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[摘 要]相比传统的铸造和锻造工艺，挤压铸造技术具有高效、短流程、产品质量高、精确成形等特点，为制造高性能零部件提供了可能，尤其是汽车轻量化等相关产业的推进，使得挤压铸造技术实现理论与实践的快速发展。铸造Al-Si系合金具有密度低、比强度高、流动性良好等特点，是挤压铸造最常用的材料之一，并且经挤压铸造后可进行热处理强化，从而满足零部件的技术要求。本文采用Al-Si-Cu-Mg合金通过挤压铸造工艺制备轮椅支架零部件，对工艺参数、关键技术、合金材料成分优化及后期热处理工艺等方面进行了分析。
[关键词]铝合金；轮椅支架；挤压铸造
中图分类号：TG249.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0237-01
1 挤压铸造技术概述及特点
挤压铸造也称液态模锻，是继金属型铸造、高压铸造后形成的一种新型材料成形工艺。该工艺是一种将一定的金属液注入型腔或者料筒，并施加较高的机械压力，在压力下缓慢充满模具型腔，高压凝固，并伴随着微量的塑性变形，从而获得终形或近终形零件的成形方法。
1）挤压铸造可以获得组织致密，近无缺陷的铸件
挤压铸造过程中，金属液是在压力下缓慢填充型腔的，合理的设计模具排气槽，型腔中的气体在金属液前沿界面的作用下完全排出模具型腔，铸件内部没有气泡；而在金属液体充满了模具型腔后，继续施加压力，使得金属熔体在较高的压下凝固，压力通过内浇口对最后凝固的部位强制补缩，所以，虽然挤压铸造没有冒口，在理论上来说，同样可以获得组织较为致密、消除了缩孔和缩松等缺陷的挤压铸造零部件。
2）挤压铸造零部件能够热处理强化
高压铸造等方法得到的铸件一般不可热处理，高压铸造过程中，金属液迅速充满型腔，镁合金的压射速度可达到1.5-3.0m/s，远大于挤压铸造成型的压射速度，型腔中的气体来不及逸出便存留在铸件内部，若随后进行热处理，铸件内部的气体以气泡的形式逸出表面，一方面，气泡经过的组织会产生显微空隙；另一方面，气孔原来所在的部位会造成孔洞，气泡的溢出会使得力学性能降低，所以压铸零件一般力学性能要求不高且不必进行热处理的薄壁件。
2 轮椅支架挤压铸造工艺研究
2.1 轮椅支架挤压铸造整体方案设计
实验研究用轮椅支架三维模型如图1所示。
此零件外观形状不规则且较为复杂，三个成型孔不在同一方向，需要添加侧向抽芯机构。本课题采用的是卧式挤压铸造设备，采用水平分模，两个同方向大的螺纹孔可以有型芯和型腔直接成型，为了避免铸造过程中出现问题，顶部的两个相邻的小的螺纹口不直接铸造出来，后续机加工钻孔。浇注系统、排溢系统、抽芯机构和铸件等部分，箭头所示的是金属液充型方向。在挤压铸造过程中，金属液在冲头的作用下平稳低速填充型腔，随后增压并保压，使得半固态的金属液在压力下凝固，最后卸压开模取件。加上喷涂、合模所用的时间，生产一个周期平均为150s。在凝固过程中，铸件往往不能实现同时凝固，壁厚较大的部位较后凝固，于是内浇口起到了强制补缩通道的作用，尽可能地保证铸件内部组织的完整性。
2.2 轮椅支架挤压铸造过程的数值模拟
本文数值模拟是基于韩国的AnyCasting软件，AnyCasting是一个专业高级铸造模拟软件系统，可以进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力应变场的模拟分析，它包括前处理、求解器和后处理等部分，主要程序包括AnypPRE、AnyMESH、AnySOLVER、AnyPOST和AnyDBASE等。AnyPRE是AnyCasting的前处理程序，它可以实现将三维模型导入，有限差分网格划分，设置边界条件等，并调用AnySOLVER进行求解。作为AnyCasting的求解器，AnySOLVER可以根据设定计算温度场和流场。结果的查看主要集中在AnyPOST模块，使用AnyPOST可以可以以动画形式、云图形式，多角度、多维度觀察铸件充型和凝固过程的温度场、流动速度场以及应力应变场等重要信息。
2.3 轮椅支架挤压铸造-局部增压技术应用
1）局部增压参数对铸件的影响
增压压下量和开始增压时间是局部增压技术两个重要的工艺参数，增压压下量是指增压杆在液压油缸的作用下对铸件进行补缩的行程；开始增压时间是指充型完毕后到增压冲头进行增压动作之间的时间间隔，两者相互关联、相互影响。在液压系统一定的情况下，增压压下量和开始增压时间相互影响：当增压时间增加，铸件前沿的液相向固相转变的越多，与此同时，液压油缸推动增压冲头前行的阻力越大，增壓压下量减小；相应的，如果开始增压时间减小，增压压下量增加。
