铸件进行T6热处理，即在535 ℃固溶1 h, 水淬，170 ℃时效 h, 空冷。

图1 350T半固态挤压铸造装置及铸件

图2 拉伸试样的尺寸

图3 不同浇注温度下Al-Si-Mg-Fe合金的显微组织

图4 不同浇注温度下Al-Si-Mg-Fe合金的统计信息

图5 不同挤压压力下Al-Si-Mg-Fe合金的显微组织

图6 不同挤压压力下Al-Si-Mg-Fe合金的统计信息

图7 不同浇注温度下Al-Si-Mg-Fe合金的工程应力-应变曲线

随着浇注温度降低，半固态挤压铸造Al-Si-Mg-Fe合金过冷度增加，有效形核率增大，导致初生α-Al晶粒的平均晶粒直径减小，形状因子增加，孔隙率降低，从而提高合金的力学性能，但过低的浇注温度会导致粘料。

图8 不同浇注温度下Al-Si-Mg-Fe合金的拉伸断口形貌

图9 不同挤压压力下Al-Si-Mg-Fe合金的工程应力-应变曲线

图10 不同挤压压力下Al-Si-Mg-Fe合金的拉伸断口形貌

随着挤压压力增加，初生α-Al晶粒更为细小、球化，且铸件更加致密，力学性能提高。但当挤压压力超过一定值后，对铸件的组织、致密性和力学性能的改善不明显，反而会影响模具使用寿命。

图11 T6热处理后Al-Si-Mg-Fe合金的工程应力-应变曲线

【研究结论】

倾斜角度为30°、振动频率为60 Hz条件下，半固态挤压铸造的优化浇注温度和挤压压力分别为670 ℃和120 MPa, 对应铸件的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为 MPa、 MPa和%。

T6热处理后，铸件的力学性能得到进一步提高，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为 MPa、 MPa和%。

【文献引用】

刘岩,高民强,杨莉,等.半固态挤压铸造Al-Si-Mg-Fe合金的组织与性能[J].特种铸造及有色合金,2023,43(6):747-752.

LIU Y,GAO M Q,YANG L,et and properties of semi-solid squeeze casting Al-Si-Mg-Fe alloys[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(6):747-752.

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