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半固态金属加工技术是21世纪前沿性的金属加工技术，利用了金属从液态向固态转变或固态向液态转变时固液共存的特性，综合了凝固加工和塑料性加工的长处，与传统的铸造加工相比，显示出较大的潜在优势。本课题采用自行研制的锥桶式流变成形机(TBR)，进行流变压铸工艺正交试验，研究了浇注温度、剪切速率及剪切温度对A356铝合金半固态流变压铸力学性能的影响规律，并确定了最佳工艺参数，使A356流变压铸件获得最优的力学性能。
一、试验方法
1.试验材料
试验材料为A356铝合金，其成份为Si6.93％、Fe0.17％，Cu0.01％、Mn0.01％，Mg0.38％、Zn0.01％、Ti0.15％、Ni0.05％、Sn0.01％、A1余量。经差热分析法(DSC)测定，A356合金液相线和固相线温度分别为615℃和560℃。
2.试验装置
试验所用设备采用实验室自主设计研发的锥桶式流变形机(TBR)。设备主要由动力传动机构、剪切搅拌机构、温度控制系统、升降机构、浆料输送机构和气体保护系统组成。
装置的工作原理是利用有刻有凸纹及沟槽的内、外锥桶的相对转动，使液态金属在凝固过程中发生剧烈的剪切变形，形成组织细小且均匀圆整的半固态金属浆料。内、外桶带有一定锥度，升降机构通过升降内桶，可以调整内、外桶带有一定锥度，升降机构通过升降内桶，可以调整内、外桶之间的间隙大小，从而改变剪切作用力和剪切时间，同时还可以延长设备的使用寿命。
3.试验过程
将A356铝合金锭烘干后放入预热温度为400℃的熔化炉内，加热到700℃时进行精炼除气，静置20min后，将液态金属降温到630～680℃，然后将液态金属注入锥桶式流变成形机装置中，获得的浆料注入压铸机浇口进行压铸，从而获得固态流变压铸件。
为了研究浇注温度、剪切速率及剪切温度对A356铝合金半固态组织的影响规律，并确定最佳的工艺参数配比，从而使A356流变压铸工艺正交试验。以上3个参数为影响因素，每个因素取3个水平，具体试验参数设置和力学性能结果见表1。
二、试验结果和分析
对正交试验所得流变压铸试样进行了分析，图1为不同工艺条件下的抗拉强度曲线，反映了浇注温度、剪切速率和剪切温度对锥桶式流变形机流变压铸工艺制备的A356半固态铸件抗拉强度的影响规律。同样，图2反映了这3个因素对伸长率的影响规律。
从图1和图2可以看出，浇注温度太高或太低都会降低半固态压铸件抗拉强度和伸长率。分析主要原因在于浇注温度太高时，获得的半固态浆料组织中初生固相形貌多为蔷薇状或块状，并且含有一部分枝晶，组织较粗大，因此，其力学性能较差。当浇注温度太低时，半固态浆料固相率增加，流动性变差，成形压铸件中容易出现冷隔、浇不足等缺陷，也影响其力学性能的改善。
锥桶式流变形机设备的剪切速率，对压铸件的抗拉强度影响不大，但随着剪切速率的增大，半固态压铸件的断后伸长率明显降低，分析主要是因为内桶转动引起合金熔体的搅动，增加了合金熔体的吸气和氧化倾向，导致生产的压铸件中容易出现氧化夹渣等缺陷。随着剪切速率增加，这种缺陷也逐渐加，而伸长率对于氧化夹渣缺陷更加敏感，因此，随着剪切速率的增加，A356半固态流变压铸件的伸长率略有减小。
锥桶式流变形机工艺的剪切温度对于A356半固态流变压铸件的影响规律与浇注温度对于力学性能的影响规律及其影响机理基本相似。
对正交试验数据进行方差分析和显著性检验，见表2。可以看出，影响抗拉强度的主要因素是浇注温度，影响伸长率的主要因素是剪切温度，因此，得出锥桶式流变形机流变压铸工艺生产A356铝合金压铸件的最优工艺参数。浇注温度为655℃，剪切速率为5000 s 1，剪切温度为600℃，在此工艺条件下，制备的半固态成形件力学性能为：σb=271MPa，δ=7.3％。其拉伸应力
应变曲线见图1。
半固态浆料含有一定体积分数的球状初生固相，与全液态压铸相比，不易发生喷溅。减轻了合金的氧化和裹气；型腔充填温度低，对模具的热冲击较小，提高了模具的寿命；半固态压铸件内部缺陷少，可以通过热处理来进一步提高铸件的力学性能；与固态模锻相比，其变形抗力小、能耗少可以实现较复杂的结构件的成形。与传统的液态压铸相比，锥桶式流变形机流变压铸生产的铝合金压铸件具有更高的力学性能。从图4中可以看出，其抗拉强度和伸长率都有了明显的提高。经统讥抗拉强度平均提高30 MPa左右，伸长率由此4％提高至6.5％左右。
三、结论
锥桶式流变形机设备进行流变压铸试验，影响抗拉强度的主要因素是浇注温度，影响伸长率的主要因素是剪切温度；锥桶式流变形机设备的浇注温度太高或太低都会降低半固态压铸件的抗拉强度和伸长率；剪切速率对压铸件的抗拉强度影响不大，但随着剪切速率的增大，半固态压铸件的断后伸长率明显降低。
锥桶式流变形机流变压铸工艺生产A356铝合金压铸件的最优工艺参数；浇注温度为655℃，剪切速率为5 000 s-1，剪切温度为600℃，在此工艺条件下，制备的半固态成形件力学性能为σb=271MPa，ε=7.3％。