2）挤压铸造成型技术性能
局部增压技术是挤压铸造成型技术的重要补充和关键技术，增压压力、增压压下量、开始增压时间和增压杆与套的配合间隙是影响局部增压效果的重要因素，对于本实验的铝合金轮椅支架来说，当反向增压压力为100MPa，开始增压时间为0.5S，局部增压杆与杆套的配合单边间隙为0.07mm时，取得良好的局部增压效果。但局部增压处的力学性能低于铸件的平均值，这可能与局部增压工艺参数有关。通过T6热处理后，铸件局部增压部位、其他部位的拉伸性能均显著提高，抗拉强度分别为341.0MPa，36s.4MPa，分别提高了36.8%和25.4%。
2.4 工艺的优化
（1）在一定范围内，增加Mg，Cu含量能够在很大程度上能够提高Al-Si合金的强度，但与此同时，合金的伸长率会降低。0（A12Cu）和Q-A15Cu2Mg8Sib相是AI-Si-Cu-Mg主要强化相。Cu含量越多，强化效果越明显，但含Cu的脆性第二相也会加速裂纹的形成和扩展。热处理能够使AI-Si-Cu-Mg合金获得较高的强度和良好的韧性，当Cu/Mg值为4时，合金具有良好的综合力学性能，在本实验中，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到426.2MPa，295.0MPa和6.3%。
（2）对于挤压铸造A354合金而言，最佳的热处理制度为：固溶处理制度为5250CXlOh，时效处理工艺为1750CX6h，在此优化的热处理工艺条件下，挤压铸造A354合金的峰值硬度达到129HB。固溶时间和温度相互影响，第二相溶解的过程是原子扩散的过程，原子迁移需要一定的时间；析出相的溶解又需要在一定的温度下才发生，固溶温度要合理。在525℃固溶lOh后，大部分8（A12Cu）相己经溶解，基体中过饱和的Cu原子数量多，对合金产生良好的固溶强化效果。在175℃时效条件下，随着保温时间的增加，合金的硬度曲线呈现双峰现象，主要原因是Q（A15Cu2Mg8Si6），0（A12Cu）相的形成、聚集和长大。
综上所述，本课题采用挤压铸造先进成型方式制备大型复杂铝合金轮椅支架部件，主要从挤压铸造工艺参数、铸造关键技术、合金材料成分优化及后期热处理工艺等方面着手，系统而全面的探讨了挤压铸造技术工艺在工程技术层面的运用及成型机理。
参考文献
[1] 芦卓，李元元，赵海东，罗宗强，张卫文.铝合金支架间接挤压铸造的研究[J].特种铸造及有色合金，2006，08：492-495+461.
[关键词]铝合金；轮椅支架；挤压铸造
中图分类号：TG249.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0237-01
1 挤压铸造技术概述及特点
挤压铸造也称液态模锻，是继金属型铸造、高压铸造后形成的一种新型材料成形工艺。该工艺是一种将一定的金属液注入型腔或者料筒，并施加较高的机械压力，在压力下缓慢充满模具型腔，高压凝固，并伴随着微量的塑性变形，从而获得终形或近终形零件的成形方法。
1）挤压铸造可以获得组织致密，近无缺陷的铸件
挤压铸造过程中，金属液是在压力下缓慢填充型腔的，合理的设计模具排气槽，型腔中的气体在金属液前沿界面的作用下完全排出模具型腔，铸件内部没有气泡；而在金属液体充满了模具型腔后，继续施加压力，使得金属熔体在较高的压下凝固，压力通过内浇口对最后凝固的部位强制补缩，所以，虽然挤压铸造没有冒口，在理论上来说，同样可以获得组织较为致密、消除了缩孔和缩松等缺陷的挤压铸造零部件。
2）挤压铸造零部件能够热处理强化
高压铸造等方法得到的铸件一般不可热处理，高压铸造过程中，金属液迅速充满型腔，镁合金的压射速度可达到1.5-3.0m/s，远大于挤压铸造成型的压射速度，型腔中的气体来不及逸出便存留在铸件内部，若随后进行热处理，铸件内部的气体以气泡的形式逸出表面，一方面，气泡经过的组织会产生显微空隙；另一方面，气孔原来所在的部位会造成孔洞，气泡的溢出会使得力学性能降低，所以压铸零件一般力学性能要求不高且不必进行热处理的薄壁件。
2 轮椅支架挤压铸造工艺研究
2.1 轮椅支架挤压铸造整体方案设计
实验研究用轮椅支架三维模型如图1所示。
此零件外观形状不规则且较为复杂，三个成型孔不在同一方向，需要添加侧向抽芯机构。本课题采用的是卧式挤压铸造设备，采用水平分模，两个同方向大的螺纹孔可以有型芯和型腔直接成型，为了避免铸造过程中出现问题，顶部的两个相邻的小的螺纹口不直接铸造出来，后续机加工钻孔。浇注系统、排溢系统、抽芯机构和铸件等部分，箭头所示的是金属液充型方向。在挤压铸造过程中，金属液在冲头的作用下平稳低速填充型腔，随后增压并保压，使得半固态的金属液在压力下凝固，最后卸压开模取件。加上喷涂、合模所用的时间，生产一个周期平均为150s。在凝固过程中，铸件往往不能实现同时凝固，壁厚较大的部位较后凝固，于是内浇口起到了强制补缩通道的作用，尽可能地保证铸件内部组织的完整性。
2.2 轮椅支架挤压铸造过程的数值模拟
本文数值模拟是基于韩国的AnyCasting软件，AnyCasting是一个专业高级铸造模拟软件系统，可以进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力应变场的模拟分析，它包括前处理、求解器和后处理等部分，主要程序包括AnypPRE、AnyMESH、AnySOLVER、AnyPOST和AnyDBASE等。AnyPRE是AnyCasting的前处理程序，它可以实现将三维模型导入，有限差分网格划分，设置边界条件等，并调用AnySOLVER进行求解。作为AnyCasting的求解器，AnySOLVER可以根据设定计算温度场和流场。结果的查看主要集中在AnyPOST模块，使用AnyPOST可以可以以动画形式、云图形式，多角度、多维度觀察铸件充型和凝固过程的温度场、流动速度场以及应力应变场等重要信息。
2.3 轮椅支架挤压铸造-局部增压技术应用
1）局部增压参数对铸件的影响
增压压下量和开始增压时间是局部增压技术两个重要的工艺参数，增压压下量是指增压杆在液压油缸的作用下对铸件进行补缩的行程；开始增压时间是指充型完毕后到增压冲头进行增压动作之间的时间间隔，两者相互关联、相互影响。在液压系统一定的情况下，增压压下量和开始增压时间相互影响：当增压时间增加，铸件前沿的液相向固相转变的越多，与此同时，液压油缸推动增压冲头前行的阻力越大，增壓压下量减小；相应的，如果开始增压时间减小，增压压下量增加。
2）挤压铸造成型技术性能
局部增压技术是挤压铸造成型技术的重要补充和关键技术，增压压力、增压压下量、开始增压时间和增压杆与套的配合间隙是影响局部增压效果的重要因素，对于本实验的铝合金轮椅支架来说，当反向增压压力为100MPa，开始增压时间为0.5S，局部增压杆与杆套的配合单边间隙为0.07mm时，取得良好的局部增压效果。但局部增压处的力学性能低于铸件的平均值，这可能与局部增压工艺参数有关。通过T6热处理后，铸件局部增压部位、其他部位的拉伸性能均显著提高，抗拉强度分别为341.0MPa，36s.4MPa，分别提高了36.8%和25.4%。
2.4 工艺的优化
（1）在一定范围内，增加Mg，Cu含量能够在很大程度上能够提高Al-Si合金的强度，但与此同时，合金的伸长率会降低。0（A12Cu）和Q-A15Cu2Mg8Sib相是AI-Si-Cu-Mg主要强化相。Cu含量越多，强化效果越明显，但含Cu的脆性第二相也会加速裂纹的形成和扩展。热处理能够使AI-Si-Cu-Mg合金获得较高的强度和良好的韧性，当Cu/Mg值为4时，合金具有良好的综合力学性能，在本实验中，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到426.2MPa，295.0MPa和6.3%。
（2）对于挤压铸造A354合金而言，最佳的热处理制度为：固溶处理制度为5250CXlOh，时效处理工艺为1750CX6h，在此优化的热处理工艺条件下，挤压铸造A354合金的峰值硬度达到129HB。固溶时间和温度相互影响，第二相溶解的过程是原子扩散的过程，原子迁移需要一定的时间；析出相的溶解又需要在一定的温度下才发生，固溶温度要合理。在525℃固溶lOh后，大部分8（A12Cu）相己经溶解，基体中过饱和的Cu原子数量多，对合金产生良好的固溶强化效果。在175℃时效条件下，随着保温时间的增加，合金的硬度曲线呈现双峰现象，主要原因是Q（A15Cu2Mg8Si6），0（A12Cu）相的形成、聚集和长大。
综上所述，本课题采用挤压铸造先进成型方式制备大型复杂铝合金轮椅支架部件，主要从挤压铸造工艺参数、铸造关键技术、合金材料成分优化及后期热处理工艺等方面着手，系统而全面的探讨了挤压铸造技术工艺在工程技术层面的运用及成型机理。
参考文献
[1] 芦卓，李元元，赵海东，罗宗强，张卫文.铝合金支架间接挤压铸造的研究[J].特种铸造及有色合金，2006，08：492-495+461.