与传统液态压铸相比，锥桶式流变形机流变压铸生产的铝合金压铸件具有更高的力学性能，其抗拉强度和伸长率都有了明显的提高。抗拉强度平均提高30 MPa左右，伸长率由4％提高至6.5％左右。
(作者单位：北京科技大学材料科学与工程学院)
一、试验方法
1.试验材料
试验材料为A356铝合金，其成份为Si6.93％、Fe0.17％，Cu0.01％、Mn0.01％，Mg0.38％、Zn0.01％、Ti0.15％、Ni0.05％、Sn0.01％、A1余量。经差热分析法(DSC)测定，A356合金液相线和固相线温度分别为615℃和560℃。
2.试验装置
试验所用设备采用实验室自主设计研发的锥桶式流变形机(TBR)。设备主要由动力传动机构、剪切搅拌机构、温度控制系统、升降机构、浆料输送机构和气体保护系统组成。
装置的工作原理是利用有刻有凸纹及沟槽的内、外锥桶的相对转动，使液态金属在凝固过程中发生剧烈的剪切变形，形成组织细小且均匀圆整的半固态金属浆料。内、外桶带有一定锥度，升降机构通过升降内桶，可以调整内、外桶带有一定锥度，升降机构通过升降内桶，可以调整内、外桶之间的间隙大小，从而改变剪切作用力和剪切时间，同时还可以延长设备的使用寿命。
3.试验过程
将A356铝合金锭烘干后放入预热温度为400℃的熔化炉内，加热到700℃时进行精炼除气，静置20min后，将液态金属降温到630～680℃，然后将液态金属注入锥桶式流变成形机装置中，获得的浆料注入压铸机浇口进行压铸，从而获得固态流变压铸件。
为了研究浇注温度、剪切速率及剪切温度对A356铝合金半固态组织的影响规律，并确定最佳的工艺参数配比，从而使A356流变压铸工艺正交试验。以上3个参数为影响因素，每个因素取3个水平，具体试验参数设置和力学性能结果见表1。
二、试验结果和分析
对正交试验所得流变压铸试样进行了分析，图1为不同工艺条件下的抗拉强度曲线，反映了浇注温度、剪切速率和剪切温度对锥桶式流变形机流变压铸工艺制备的A356半固态铸件抗拉强度的影响规律。同样，图2反映了这3个因素对伸长率的影响规律。
从图1和图2可以看出，浇注温度太高或太低都会降低半固态压铸件抗拉强度和伸长率。分析主要原因在于浇注温度太高时，获得的半固态浆料组织中初生固相形貌多为蔷薇状或块状，并且含有一部分枝晶，组织较粗大，因此，其力学性能较差。当浇注温度太低时，半固态浆料固相率增加，流动性变差，成形压铸件中容易出现冷隔、浇不足等缺陷，也影响其力学性能的改善。
锥桶式流变形机设备的剪切速率，对压铸件的抗拉强度影响不大，但随着剪切速率的增大，半固态压铸件的断后伸长率明显降低，分析主要是因为内桶转动引起合金熔体的搅动，增加了合金熔体的吸气和氧化倾向，导致生产的压铸件中容易出现氧化夹渣等缺陷。随着剪切速率增加，这种缺陷也逐渐加，而伸长率对于氧化夹渣缺陷更加敏感，因此，随着剪切速率的增加，A356半固态流变压铸件的伸长率略有减小。
锥桶式流变形机工艺的剪切温度对于A356半固态流变压铸件的影响规律与浇注温度对于力学性能的影响规律及其影响机理基本相似。
对正交试验数据进行方差分析和显著性检验，见表2。可以看出，影响抗拉强度的主要因素是浇注温度，影响伸长率的主要因素是剪切温度，因此，得出锥桶式流变形机流变压铸工艺生产A356铝合金压铸件的最优工艺参数。浇注温度为655℃，剪切速率为5000 s 1，剪切温度为600℃，在此工艺条件下，制备的半固态成形件力学性能为：σb=271MPa，δ=7.3％。其拉伸应力
应变曲线见图1。
半固态浆料含有一定体积分数的球状初生固相，与全液态压铸相比，不易发生喷溅。减轻了合金的氧化和裹气；型腔充填温度低，对模具的热冲击较小，提高了模具的寿命；半固态压铸件内部缺陷少，可以通过热处理来进一步提高铸件的力学性能；与固态模锻相比，其变形抗力小、能耗少可以实现较复杂的结构件的成形。与传统的液态压铸相比，锥桶式流变形机流变压铸生产的铝合金压铸件具有更高的力学性能。从图4中可以看出，其抗拉强度和伸长率都有了明显的提高。经统讥抗拉强度平均提高30 MPa左右，伸长率由此4％提高至6.5％左右。
三、结论
锥桶式流变形机设备进行流变压铸试验，影响抗拉强度的主要因素是浇注温度，影响伸长率的主要因素是剪切温度；锥桶式流变形机设备的浇注温度太高或太低都会降低半固态压铸件的抗拉强度和伸长率；剪切速率对压铸件的抗拉强度影响不大，但随着剪切速率的增大，半固态压铸件的断后伸长率明显降低。
锥桶式流变形机流变压铸工艺生产A356铝合金压铸件的最优工艺参数；浇注温度为655℃，剪切速率为5 000 s-1，剪切温度为600℃，在此工艺条件下，制备的半固态成形件力学性能为σb=271MPa，ε=7.3％。
与传统液态压铸相比，锥桶式流变形机流变压铸生产的铝合金压铸件具有更高的力学性能，其抗拉强度和伸长率都有了明显的提高。抗拉强度平均提高30 MPa左右，伸长率由4％提高至6.5％左右。
(作者单位：北京科技大学材料科学与工程学院)